DE3000291A1

DE3000291A1 - Schaltungsanordnung zur umwandlung einer widerstandsaenderung in eine frequenzaenderung

Info

Publication number: DE3000291A1
Application number: DE19803000291
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dr.-Ing. 2000 Hamburg Meyer-Ebrecht
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-01-05
Filing date: 1980-01-05
Publication date: 1981-07-09
Also published as: SE436937B; IT1134935B; SE8100008L; GB2068130B; IT8119001A0; DE3000291C2; FR2473183B1; US4794350A; FR2473183A1; GB2068130A; JPS56101563A

Description

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"Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Widerstandsänderung in eine Frequenzänderung"

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Widerstandsänderung in eine Frequenzänderung, enthaltend wenigstens einen von einer physikalischen Größe abhängigen Widerstand.

Es sind zahlreiche Schaltungen bekanntgeworden, mit deren Hilfe Widerstandsänderungen, z.B. von Dehnungsmeßstreifen, in Frequenzänderungen umgesetzt werden können. Insbesondere auf dem Gebiet der Wägetechnik werden derartige Schaltungsanordnungen in großem Umfang verwendet. Überall dort, wo es sich um eichfähige Waagen handelt, sind die Anforderungen an Auflösungsvermögen und Linearität sehr hoch, so daß ein entsprechend hoher Schaltungsaufwand getrieben werden muß.

Es gibt aber auch eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten, bei denen die Forderung nach möglichst geringem Aufwand und somit möglichst niedrigem Preis im Vordergrund steht, wie z.B. bei Haushaltswaagen oder Personenwaagen. Hier genügen geringere Genauigkeitsanforderungen, die im Promille-Bereich oder gar im Prozent-Bereich liegen können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, die für die angegebenen Verwendungsfälle besonders geeignet ist, d.h. einen geringen Aufwand erfordert und aus weitgehend unkritischen, d.h. serienmäßigen Bauelementen aufgebaut ist.

Eine erste Lösung dieser Aufgabe besteht darin,daß zur

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Frequenzerzeugung ein aus einem Hochpaß mit einem Summierverstärker und einem Allpaß mit einem Operationsverstärker bestehender Oszillator vorgesehen ist und daß zwischen den Ausgang des dem Allpaß folgenden Operationsverstärkers und den Summenpunkt des dem Hochpaß folgenden Summierverstärkers ein frequenää/bhängiges Element mit veränderlichem Verstärkungsfaktor, beispielsweise eine Dehnungsmeßstreifenbrücke enthaltend, geschaltet ist.

- Eine zweite Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß zur Frequenzerzeugung ein aus einem Hochpaß mit einem Summierverstärker und einem Allpaß mit einem Operationsverstärker bestehender Oszillator vorgesehen ist, und daß wenigstens ein meßwertabhängiger Widerstand direkt zwischen den Summenpunkt des dem Hochpaß folgenden Summierverstärkersrund den Ausgang des dem Allpaß folgenden Operationsverstärkers oder den Ausgang eines diesem nachgeschalteten Inverterverstärkers geschaltet ist und/oder in den Eingangs- und/oder Rückführungszweig des Inverterverstärkers aufgenommen ist.

Es sei hier bemerkt, daß Allpaßschaltungen der genannten Art bereits mehrfach beschrieben wurden, so z.B. in "Electronic Engineering", August 1967, Seiten 498 bis 502; NASA Tech, Brief Nr. 70-10338; und !'Philips Research Reports Supplements", 1974, Nr. 6, Seiten 56 bis 57.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Darin zeigen: Fig.1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und Fig.2 ein ausführlicheres Schaltbild dieser

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Schaltungsanordnung.

Der in Fig.1 symbolisch dargestellte Sinus-Oszillator "besteht aus einem Hochpaßglied mit der Ubertragungsfunktion _,J2(»T und einem Allpaßglied 1 -,jm τ sowie

einem weiteren Zweig mit dem frequenzunabhängigen Verstärkungsfaktor F. Dieser Oszillator besitzt die außergewöhnliche Eigenschaft, daß seine Schwingfrequenz «Sq durch die bloße Veränderung des Verstärkungsfaktors F gesteuert werden kann, und zwar weitgehend linear mit dem Verstärkungsfaktor F über einen für die Auswertung des Ausgangssignals genügend großen Frequenzbereich und ohne eine Veränderung der Kreisverstärkung des Oszillators bei einer Veränderung des Verstärkungsfaktors F.

