DE3229012A1 - Detection circuit for converting a mechanical adjustment into a rectified signal - Google Patents
Detection circuit for converting a mechanical adjustment into a rectified signalInfo
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Abstract
Description
Erfassungsschaltung zur Umformung einer mechanischenDetection circuit for converting a mechanical
Verstellung in ein gleichgerichtetes Signal Die Erfindung betrifft eine elektrostatisch-kapazitiv wirkende Erfassungsschaltung zur Umformung einer mechanischen Verstellung in ein gleichgerichtetes Signal mit einer Reihenschaltung einer Oszillstorspannung, einem seine Kapazität in Abhängigkeit von der Verstellung ändernden Kondensator und eines Widerstandes sowie mit einer Bezugsspannungsquelle. Eine Erfassungsschaltung dieser Art ist durch die DE-OS 29 32 051 bekanntgeworden.Adjustment in a rectified signal The invention relates to an electrostatic-capacitive detection circuit for converting a mechanical adjustment into a rectified signal with a series connection an oscillator voltage, one its capacity as a function of the adjustment changing capacitor and a resistor as well as with a reference voltage source. A detection circuit of this type has become known from DE-OS 29 32 051.
Elektrostatisch-kapazitive Erfassungsschaltungen arbeiten im allgemeinen mit einem Kondensator veränderlicher Kapazität, wie er in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist.Electrostatic-capacitive sensing circuits generally work with a capacitor of variable capacitance, as shown schematically in FIG is shown.
Ein solcher Kondensator besitzt eine bewegliche Elektrode 1, die sich infolge einer mechanischen Bewegung um einen Betrag relativ zu einer ortsfesten Elektrode 2 verschieben kann. Diese ist mit einem Anschluß in Gestalt eines Leitungsdrahtes 4 versehen, der durch einen Isolierkörper 3 herausgeführt ist. Für diese Anordnung gilt die folgende Gleichung (1): Hierin bedeuten : Dielektrizitätskonstante d: Anfangswert des Abstandes der Elektroden A: Elektrodenfläche Co: Anfangswert der elektrostatischen Kapazität Der Gleichung (1) ist zu entnehmen, daß die Kapazität C des die mechanische Verstellung umwandelnden Kondensators Et 3 Sz / 27.07.1982 der mechanischen Verstellung L5 nicht direkt proportional ist.Such a capacitor has a movable electrode 1 which, as a result of a mechanical movement, can move by an amount relative to a stationary electrode 2. This is provided with a connection in the form of a lead wire 4 which is led out through an insulating body 3. The following equation (1) applies to this arrangement: The following mean: Dielectric constant d: initial value of the distance between the electrodes A: electrode area Co: initial value of the electrostatic capacitance From equation (1) it can be seen that the capacitance C of the capacitor Et 3 Sz / 07/27/1982 of the mechanical adjustment L5 is not directly proportional.
Die Fig. 2 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung, mit deren Hilfe trotz der Eigenschaft eines im Prinzip in der Fig. 1 gezeigten Verstellungskondensators ein Ausgangssignal gewinnbar ist, das der mechanischen Verstellung direkt proportional ist. In dieser Schaltungsanordnung werden die Ausgangsgrößen von Oszillatoren 5 und 6 mit den Schwingungsfrequenzen f1 und f2 mit einem Verstellungskondensator Cx und einem Vergleichskondensator Cc als frequenzbestimmende Elemente einem Mischkreis 7 zugeführt, und die gemischten Ausgangsgrößen mit einer Frequenzdifferenz zwischen den Frequenzen f1 und f2 werden dann einem Frequenzdiskriminator 9 über ein Tiefpassfilter 8 zugeführt, wobei man eine Verstellungsausgangsspannung V erhält. Für eine Frequenzdifferenz f von Schwingungsfrequenzen fl und f2 mit gilt sofern b/d 4 1 erhält man foo = f2 - f10 Die aus dem Frequenzdiskriminator 9 zu gewinnende Verstellungsausgangsspannung V beträgt somit Vc: konstant Diese Ausgangsspannung V ist der mechanischen Verstellung /d direkt proportional, wie man der Gleichung (5) entnehmen kann.FIG. 2 shows a known circuit arrangement with the aid of which, despite the property of an adjustment capacitor shown in principle in FIG. 1, an output signal can be obtained which is directly proportional to the mechanical adjustment. In this circuit arrangement, the output variables from oscillators 5 and 6 with the oscillation frequencies f1 and f2 with an adjustment capacitor Cx and a comparison capacitor Cc as frequency-determining elements are fed to a mixing circuit 7, and the mixed output variables with a frequency difference between the frequencies f1 and f2 are then fed to a frequency discriminator 9 is supplied via a low-pass filter 8, an adjustment output voltage V being obtained. For a frequency difference f of oscillation frequencies fl and f2 with is applicable if b / d 4 1 is obtained foo = f2 - f10 The adjustment output voltage V to be obtained from the frequency discriminator 9 is thus Vc: constant This output voltage V is directly proportional to the mechanical adjustment / d, as can be seen from equation (5).
