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Schaltungsanordnung mit einem Kondensator im Rückkopplungs-
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zweig eines Operationsverstärkers.
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Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung mit einem Kondensator
im Rückkopplungszweig eines Operationsver -stärkers und mit einem ohmschen Widerstand
an dessen invertierendem Eingang.
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Eine solche Schaltung stellt eine wichtige Anwendung des Operationsverstärkers
dar und wird in der Analogrechentechnik als Umkehrintegrator verwendet. Eine Anwendung
dieser Schaltungsanordnung bei der Messung von Kapazitäten ist jedoch noch nicht
vorgesehen worden.
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Zur Messung von Kapazitäten sind in der Technik schon verschiedenste
Anordnungen verwendet worden. Im einfachsten Fall läßt sich die Kapazität eines
Kondensators über den Spannungsabfall am Kondensator eines RC-Gliedes, das mit einer
Wechsel spannung beaufschlagt wird, messen. Dieses Verfahren liefert jedoch nur
verhältnismäßig grobe Meßwerte.
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Zur genaueren Messung von Kapazitäten werden verschiedene Meßanordnungen
verwendet, die im folgenden beschrieben sind, die jedoch alle eine Reihe von Nachteilen
aufweisen:
1. Schwingkreisanordnungen Bei derartigen Anordnungen
dient der zu messende Kondensator als frequenzbestimmendes Glied eines RC - oder
LC- Generators, dessen Frequenz bei konstantem R bzw. L allein von der Kapazität
abhängig ist.
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Die vom Generator erzeugte Frequenz kann über eine FM-Domodulationsschaltung
in ein frequenzproportionales Gleiciispannungssignal umgewandelt werden.
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2. Anordnung mit Rcsonanzkreisen hierbei ist der Meßkondensator Teil
eines Scharingkreises, der an einen Generator fester Frequenz angekoppelt ist.
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Der Schwingkreis ist auf die Generatorfrequenz abgeglichen, so daß
ein angeschlossenes Hochfrequenzvoltmeter die Resonanzspannung anzeigt. Bei Veränderung
des Kapazität -wertes wird der Schwingkreis verstimmt, so daß sich die Spannung
am Voltmeter ändert.
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f. Kapazitätsmeßbrücken Es handelt sich um Wechselstrommeßbrücken,
die den Wert eines unbekannten Kondensators durch die "Nullabgleich -methode" ermitteln
. Da die Brücke nach Betrag und Phase abgeglichen werden muß , sind zwei einstellbare
Elemente für den Abgleich notwendig. Ein Beispiel für eine Kapazitätsmeßbrücke ist
die 1,Schering-Meßbrücke". Mit Kapazitätsmeßbrücken lassen sich hohe Genauigkeiten
erreichen; sie sind jedoch wegen der manuellen Einstellung für die Erfassung schnell
veränderlicher Kapazitätswerte ungeeignet.
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Die oben genannten Standardchaltuncn sind für viele Meßaufgaben ausreichend.
Sie sind jedoch verhältnismäßig aufwendig im Aufbau. Ferner treten bei diesen erhebliche
Schwierigkeiten auf, wenn s&r kleine, sich rasch andernde Kapazitäten gemessen
werden sollen, und wenn die Zuleitungskapazitäten in der Größenordnung der Meßkapazität
liegen oder diese sogar erheblich überschreiten. Dies ist in der Regel der Fall
bei kapazitiven Fühlern für mechanische Größen, die auf dem Einfluss der mechanischen
Größen auf Plattenabstand, Plattengröße oder Dielektrikum des kapazitiven Fühlers
beruhen. Besonders kritisch ist hier der Einfluß der ScharaSiungen der Zuleitungskapazität
aufgrund mechanischer oder thermischer Einnzirkungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und störungsarme
Meßeinrichtung für Kapazitäten ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs
erwähnten Art zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des
Ansprucns 1 gelöst.