Als Sinus-Oszillator enthält diese Schaltungsanordnung keinerlei Schwellwertschalter oder andere nicht-lineare Elemente, die die Frequenz zusätzlich beeinflussen könnten.

Die Schwingfrequenz $_Q ist zwar eine nicht-lineare Funktion von F;

"o - ϊ - ' ^1+P

jedoch hat diese Funktion bei F=O einen Wendepunkt, so daß sich beispielsweise für eine Frequenzvariation von + 30 % (^omax"^{550 2ti)}0min^ ^eine maximale Abweichung von einer linearen Kennlinie von nur etwa + 0,3 % ergibt.

Fig.2 zeigt ein ausführlicheres Schaltbild einer Schaltungsanordnung gemäß der ersten Lösung. Ein Hochpaß enthält einen Summierverstärker V_?, einen

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ersten Widerstand R₁ und einen ersten Kondensator C₁, wobei der Summierverstärker V₂ mittels eines Widerstandes PU gegengekoppelt ist. Auf diesen Hochpaß folgt ein Allpaß (Verstärker mit einem betragsmäßig konstanten Verstärkungsgrad 1, aber frequenzabhängiger Phasendrehung), der aus einem Operationsverstärker V,, einem weiteren Widerstand R₂ und einem weiteren Kondensator Cp besteht. Der Verstärker V^ ist über Widerstände R^ und Rj- gegengekoppelt.

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Der modulierende Zweig mit dem Verstärkungsfaktor F -r- ist wie folgt realisiert: In den Eingangskreis des Summierverstärkers V₂ ist eine aus vier Dehnungsmeßstreifen A, B, C,-D bestehende Brückenanordnung aufgenommen, deren Eingangsklemmen einmal an einem vom Ausgang des Operationsverstärkers V, zum ersten Kondensator C₁ liegenden Rückführungszweig und zum anderen am Ausgang eines Inverterverstärkers V₁ liegen. Die Ausgangsklemmen dieser Brückenschaltung sind mit dem invertierenden Eingang des Inverterverstärkers V₁ bzw. mit dem Summenpunkt des Summierverstärkers V₂ verbunden.

Zur Nullpunktverschiebung, d.h. zur Einstellung auf ^ 25 eine bestimmte Ausgangsfrequenz bei der Brückenverstimmung Null, kann ein Widerstand R_Q vorgesehen sein ,dessen einer Anschluß ebenfalls am Summenpunkt S liegt und dessen anderer Anschluß, je nach Verschiebungsrichtung, am Brückenpunkt U_Q oder am Brückenpunkt U_Q liegt.

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Bei Belastung ändern die Brückenwiderstände A, B, C, D ihren Widerstand z.B. in der in Fig.2 dargestellten Weise. Dadurch gerät die Brücke aus dem Gleichgewicht, der Verstärkungsfaktor F ändert sich und mit ihm die vom Oszillator erzeugte Frequenz.

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Die Wirkungsweise der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung ist die folgende. Da die Brücke A, B₉ C, D über den Inverterverstärker V^ symmetrisch gespeist wird, bestimmt die Verstimmung der einen entsprechenden Halbbrücke B, D den Verstärkungsfaktor F. Die gegenläufige Verstimmung der zweiten Halbbrücke A, C addiert sich zum Verstärkungsfaktor F, indem diese selbst die Beschaltung des Inverterverstärkers V^ bildet:

n _TT _(Λ _o AR

^{U U}S -4 ^ .^UO

(Die Näherung gilt für AR^ R)

Diese Rechnung setzt voraus, daß die an den Eingang des Inverterverstärkers V^ angeschlossene Brückenausgangsklemme durch dessen Funktion Bezugspotential annimmt ("virtuelle Masse" des Summenpunktes eines Operationsverstärkers). Eine Abweichung wird kompensiert, indem von dieser Brückenausgangsklemme das Bezugspotential des der Brücke folgenden Summierverstärkers V₂ abgeleitet wird.

