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Schaltungsanordnung zur Widerstandsbestimmung durch
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Messung eines Stromes, der über Meßobjekt und Halbleiter fließt, insbesondere
für Teilnehmeranschlußleitungen in Fernsprechvermittlungsanlagen.
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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Widerstandsbestimmung
durch Messung eines Stromes, der außer über ein kapazitätsbehaftetes Meßobjekt auch
über wenigstens einen in Reihe zu diesem geschaltete Halbleiter fließt, insbesondere
für Teilnehmeranschlußleitungen in Fernsprechvermittlungsanlagen.
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Eine Schaltungsanordnung dieser Art ist bereits durch die DAS 2 627
936 bekannt. Hierin geht es um eine Messung kapazitätsbehafteter Widerstandswerte.
Besondere Probleme ergeben sich in derartigen Schaltungsanordnungen, wenn in einem
Meßstromkreis außer realen und kapazitiven Widerständen auch Halbleiter liegen.
Bekanntlich weisen diese spannungsabhängige und/oder stromabhäilgige Widerstandswerte
auf. Diese ziehen eine Verfälschung von Meßergebnissen nach sich, wenn kapazitive
Einflüsse so auf den Meßstrom einwirken, daß die Stromabhängigkeit und/oder Spannungsabhängigkeit
von Halbleiterwiderständen ebenfalls den Meßstrom beeinflussen.
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Für die Erfindung besteht deshalb ganz allgemein die Aufgabe, eine
Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß der Verfälschungseffekt
bei einer über Halbleiter vorgenommenen Widerstandsmessung kapazitätsbehafteter
Meßobjekt vermieden
wird. Solche Verfälschungseffekte durch eine
entsprechende Erhöhung des Meßstromes zu vermeiden, verbietet sich aufgrund einer
hinzukommenden Forderung, durch entsprechende Messungen keine unerwünschten Reaktionen
in dem betreffenden Meßobjekt zu verursachen; handelt es sich dabei z.B. um Teilnehmerstationen
in Fernsprechvermittlungsanlagen, so soll bei entsprechenden Messungen im laufenden
Betrieb vermieden werden, daß es durch den Meßvorgang zu einem Reagieren in Rufsignal-Empfangs
einrichtungen der betreffenden Teilnehmerstell kommt.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß das Meßobjekt
ein Kondensator ist und die Widerstandsbestimmung dessen Kapazitätswert betrifft,
daß als treibende Spannung für einen Meßstrom eine einen Wechselstrom bewirkende
Impulsfolge mit einer in einer bestimmten festgelegten Phasenlage gegebenen definierten
Flankenssen; heit verwendet ist, daß ein diese Phasenlage anzeigender Indikator
einen Meßstsomempfänger triggert und daß die bestimmte Phasenlage so festgelegt
ist, daß in ihr der Momentanwert der treibenden Meßspannung gleich oder größer ist
als der Spannungsbereich, in welchem der oder die Halbleiter eine nichtlineare Strom-Spannungs-Kennlinie
aufweisen.
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Die Erfindung schafft also die Möglichkeit, den Meßvorgang zeitlich
zu begrenzen, und zwar jeweils auf solche Phasen der genannten Impulsfolge, in denen
der verfälschende Effekt der Halbleiter eliminiert ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nur in
wesentlich zu ihrem Verständnis beitragenden Bestandteilen dargestellt, auf welches
sie jedoch eines wegs beschränkt ist.
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Die Zeichnung ist durch eine strichpunktierte Linie unterteilt. Rechts
von dieser ist auszugsweise eine Teilnehmeranschlußleitung mit den Leitungsadern
a und b dargestellt.
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Eine Teilnehmerstation Y ist auszugsweise dargestellt, von welcher
nur die im Zusammenhang der Erfindung wesentlichen Bestandteile angedeutet sind.