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Bei dieser Anordnung ist die Kapazitätsmessung weit -gehend unabhängig
von der Größe der Zuleitungskapazitäten und deren Anderungen und damit läßt sich
wegen der auf die reine Meßkapazität reduzierten Grundkapazität eine hohe absolute
Auflösung erreichen. Weiterhin lassen sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung dynamische
Kapazitätsänderungen erfassen. Bei Speisung mit Wechselspannung wird ein zur Xnderung
der Meßkapazität proportionales Spannungssignal am Meßgerät erzeugt.
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Der Meßkondensator kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung durch
zwei jeweils abgeschirmte Zuleitungen mit dem
invertierenden Eingang
und dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden sein. Die dadurch entstehenden
Zuleitungskapazitäten gegenüber Masse treten als Kapazitäten am invertierenden Eingang
und am Ausgang des Gperationsverstärkers auf. Diese beiden Kapazitäten haben - unter
idealisierten Bedingungen- keinen Einfluß auf die Wirkungsweise der reinen Integratorschaltung
ohne Brdungskapa7.itaten. Einerseits bedeutet die Kapazität am Ausgang des Operationsverstärkers
lediglich eine kapazitive Last, die im Falle des idealen Operationsverstärkers mit
Ausgangswiderstand Null Ohm ohne jegliche Bedeutung ist. Andererseits liegt die
Kapazität am invertierenden Eingang wegen der Wirkungsweise des Operationsverstärkers
zwischen dem Wert eines virtuellen Nullpotentials an diesem Punkt und dem galvanischen
Nullpotential, so daß, wiederum im Falle des idealen Operationsverstärkers, kein
Spannungsabfall an diesem Erdungskondensator vorhanden ist und er damit keinen Einfluß
auf die Umkehrintegratorschaltung hat.
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Deshalb haben auch Veränderungen der Erdungskapazitäten keine Auswirkungen
auf die Messung der zu messenden Kapazitäten.
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Aufgrund der Gü-te der erhältlichen Operationsverstärker, die dem
idealen Operationsverstärker sehr nahe kommen, sind die Einflüsse der Erdungskapazitäten
auch bei den realen Operationsverstärkern vernachlässigbar. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung eignet sich daher sehr gut zur störungsarmen, hochauflösenden
Messung von Kapazitäten und Kapazitätsänderungen.
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Bei Speisung der Schaltungsanordnung mit Wechselspannung kann es
schwierig seiL, ein absolut symmetrisches Wechselspannungssignal zu erzeugen. Da
die Schaltungsanordnung bei leichter Unsymmetrie durch eine sich aufsummierende
Vorspannung jedoch in die Begrenzung geht, ist eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Operationsverstärkers
mit
einer die Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals bildenden Schaltung verbunden
ist und daß der Ausgang dieser Schaltung mit einem weiteren Verstärker verbunden
ist, dessen Ausgang über einen weiteren ohin schen Widerstand mit dem invertierenden
Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist. Folglich wird die sich aus der
Unsymmetrie ergebende Gleichspannungskomponente auf den Eingang des Operationsverstcirkers
rückgekoppelt. Vorzugsweise ist die die Gleichspannungskomponente des Ausgangssignals
bildende Schaltung ein Siebglied, insbesondere ein Tiefpass.
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Um zu vermeiden, daß sich durch äußere Einflüsse bedingt unvermeidliche
Schwankungen der Eingangsspanmmg als Störungen am Ausgang auswirken, ist gemäß einer
anderen Weiterbildung der Erfindung ein weiterer Operationsverstärker mit einem
auf Festwerte einstellbaren Kondensator im Rückkopplungszweig vorgesehen, wobei
an dem invertierenden Eingang dieses Operationsverstärkers über einen ohmschen Widerstand
die gleiche Gleich- oder Wechselspannung wie an den anderen Operationsverstärker
gelegt ist und es sind dabei die Ausgänge der Operationsverstärker mit je einem
Eingang eines Subtrahierers verbunden, dessen Ausgang mit einem Meßgerät verbunden
ist Auf diese Weise läßt sich der Kapazitätswert des zu messenden Kondensators noch
genauer ermitteln.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die anderen Unteransprüche
gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der
Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen: Fig. 1 eine grundsätzliche Schaltungsanordnung
gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Fig.1
mit einem Rückkopplungspfad zur Eliminierung von Unsymmetrien in der Eingangswechselspannung;
Fig. 3 eine Weiterbildung der Schaltungsanordnung nach Fig.2 zur Eliminierung von
Schwankungen der Eingangsspannung; Fig. 4 eine Auswerteschaltung für Ausgangssignale
der Schaltungsanordnung nach Fig. 3; Fig. 5 eine Multiplexschaltung zur Abfrage
von mehreren Meßkondensatoren.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist ein Meßkondensator 1
in den Rückkopplungszweig eines Operationsverstärkers 2 geschal-tet. Dem Operationsverstärker
2 ist ein Vorwiderstand 3 vorgeschaltet, dem über eine Klemme 4 ein Eingangssignal
zugeführt wird. Der Meßondensator 1 ist durch zwei jeweils abgeschirmte Zuleitungen
5 und 6 mit dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers
2 verbunden.
