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Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Werten eines
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einen Blindwiderstand aufweisenden elektrischen Bauelementes Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Messung von Werten des Blindwiderstandes eines elektrischen
Bauelementes, bei dem die Schwingfrequenz einer Oszillatorschaltung, an die das
zu messende Bauelement angeschaltet ist, ermittelt wird und mit einer Zählschaltung
durch eine Auswertung der aus der Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung hergeleiteten
Impulse die zu messenden Werte ermittelt werden.
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Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (DE-AS 28 42 028) wird zur
Bestimmung der Kapazität eines Meßkondensators eine Erfassung der Lade- und Entladezeiten
des Meßkondensators und eines weiteren Eichkondensators in zwei Meßphasen vorgenommen
und das Ergebnis dieser beiden Meßphasen miteinander verglichen. Die Vorrichtung
weist eine einen Relaxationsoszillator enthaltende Oszillatorschaltung auf, an den
die Kondensatoren als schwingungsbestimmendes Element angeschaltet sind. Die Auswertung
der Ausgangsimpulse der Oszillatorschaltung wird mit einem Vorwärts- und Rückwärtszähler
vorgenommen, der die Impulse während der ersten und der zweiten Meßphase zählt und
daraus die Kapazität des Meßkondensators bestimmt. Die Messung mit dieser bekannten
Vorrichtung umfaßt mehrere Meßphasen und ist daher zeitaufwendig, desweiteren ist
eine Anzahl Zähler notwendig, die von einem eigenen Taktgeber angesteuert sind,
um die verschiedenen Zählergebnisse während der Meßphasen auszuwerten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung
von Werten eines einen Blindwiderstand aufweisenden elektrischen Bauelementes zu
schaffen, mit dem bei geringem Schaltungsaufwand eine schnelle Ermittlung der Werte
durchgeführt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen
Art erfindungsgemäß aus dem Ausgangssignal der Oszillatorschaltung ein symmetrisches
Rechtecksignal gebildet und einem Zähleingang der Zählschaltung werden während einer
Halbwelle des Rechtecksignals Zählimpulse zugeführt, wobei die Zählimpulse, abhängig
von der Dauer der Halbwelle, derart erzeugt werden, daß der Zählerstand der Zählschaltung
dem Quadrat der Dauer der Halbwelle und damit dem Wert des Blindwiderstandes des
zu messenden Bauelements proportional ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ermöglicht, die entsprechenden
Kennwerte eines einen Blindwiderstand aufweisenden Bauelementes - Kapazität eines
Kondensators bzw. Induktivität einer Spule - innerhalb einer Periodendauer des Ausgangssignals
der Oszillatorschaltung oder eines ganzzahligen Vielfachen davon zu bestimmen. Die
Oszillatorfrequenz der Oszillatorschaltung ergibt sich für den Fall, daß entweder
die Induktivität Lx einer Spule oder die Kapazität Cx eines Kondensators zu messen
ist, aus der bekannten Schwingungsformel für L-C-Schwingkreise, wobei das Jeweils
andere Bauelement, das nicht gemessen werden soll, fest in der Oszillatorschaltung
vorhanden ist. Um eine dem gesuchten Kennwert proportionale Größe zu erhalten, wird
mit dem erfindungsgemäßen Integrator und dem spannungsgesteuerten Oszillator eine
Quadrierung der Ausgangsgröße des Oszillators vorgenommen. Durch eine Zählung der
während der Periodendauer des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung bzw. eines
ganzzahligen Vielfachen davon mit dem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugten
Impulse kann eine dem zu messenden Kennwert propor-
tionale Größe
in der Zählschaltung ermittelt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders
bei der Messung von Spulen kleiner Induktivität vorteilhaft.
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Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und
einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind durch die Unteransprüche
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Figur 1 ein
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur 2 Zeitdiagramme von in dem Ausführungsbeispiel
nach der Figur 1 auftretenden Impulsen und Figur 3 einen Schaltungsplan eines Ausführungsbeispiels
einer Oszillatorschaltung für die erfindungsgemäße Vorrichtung darstellt.