Teilnehmerstationen dieser Art sind bereits bekannt, und zwar durch die von Siemens
AG 1981 herausgegebene Druckschrift "Siemens Components 19, Heft 4, Seite 145 ff.
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In Verbindung mit der Teilnehmeranschlußleitung ist ein Widerstand
V dargestellt. Durch ihn soll ein endlicher Isolationswiderstand zwischen den beiden
Leitungsadern a und b angedeutet werden.
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Die Leitungsadern å jeder Teilnehmeranschlußleitung unterliegen außerdem
Fremdspannungseinflüssen.
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Endliche Isolationswiderstände zwischen den Leitungsadern verschiedener
räumlich benachbarter Teilnehmeranschlußleitungen sind mit Hilfe des Widerstandes
E angedeutet. Eine Teilnehmeranschlußleitung unterliegt also unter anderem einem
Gleichspannungs-Fremdeinfluß.
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Dieser ist symbolisch dargestellt durch eine Gleichspannungsquelle
P. Da dieser Gleichspannungs-Fremdeinfluß auf die beiden Leitungsadern einer Teilnehmeranschlußleitung
über entsprechenden Vorwiderstand sich auswirkt, ist in der Zeichnung ein entsprechender
Vorwiderstand E angegeben.
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Darüber hinaus unterliegt jede Teilnehmeranschlußleitung einem Wechselspannungs-Fremdeinfluß.
In jede Teilnehmeranschlußleitung wird eine Wechselspannung als Fremdspannung induziert,
und zwar auf induktivem und/oder kapazitivem Wege. Dies ist mit Hilfe der Wechselspannungsquelle
K in der Zeichnung angedeutet. Da auch ein solcher
Fremdwechselspannungseinfluß
über entsprechenden Vorwiderstand besteht, ist letzterer symbolisch in der Zeichnung
durch den Vorwiderstand G angedeutet.
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Die Teilnehmerstation Y enthält auch einen Kondensator C.
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Dieser liegt unter anderem über Halbleiter H an der Teilnehmeranschlußleitung.
Hierbei kann es sich um antiseriell in Reihe geschaltete Zenerdioden handeln, wie
es in der Zeichnung dargestellt ist. Ebenso können aber auch antiparallel geschaltete
Gleichrichter vorgesehen sein. Ebensogut können aber auch Gleichrichter, Zenerdioden
und Halbleiter jeder anderen Art einzeln oder in jeglicher Kombination vorgesehen
sein, soweit eine solche in den betreffenden technischen Zusammenhängen nützlich
ist. Der Kondensator C kann mit der Teilnehmeranschlußleitung über weitere, hier
nicht im einzelnen dargestellte Schaltmittel verbunden sein, was mit Hilfe der gestrichelten
Linie unterhalb des Kondensators angedeutet sein soll.
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Die Teilnehmeranschlußleitung ist in an sich bekannter Weise mit einer
Teilnehmeranschlußschaltung verbunden.
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Aufbau und Arbeitsweise von Teilnehmerstationen, Teilnehmeranschlußleitungen
und Vermittlungsanlagen, insbesondere solchen der Fernsprechtechnik werden hier
als bekannt vorausgesetzt und deshalb nicht im einzelnen beschrieben-Die in der
Zeichnung dargestellte Anordnung dient zur Routineprüfung sämtlicher an einer Fernsprechvermittlungsanlage
angeschlossener Teilnehmerstationen. Anstelle von Fernsprechteilnehmerstationen,
die an eine Fernsprechvermittlungsanlage angeschlossen sind, kann es sich auch um
Fernschreibteilnehmeranschlüsse handeln und um Fernschreibvermittlungsstellen, ebensogut
aber
auch um Datenvermittlungsstellen,an die Datenübertragungs-Teilnehmerstationen
angeschlossen sind.
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Die in der Zeichnung links und unterhalb der strichpunktierten Linie
angedeutete Meßanordnung ist einzeln an jede der Teilnehmeranschlußleitungen über
die Schaltpunkte A und B anschaltbar. Unter anderem ist ein Dreieckgenerator D vorgesehen.