Ist jedoch die mechanische Verstellung a relativ groß gegenüber dem
Anfangswert d des Abstandes der Elektroden, so ergibt sich eine außerordentlich
große Abweichung von dem direkt proportionalen Verhalten gemäß der folgenden Tabelle.
Ferner ist bei der vorstehend beschriebenen bekannten Schaltungsanordnung ein Nachteil unvermeidlich, der darin besteht, daß eine Streukapazität einen großen Einfluß ausübt. Dies beruht darauf, daß eine zur Erfassung einer Verstellung dienende Kapazität CO naturgemäß mit einer Streukapazität Cs verbunden ist, deren Einfluß nicht vernachlässigt werden kann. Die vorstehend angegebene Gleichung (3) nimmt Infolgedessen folgende Form an: Da nun das Verhältnis C zu CO der Streukapazität C 5 5 zu der Verstellungskapazität CO im allgeminen zwischen 0,1 und 0,5 liegt, verschlechtert die Streukapazität C nicht nur die Erfassungsempfindlichkeit Af/fû sondern 5 auch noch weiter das direkt proportionale Verhalten.Further, in the above-described known circuit arrangement, there is inevitable a disadvantage that a stray capacitance has a great influence. This is based on the fact that a capacitance CO used to detect an adjustment is naturally connected to a stray capacitance Cs, the influence of which cannot be neglected. As a result, equation (3) given above takes the form: Since the ratio C to CO of the stray capacitance C 5 5 to the adjustment capacitance CO is generally between 0.1 and 0.5, the stray capacitance C not only worsens the detection sensitivity Af / fû but also further deteriorates the directly proportional behavior.
Der Einfluß der Streukapazität läßt sich bei der bekannten Schaltungsanordnung aber nur schwierig kompensieren.The influence of the stray capacitance can be seen in the known circuit arrangement but it is difficult to compensate.
Als weiterer Mangel haftet der bekannten Schaltungsanordnung eine Instabilität der Oszillatorfrequenz an.The known circuit arrangement has a further defect Oscillator frequency instability.
Da nämlich die Stabilität eines LC-Oszillators im allgemeinen etwa 10 2 (1 S) beträgt, was verhältnismäßig groß im Vergleich zu der Verstellungsempfindlichkeit von etwa von 5 bis 30 S ist, wird mit nachteiligem Ergebnis eine Nullpunktdrift der Verstellungsausgangsspan nung und der Empfindlichkeit hervorgerufen.Because the stability of an LC oscillator is generally about 10 2 (1 S), which is relatively large compared to the adjustment sensitivity is from about 5 to 30 S, zero point drift becomes disadvantageous the adjustment output voltage and the sensitivity.
Hiervon aus-gehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Erfassungsschaltung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei hoher Empfindlichkeit ein zufriedenstellendes direkt proportionales Verhalten zeigt.Proceeding from this, the object of the invention is to provide a To create detection circuit of the type mentioned, which at high sensitivity exhibits satisfactory directly proportional behavior.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die an dem Widerstand auftretende Wechselspannung mittels einer Gleichrichterschaltung in eine Gleichspan nung umgewandelt und mittels einer Komparatorschaltung mit der Bezugsspannung verglichen wird und daß die Ausgangsgröße der Komparatorschaltung zur Gewinnung des gleichgerichteten Signals dient und dem die Oszillatorspannung abgebenden Oszillator (11) zwecks Gleichhaltung der Gleichspannung und der Bezugsspannung (Ec) zugeführt wird.According to the invention, this object is achieved in that the on AC voltage occurring at the resistor by means of a rectifier circuit converted into a DC voltage and by means of a comparator circuit with the Reference voltage is compared and that the output of the comparator circuit is used to obtain the rectified signal and the oscillator voltage emitting oscillator (11) in order to keep the DC voltage and the reference voltage equal (Ec) is supplied.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 3 bis 8 näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 3 to 8.
Die Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Erfassungsschaltung gemäß der Erfindung.3 shows a block diagram of a detection circuit according to the invention.