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Beim in der Figur 1 dargestellten Blockschaltbild weist eine Oszillatorschaltung
OS Eingänge 1 und 2 für einen die Schwingfrequenz der Oszillatorschaltung bestimmenden
Schwingkreis SK auf. Der Schwingkreis weist Klemmen 3 und 4 auf, an die das zu messende,
einen Blindwiderstand aufweisende elektrische Bauelement - Kondensator oder Spule
- angeschaltet werden kann. Bei Anschaltung eines Kondensators wird ein Schalter
5 derart betätigt, daß eine Spule 11 dem zu messenden Bauelement MO parallelgeschaltet
ist. Für den Fall, daß das Meßobjekt MO eine Spule ist, wird über den Schalter S
ein Kondensator C dem zu messenden Bauelement parallelgeschaltet.
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Die Oszillatorschaltung OS ist Uber ihren Ausgang 5 mit dem Eingang
einer Frequenzteilerschaltung FT verbunden, die die Frequenz des Ausgangssignals
der Oszillatorschaltung OS um einen Faktor n herunterteilt. Der Ausgang 6 der Frequenzteilerschaltung
FT ist mit dem Eingang eines Integrators I verbunden, der beim dargestellten AusfUh-
rungsbeispiel
einen kapazitiv rückgekoppelten Operationsverstärker OP enthält. Der eine Differenzeingang
7 des Operationsverstärkers OP ist über einen Widerstand Rl mit dem Eingang des
Integrators verbunden. Im RUckkopplungszweig des Operationsverstärkers OP befindet
sich eine Kapazität Cr, die über einen Schalter S2 zur Rücksetzung des Integrators
kurzgeschlossen werden kann. Das Steuersignal zur Betätigung des Schalters S2 wird
über eine Steuerleitung 9 aus dem Eingangssignal des Integrators I hergeleitet.
Das Ausgangssignal des Integrators I ist auf einen Steuereingang 10 eines spannungsabhängig
steuerharen Oszillators VCO geführt. Das Ausgangssignal am Ausgang 11 des spannungsgesteuerten
Oszillators VCO ist auf einen Eingang 12 einer Torschaltung T geführt. Ein Toreingang
13 der Torschaltung T ist mit dem Ausgang der Frequenzteilerschaltung FT verbunden.
An einen dritten Eingang 14 der Torschaltung T ist der Ausgang einer monostabilen
Kippstufe MVgeschaltet, deren Eingang ebenfalls mit dem Ausgang 6 der Frequenzteilerschaltung
FT verbunden ist. Zur Einstellung der Verzögerungszeit der monostabilen Kippstufe
ist an diese ein regelbarer Widerstand R2 angeschaltet. Der Ausgang der Torschaltung
T ist auf einen Zähleingang 15 einer Zählschaltung ZS geführt. Ein Rücksetzeingang
16 ist mit einem Ausgang 17 einer Triggerschaltung TS verbunden, und ein Speichereingang
18 ist mit einem anderen Ausgang 19 der Triggerschaltung TS verbunden.
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Der Eingang der Triggerschaltung TS ist an den Ausgang 6 der Frequenzteilerschaltung
FT angeschaltet. Die Triggerschaltung TS enthält eine RC-Anordnung, bestehend aus
einem Reihenkondensator CS1 und einem Widerstand RS1 sowie einer Diode D1, die zum
Widerstand R51 parallelgeschaltet nach Masse gelegt ist, und eine zweite RC-Anordnung
mit einem zweiten Reihenkondensator CS2 und einem Widerstand RS2, dem eine Diode
D2 parallelgeschaltet ist. Die Kathode
der Diode D2 und ein Anschluß
des Widerstandes RS2 liegen an der positiven Spannung einer Versorgungsspannungsquelle
U.
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Ein Teil der Zählschaltung ZS ist als Speicherbaustein SP ausgeführt,
der nach einem an seinem Speichereingang anliegenden Signal der Triggerschaltung
TS den Zählerstand des Zählers ZS abspeichert und am Ausgang 20 der Zählerschaltung
ZS zur Verfügung stellt. Der Zählerstand am Ausgang 20 der Zählerschaltung ZS wird
mittels einer Anzeigeeinheit AZ zur Anzeige gebracht.