Dieser liefert gegenüber Erdpotential (oder Massepotential) eine Dreieckspannung
mit dem Spitzenspannungswert u und einer Periode von 2t. Die von dem Dreiecksgenerator
gelieferte Meßspannung entspricht also einer kontinuierlichen Folge von Dreieckimpulsen,
die lückenlos aneinander anschließen. Die Dreieckimpulse sind ssymmetrisch, d.h.
die Flankensteilheit ist reziprok die gleiche auf der Impulsvorderseite und der
Impulshinterseite eines jeden Impulses. Die Flankensteilheit ist gleichbleibend
von Impuls zu Impuls. Sie ergibt sich aus dem Zeitwert t und dem Spitzenspannungswert
u.
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Meßobjekt ist jeweils der Kondensator C in einer jeden der Teilnehmerstationen,
die routinemäßig einer Prüfung unterzogen werden. Die Widerstandsbestimmung betrifft
den komplexen Widerstand, der sich aus der Kapazität des Kondensators ergibt. Die
Messung erfolgt mit Hilfe eines Meßstromes, dessen treibende Spannung die einen
Wechselstrom bewirkende Impulsfolge ist; die Impulse dieser Impulsfolge sind - wie
bereits erläutert -Dreieckimpulse. Es können aber auch Impulse einer anderen Impulsform
verwendet werden. Erforderlich ist lediglich, daß solche Impulse in einer bestimmten
festgelegten Phasenlage eine gegebene definierte Flankensteilheit aufweisen. Wird
Sinuswechselstrom als Meßstrom verwendet, so ist z.B. die Flankensteilheit jeweils
im Nulldurchgang eindeutig definiert. Die Impulse der
Impulsfolge,
die den Meßstrom bewirkt, können aber auch jede andere symmetrische Form hahen,
z.B. die Form eines Trapezes. Zweckmäßig ist es jedoch, eine Dreieckspannung zu
verwenden, wie es in der Zeichnung angedeutet ist.
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Um einen Verfälschungseffekt durch den über den Widerstand V fließenden
Strom zu vermeiden, ist ein Nullpunktindikator L vorgesehen, der als Operationsverstärker
ausgebildet sein kann. Dieser Nullpunktindikator liefert dann ein Ausgangssignal,
wenn die Spannung zwischen seinen beiden Eingangsanschlüssen gleich oder nahezu
gleich Null ist. Dieses Ausgangssignal wird einem Analog-Digital-Wander W als Triggerinformation
zugeführt.
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Dieser Wandler nimmt also den ihm über seinen Eingang w angebotenen
Änalog-Spannungswert nur auf, wenn die Spannung zwischen den beiden Punkten A und
B gleich oder nahezu gleich Null ist, wenn also über den Widerstand V kein Strom
fließt. Folglich ist das gewonnene Meßergebnis unabhängig von dem Einfluß des Widerstandes
V.
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Ein Strom, der über diesen Widerstand fließt, geht also in die Messung
nicht ein, kann also das Meßergebnis nicht verfälschen. Der über den Schaltpunkt
B' fließende Strom fließt über den Widerstand R. Der Widerstand R und ein Operationsverstärker
P arbeiten als Strommesser. Das über den Operationsverstärker P gelieferte Ausgangssignal
ist ein Analogsignal und ist so beschaffen, daß der über den Schaltpunkt B1 und
über den Widerstand R fließende Strom in diesem Widerstand einen solchen Spannungsabfall
verursache, daß am Eingang p ein Spannungspotential herrscht, welches nur in sehr
geringem Maße vom Erdpotential abweicht. Diese Abweichung ist nur so groß, daß der
Operationsverstärker P das erforderliche Eingangssignal erhält.