Der Widerstand R_Q ergibt eine zusätzliche Nullpunktverstimmung der Frequenz in positiver oder negativer Richtung je nachdem, ob R_Q an U_Q resp. U_Q angeschlossen ist, so daß
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F - 8.R₁' . AR +
!Γ""™ R

Kapazitive Einflüsse der Brückenzuleitungen können weitgehend vermieden werden, indem die Brückenausgänge gegen Bezugspotential abgeschirmt werden, so

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daß keine kapazitiven Ströme zwischen Eingangs- und Ausgangsklemmen möglich sind. Wegen der symmetrischen Speisung sind die Potentiale an den Ausgangsklemmen niedrig und kapazitive Ströme nach Bezugspotential somit gering.

Damit sich während des Betriebes des Oszillators eine stationäre Schwingamplitude einstellt, sind noch übliche Mittel zur Amplitudenstabilisierung durch Regelung oder Nichtlinearisierung einer Verstärkerkennlinie notwendig.

Die beschriebene Schaltungsanordnung hat verschiedene Vorteile. Zunächst benötigt sie nur eine geringe Anzahl von Verstärkern. Die Frequenz wird zudem durch eine geringe Anzahl passiver Bauelemente bestimmt, auch entfällt ein der Meßbrücke direkt nachgeschalteter Verstärker. Weiterhin ist der Einfluß der Meßbrückenkabel-Kapazitäten stark reduziert und, was besonders wichtig ist, die Schaltung läßt sich in konventioneller Technik integrieren.

Wenn die vorgeschlagene Schaltungsanordnung aus MOS-Operationsverstärkern mit geringen Ruheströmen (z.B.

in MOS-Technik) aufgebaut ist, dann wird ihr Betriebsstrom praktisch nur durch die Dehnungsmeßstreifen A, B, C, D bestimmt. Beim Betrieb der Brückenanordnung mit der Sinusspannung des Oszillators führt die Speiseleitung des Oszillators die gleichgerichteten HaIbwellen der Oszillatorfrequenz, also die doppelt" Frequenz. Koppelt man diese, z.B. mittels eines Opto-Kopplers am Ort der Stromversorgung aus, so läßt sich ohne zusätzliche Modulationsschaltungen sehr einfach ein Fernmeßsystem realisieren, bei dem der am Meßort installierte Oszillator mit dem am Auswerteort installierten Stromversorgungsgerät über eine einzig®

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Zweidraht-Leitung verbunden ist.

eerseite

Claims

"X " " PHD 80-002 Patentansprüche;

1. Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Widerstandsänderung in eine Frequenzänderung, enthaltend wenigstens einen von einer physikalischen Größe abhängigen Widerstand, dadurch gekennzeichnet, daß zur Frequenzerzeugung ein aus einem Hochpaß mit einem Summierverstärker ("Vj,) ^unc* einem Allpaß mit einem Operationsverstärker (V,) bestehender Oszillator vorgesehen ist und daß zwischen den Ausgang des dem Allpaß folgenden Operationsverstärkers (V,) und den Summenpunkt (S) des dem Hochpaß folgenden Summierverstärkers (V₂) ©in frequenzabhängiges Element mit veränderlichem Verstärkungsfaktor (F), beispielsweise eine Dehnungsmeßstreifenbrücke (A, B, C, D) enthaltend geschaltet ist.

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2„ Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Widerstandsänderung in eine Frequenzänderung, enthaltend wenigstens einen von einer physikalischen Größe abhängigen Widerstand, dadurch gekennzeichnet,

_v 20 daß zur Frequenzerzeugung ein aus einem Hochpaß mit einem Summierverstärker (Vg) und einem Allpaß mit einem Operationsverstärker (V,) bestehender Oszillator vorgesehen ist, und daß wenigstens ein meßwertabhängiger Widerstand direkt zwischen den Summenpunkt

(S) des dem Hochpaß folgenden Summierverstärkers (V₂) und den Ausgang des dem Allpaß folgenden Operationsverstärkers (V,) oder den Ausgang eines diesem nachgeschalteten Inverterverstärkers (V,,) geschaltet ist und/oder in den Eingangs- und/oder Rückführungszweig des Inverterverstärkers (V,i) aufgenommen ist.

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3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Korrekturwiderstand (R_Q) vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Stromversorgungsleitung des Oszillators ein Opto-Koppler mit nachgeschaltetem Frequenzzähler aufgenommen ist.

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