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Dadurch treten Zuleitungskapazitäten auf, die als Kondensatoren 7
bzw. 8 dargestellt sind.
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Wie schon weiter oben beschrieben, treten bei einem idealen Operationsverstärker
an den Zuleitungskondensatoren 7 und 8 keine Spannungsabfälle auf, da der Ausgangswiderstand
des Operationsverstärkers Null Ohm ist und zwischen der virtuellen Null des Knotenpunktes
10 und der Erde am Kondensator 7 ebenfalls kein Spannungsabfall auftreten kann.
Aus diesem Grund haben auch Änderungen der ErdungskapazitWten 7 und 8 keinen Einfluß
auf die zu messende Kapazität des Kondensators 1. Am Ausgang 9 ist ein Meßgerät
22 angeschlossen.
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Die Ausgangsspannung des Umkehrintegrators bestimmt sich
zu
so daß man bei bekanntem Verlauf der Spannung Ue(t) an der Eingangsklemme 4 und
konstantem Widerstand 3 mit Hilfe der Ausgangsspannung Ua(t) die Kapazität C.bestimmen
kann . Wird die Schaltungsanordnung mit einer Wechselspannung, z.B. in Form eines
Rechtecksignals betrieben, das symmetrisch zur Nullinie ist, so ent -steht am Ausgang
ein ebenfalls zur Nullinie symmetrisches Dreieckspannungssignal.
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In dz regel ist es jedoch schwierig, ein absolut symmetrisches Wechselspannungssignal
zu erzeugen. Ferner geht die Schaltungsanordnung bereits bei leichter Unsymmetrie
durch eine sich auf summierende Vorspannung in die Begrenzung.
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In Fig. 2 ist die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 so modifiziert,
daß durch einen Regelkreis das Ausgangssignal der als Integrator geltenden Schaltungsanordnung
symmetrisch zur Nullinie liegt. Die Schaltungsanordnung weist den gleichen Aufbau
auf wie die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 und es sind die gleichen Bezugszeichen
für die gleichen Teile verwendet. Zusätzlich ist am Ausgang 9 ein aus einem Widerstand
11 und einem Kondensator 12 bestehendes RC-Glied vorgesehen, dessen Ausgang einem
Gleichspannungsverstärker 13 zugeführt wird. Der Ausgang 14 des Verstärkers 13 ist
über einen Widerstand 15 mit dem Eingang des Operationsverstärkers 2 verbunden.
Es wird also die
Wechselspannungskomponente des Ausgangssignals
der Schaltungsanordnung im RC-Glied 11 , 12 unterdrückt, und die verbleibende Gleichspannungskomponente
über den Widerstand 15 rückgekoppelt. Damit werden sämtliche Unsymmetrien in der
Spannung am Eingang 4 ausgeregelt Wie sich aus der obigen Formel ergibt, ist die
Spannung am Ausgang 9 abhängig von der dem Eingang 4 zugeführten Wechsel- oder Gleichspannung,
so daß sich bei der Schaltung nach Fig. 1 durch äußere Einflüsse bedingte unvermeidliche
Schwankungen der Eingangss1)amlurlg als S-törungen am Ausgang niederschlagen .Zum
Ausgleich dieser Störungen ist bei der Schaltung nach Fig. 3 eine weitere Schaltungsanordnung
der in Fig. 1 angegebenen Art vorgesehen, bei der anstelle des Meßkondensators 1
ein Festkondensator 1' angeschlossen ist. Die Eingänge der beiden Schaltungsanordnungen
werden mit dem gleichen Eingangssignal beaufschlagt. Die Spannungen an den Ausgängen
9 bzw.