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Die in der Figur 2 dargestellten Impulsverläufe zeigen die Spannungsverläufe
an den Ausgängen einiger Bausteine des Blockschaltbildes nach der Figur 1 über der
Zeit t sowie den Verlauf des Zählerstandes der Zählerschaltung ZS ebenfalls über
der Zeit t. Das Impulsdiagramm 21 zeigt den Verlauf des Ausgangssignals am Ausgang
der Frequenzteilerschaltung FT; der in gerader Linie durchgezogene Verlauf ergibt
sich hier bei einer bestimmten Kapazität des zu messenden Bauelements MO, und der
gestrichelt angefügte Verlauf ergibt sich hier beispielsweise bei einer Verdoppelung
der Kapazität des zu messenden Bauelements gegenüber der Kapazität des Bauelements
entsprechend der durchgezogenen Linie. Der Spannungsverlauf 22 stellt die Ausgangsimpulse
der Triggerschaltung TS am Ausgang 17 dar, wobei die Impulsspitzen 22', 22" während
der Anstiegsflanken des Impulsverlaufs 21 durch die RC-Anordnung CS1, RS1, DS1 der
Triggerschaltung TS erzeugt sind. Die gestrichelt eingezeichnete Impulsspitze 22"'
ergibt sich auch hier wiederum bei der doppelten Kapazität des zu messenden Bauelementes
MO. Der Spannungsverlauf 23 stellt das Ausgangssignal am Ausgang 19 der Triggerschaltung
TS dar, hier werden die Abstiegsflanken des Impulsverlaufs 21 zur Erzeugung von
Impulsspitzen 23' und 23" bzw. 23"' bei der doppelten Kapazität hervorgerufen. Der
Spannungsverlauf 24 zeigt das Ausgangssignal des Integrators I, das
am
Regeleingang 10 des spannungsgesteuerten Oszillators VCO anliegt.
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Die Verläufe 25 ... 28 stellen den Verlauf des Zählerstandes der Zählschaltung
ZS dar, der während einer Meßzykluszeit TM bei verschiedenen Vorgaben ermittelt
wird.
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Der Zählerstand gemäß des Verlaufs 25 stellt sich bei einer Anschaltung
eines Bauelementes MO ein, die den durchgezogenen Verlauf des Spannungsverlaufs
21 ergibt. Beim Verlauf 26 ist eine Torzeit Tt berücksichtigt, die über der monostabilen
Kippstufe MV dem dritten Eingang 14 der Torschaltung T überlagert ist. Die Torzeit
Tt ist mittels des veränderlichen Widerstandes R2 an der monostabilen Kippstufe
MV einstellbar. Das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe bewirkt eine Verzögerung
des Beginns der Torzeit in der Torschaltung T und somit eine Verkürzung des Meßzyklus
TM, der in Jedem Fall durch den nächstfolgenden.RUcksettimpuls - hier 22" - beendet
wird. Durch die Einbeziehung einer Torzeit Tt können vorhandene vorbekannte Schaltungskapazitäten
bzw. Induktivitäten beim Meßvorgang berücksichtigt bzw. deren Auswirkung eliminiert
werden. Die Verläufe 27 und 28 der Zählerstände ergeben sich bei Einschaltung einer
Kapazität, deren Auswirkung beim Spannungsverlauf 21 gestrichelt eingezeichnet ist.
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Der Teilerfaktor n, um den die Frequenz des Ausgangssignals der Oszillatorschaltung
OS heruntergeteilt wird, ermöglicht eine Bereichswahl bei der Messung der Kennwerte
des elektrischen Bauelements in Stufen von
bei dekadischer Bereichsteilung der zu ermittelnden Meßwerte.
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Der Verlauf der Zählerstände 25 ... 28 läßt sich auch durch folgende
mathematische Beziehung ausdrücken:
wobei Z den Betrag des Zählerstandes, f die Frequenz des Ausgangssignals
des spannungsgeregelten Oszillators und TM die Meßzykluszeit darstellt. Mit der
Beziehung (2) f=k t (2) läßt sich die Gleichung auch wie folgt schreiben:
Nach Integration ergibt sich: 2 2 Z = 1/2 k k b TZT2 (4) so daß hieraus ersichtlich
ist, daß sich der Betrag des Zählerstandes Z proportional zum Quadrat der Periodendauer
des Ausgangssignals der Frequenzteilerschaltung FT bzw. der Oszillatorschaltung
OS verhält. Durch die quadrierende Wirkung des Integrators I mit dem spannungsgesteuerten
Oszillator VCO ergibt sich somit eine direkte Proportionalität zu den zu messenden
Rennwerten des zu messenden elektrischen Bauelementes MO.