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Erhält er ein negatives Eingangssignal, so gibt er ein positives Ausgangssignal
ab und umgekehrt. In der Kombination von Operationsverstärker P und Widerstand R
liegt also gleichsam eine Regeleinrichtung vor, bei der über den
Widerstand
R verlaufende Strompfad der GegenBopplung dient. Operationsverstärker, der hier
verwendbaren Art, insbesondere in ihrer hier relevanten Betriebsart, sind bereits
bekannt durch die Veröffentlichung "Operationsverstärker und ihre Schaltungstechnik
von W.Schaufelberger, 3.Auflage, erschienen bei KONTRON GmbH, München-Feldmoching,
Lerchenstr.8.
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Das über den Ausgang des Operationsverstärkers P gelieferte Ausgangssignal
entspricht also der Höhe des Meßstromes.
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Dieses Ausgangssignal wird über einen Tiefpaß T dem Eingang w des
bereits erwähnten Analog-Digital-andlers W zugeführt. Am Schaltpunkt B herrscht
ein nahezu konstantes Potential, wodurch der Meßstrom in bekannter Weise abhängig
ist einerseits von dem Verlauf der Meßspannung und anker er seits von der Kapazität
des Kondensators C. Dadurch, daß die Messung jeweils nur im Zeitpunkt des Nulldurchgangs
der zwischen den Schaltpunkten A und B herrschenden -Meßspannung gewertet wird,
ist die Messung von dem über den Widerstand V fließenden Strom unabhängig. Außerdem
wird dadurch aber auch bewirkt, daß der Einfluß der Zenerdioden H eliminiert wird.
Hierzu ist vorgesehen, daß die Meßspannung u wenigstens oder mehr als doppelt so
groß ist wie die Zenerspannung jeder der beiden Zenerdioden bei H. Im Zeitpunkt
der Triggerung-des Wandlers W muß also der Momentanwert der treibenden Meßspannung
so groß sein, daß jegliche vom Meßstrom durchflossenem Halbleiter sich bezüglich
ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie im linearen Bereich befinden.
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Um außerdem den durch die Wechselspannungsquelle K bedingten Verfälschungseffekt
zu eliminieren, ist
der Tiefpaß T vorgesehen. Mit seiner Hilfe
werden entsprechende Störwechselspannungen ausgefiltert.
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Darüber hinaus besteht ein Störeinfluß durch die Gleichspannungsquelle
P. Diese vergrößert beim Nulldurchgang der Meßspannung in der einen Richtung den
Meßstrom undfverringert ihn in gleichem Maße beim Nulldurchgang in der umgekehrten
Richtung.
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Folglich werden vom Analog-Digital-Wandler W bei zwei unmittelbar
aufeinanderfolgenden Nul ldurchgängen zwei unterschiedliche Meßstromwerte erfaßt.
Der eine dieser beiden Meßstromwerte ist in der positiven und der andere dieser
beiden Meßstromwerte in der negativen Richtung durch den über den Widerstand E fließenden
Gleichstz m verfälscht. Beide Meßstromwerte werden vom Analog-Digital-Wandler W
in Digitalform einem Mikroprozessor M zugeführt? der durch Addition und Halbierung
einen Mittelwert bildet, der das richtige Meßergebnis für den über den Kondensator
C fließenden Strom darstellt. Aus diesem Mittelwert sowie aus dem Zeitwert t und
dem Spitzenspannungswert U ergibt sich der Kapazitätswert des zu messenden Kondensators
C.
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Durch besondere Maßnahmen kann auch noch vorgesehen werden, daß der
dem Analog-Digital-Wandler zugeführte Triggerimpuls noch etwas früher gegeben wird.
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Sollten sich beim Meßvorgang durch den Operationsverstärker P und/oder
den Tiefpaß T geringfügige Verzögerungen ergeben, so können solche durch eine entsprechende
zeitliche Vorverlegung des Triggerimpulses ausgeglichen werden, damit der Wandlungsvorgang
im Analog,Digital-Wandler W jeweils ganz genau im Nulldurchgang der Meßspannung
erfolgt.