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9' der beiden Schaltungsanordnungen werden einem Subtrahierer 16 zugeführt,
dessen Ausgangssignal an seinem Ausgang 17 weitgehend unabhängig von Schwankungen
am Eingang der Spannung 4 ist.
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In Fig. 4 ist eine Auswerteschaltung für das Ausgingssignal des Subtrahierers
16 an dessenAusgang 17 dargestellt. Diese Auswerteschaltung enthält einen Präzisionsgleichrich-ter
18, ein Filter 19, eine Vorspannungskompensationsschaltung 20 und einen Verstärker
21.
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Werden die Kapazitäten der Kondensatoren 1 und 1' der Schaltung nach
Fig. 3 völlig gleich gewählt, so erreicht bei Einspeisung von Wechselspannung die
Spannung am Ausgang 17 des Verstärkers 16 ein Minimum und jede Änderung des Kondensaors
führt ohne Berücksichtigung ihrer Richtung zu einer Amplitudenerhöhung. Differieren
dagegen
die Grundkapazitäten 1 und 1' geringfügig, so ist bei kleinen Anderungen der Meßkapazität
1 die Ausgangsspannung am Ausgang 17 eine eindeutige und weitgehend lineare Funktion
des Meßkondensators 1.
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Mit der beschriebenen Anordnung lassen sich bei einfachem Schaltungsaufbau
mit Standardbauteilen dynamische Kapazitätsänderungen (fig ) 200 Hz) mit einer absoluten
Auflösung a C von 10 pF und einer relativen Auflösung 4 C/CO < 10 7mit dem Vorteil
der Unabhängigkeit von Zuleitungskapazitäten messen.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung der erfindung.sgemäßen Schaltungsanordnungen
ist bei Kombinationen in einer Multiplexschaltung zur Abfrage von Meßkondensatoren
gegeben, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist und wie sie z.B. in der D3-OS 25 29 475
oder der DE-OS 25 59 223 beschrieben ist.
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Mit Hilfe einer solchen Hultiplexschaltung wird eine Vielzahl von
Kondensatoren abgefragt, mit deren Hilfe z.B. die Flächenverteilung physikalischer
Größen, z.B. von Drucken, ermittelt wird. Die Kondensatoren haben dabei typischerweise
Kapazitäten in der Größenordnung von 1 pF und ihre Veränderung während der Messung
beträgt 0,1 pF,während die Zuleitungskapazitäten bis zu l nF betragen können. Bei
den bekannten Anordnungen konnten Anderungen der Zuleitungskapazitäten durch thermische
oder mechanische Veränderungen zu Störungen der Messung führen. Weiterhin sind aufgrund
der notwendigerweise unterschiedlichen Länge der Zuleitungen die Einzelkapazitäten
unterschiedlich groß, so daß das Ruhesignal aller Kondensatoren stark differiert.
Deshalb musste bisher für jeden einzelnen Kondensator die Differenz der Kapazitäten
vor und während der Messung ermittelt werden, was wegen der großen Meßstellenzahl
den Einsatz eines Computers notwendig machte. Dagegen ist es bei Benutzung
der
erfindungsgemäßen Kompensationsschaltung für Zuleitungskapazitäten möglich, ein
für alle Einzelkapazitäten weitgehend gleiches Ausgangssignal zu erzeugen, das eine
individuelle Spannungskompensation durch Differenzbildung nicht erforderlich macht,
so daß z.B. die Ausgangssignale direkt auf einem Fernsehbildschirm durch geeignete
Verfahren dargestellt werden können.