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Das in der Figur 3 dargestellte Schaltbild zeigt ein Ausführungsbeispiel
der Oszillatorschaltung OS mit Transistoren T1 und T2, die im Zusammenhang mit dem
Schwingkreis SK die eigentliche Schwingungserzeugung bewirken.
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Der Schwingkreis SK ist in gleicher Weise wie nach der Figur 1 aufgebaut
- gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen -. Der Schwingkreis
SK ist mit einem Anschluß über den Eingang 2 der Oszillatorschaltung OS mit der
Basis des Transistors T1 und mit dem Kollektor des Transistors T2 verbunden. Der
Kollektor des Transistors T1 liegt am positiven Pol einer Versorgungsspannung U
(z. B. 5 V), der auch mit dem ersten Eingang 1 der Oszillatorschaltung OS und mit
der Basis des Transistors T2 verbunden ist. Die Emitter der Transistoren T1
und
T2 sind zusammengeschaltet und über einen Widerstand R31 mit dem Kollektor eines
Transistors T3 verbunden, der mit seinem Emitter am anderen Pol (O v) der Versorgungsspannung
angeschaltet ist.
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Der Kollektor des Transistors T2 ist an die Basis eines Transistors
T7 geführt, der mit seinem Kollektor am positiven Pol und mit seinem Emitter über
einen Widerstand R36 am anderen Pol der Versorgungsspannungsquelle U angeschlossen
ist. Darüber hinaus steuert der Emitter des Transistors T7 die Basis eines Ausgangstransistors
T8 an, der einen Kollektorwiderstand R37 und einen Emitterwiderstand R38 aufweist,
wobei über den Emitterwiderstand das Ausgangs signal der Oszillatorschaltung OS
ansteht und auf den Ausgang 5 der Oszillatorschaltung OS geführt ist.
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Die Transistoren T7 und T8 bilden hier die Ausgangsstufe und dienen
einer Anpassung an die nachfolgenden Bausteine, die beispielsweise in TTL-Technik
ausgeführt sind.
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Der Kollektor des Transistors T2 ist außerdem auf die Basis eines
Transistors T5 geführt, der über seinen Emitter mit der Basis eines Transistors
T6 und über einen Widerstand R33 mit O V verbunden ist. Der Transistor T6 weist
einen Emitterwlderstand R35 auf und liegt über einen die Wechsel spannung glättendenKondensator
Cg an der Basis des Transistors T3. Die Transistoren T5 und T6 bewirken eine Einwegmittelwertgleichrichtung
der Wechselspannung am Schwingkreis SK, wobei der Strom aus dem Kollektor des Transistors
T6 über einen Widerstand R34 geführt ist und der Spannungsabfall über diesen ontsprechend
bemessenen Widerstand R34 über einen nachgeschalteten Transistor T4 eine Arbeitspunkteinstellung
des Transistors T3 derart bewirkt, daß der Spannungsabfall über R34 konstant auf
ca. 0,6 V (Diodenschwellspannung) gehalten wird. Zu diesem Zweck ist der Kollektor
des Transistors T4 mit der Basis des Transistors T3 und mit dem positiven Pol der
Versorgungsspannungsquelle verbunden.
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Der Aufbau der Oszillatorschaltung OS mit der Gleichrichterwirkung
der Transistoren T5 und T6 gewährleistet, daß auch bei einem Spannungsabfall am
Meßobjekt MO - bedingt beispielsweise durch den Kollektorstrom durch T2 -der Strom
durch die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors T3 so geregelt wird, daß ein
sicheres Anschwingen der Oszillatorschaltung OS sichergestellt ist. Die untere Grenzfrequenz
der Oszillatorschaltung OS ist hierbei Im wesentlichen durch die Bemessung des Kondensators
Cg vorgegeben, es läßt sich mit der dargestellten Schaltung ein Schwingungsbereich
von ca. 100 Hz bis ca. 50 MHz realisieren. Dieser Schwingungsbereich erlaubt beispielsweise
bei Induktivitätsmessung einen Meßbereich von ca. O nH - mit 0,1 nH Auflösung -
bis ca. 200 H; bei Kapazitätsmessungen ist ein Meßbereich von ungefähr 0 pF bis
200 /uF erreichbar.
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11 Patentansprüche 3 Figuren