In der Fig. 4 ist ein ausführliches Schaltbild einer gleichfalls der Erfindung entsprechenden Erfassungsschaltung gezeigt.In Fig. 4, a detailed circuit diagram is also the Invention corresponding detection circuit shown.
Die Fig. 5 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Kennlinie eines Oszillators.Fig. 5 is a diagram for illustrating the characteristic of a Oscillator.
Die Fig. 6 ist das Schaltbild eines Oszillatorkreises.Fig. 6 is a circuit diagram of an oscillator circuit.
Die Fig. 7 zeigt ein von der Fig. 1 verschiedenes Ausführungsbeispiel eines zur Erfassung einer mechanischen Verstellung dienenden Kondensators.FIG. 7 shows an exemplary embodiment that differs from FIG. 1 a capacitor used to detect a mechanical adjustment.
In der Fig, 8 ist gleichfalls in ausführlicher Darstellung eine der Erfindung entsprechende Schaltungsanordnung zur Erfassung mechanischer Verstellungen gezeigt.In FIG. 8, one of the is also shown in detail Circuit arrangement corresponding to the invention for detecting mechanical adjustments shown.
In den Figuren 3 und 4, in denen für einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet sind, ist eine Schaltungsanordnung mit einem Oszillator 11 gezeigt, der aus einem mechanischen Vibrator lla, wie z. B. einem Kristall~ oder'Keramikvibrator, einer Oszillatorspule llb und einem diese Elemente betätigenden aktiven Teil, gebildet ist und der eine stabile Schwingfrequenz aufweist.In Figures 3 and 4, in which for mutually corresponding parts the same reference numerals are used, is a circuit arrangement with a Oscillator 11 is shown, which consists of a mechanical vibrator lla, such as. B. a Crystal or ceramic vibrator, an oscillator coil 11b and one of these elements actuating active part, is formed and which has a stable oscillation frequency.
Ein Kondensator 12 mit der Kapazität Cx zur Umwandlung einer mechanischen Verstellung und ein Stromerfassungswiderstand 13 (Rd) sind mit der Oszillatorspule lib verbunden.A capacitor 12 with the capacitance Cx for converting a mechanical Adjustment and a current detection resistor 13 (Rd) are connected to the oscillator coil lib connected.
Eine an den Widerstand R13 entsprechend einem jeweils fließenden Strom erscheinende Wechselspannung vd wird mittels einer Gleichrichterschaltung 14 ineine Gleichspannung Vd umgewandelt. Diese wird mittels einer Bezugsspannung 15 (Ec) in einer Komparatorschaltung 16 verglichen, wobei die als Ergebnis des Vergleiches erscheinende Ausgangsspannung V auf den Oszillator 11 als Versorgungsspannung wirkt, 5 die mittels eines Spannungs/Stromumsetzers 17 in einen proportionalen Gleichstrom I umgewandelt wird und einer Gleichrichterschaltung 14, der Komparatorschaltung 16 und dem Spannungs/Stromumsetzer 17 mittels einer Konstantstromschaltung 18 zugeführt wird. Daher werden die Schaltungselemente 14, 16 und 17 mit einem konstanten Strom betrieben. Mit 19a, 19b, 19c und 19d sind Anschlußpunkte bezeichnet. Eine Gleichspannungsquelle Es und ein Lastwiderstand L sind in Reihe geschaltet, wodurch eine Zweidrahterfassungsschaltung gebildet wird.One to the resistor R13 corresponding to a current flowing in each case appearing alternating voltage vd is by means of a rectifier circuit 14 ineine Converted to DC voltage Vd. This is determined by means of a reference voltage 15 (Ec) compared in a comparator circuit 16, which as a result of the comparison appearing output voltage V acts on the oscillator 11 as a supply voltage, 5 by means of a voltage / current converter 17 into a proportional direct current I is converted and a rectifier circuit 14, the comparator circuit 16 and the voltage / current converter 17 by means of a constant current circuit 18 will. Therefore, the circuit elements 14, 16 and 17 become with a constant current operated. Connection points are designated by 19a, 19b, 19c and 19d. A DC voltage source It and a load resistor L are connected in series, creating a two-wire detection circuit is formed.
Zur Beschreibung des Wirkungsprinzips der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung erhält man zunächst für die Kapazität Cx des Verstellungskondensators die Beziehung Ein Wechselstrom ip,p der aufgrund der Wechselspannung v einer Frequenz f fließt und der auf die elektrostatische Kapazität C wirkt, ist eines Verhältnisses Rd/2#fCx 41 x fähig und daher gilt id = 2fRfvp . Cx (b) p Somit beträgt die an dem Widerstand 13 (Rd) erscheinende Wechselspannung vd Vd = ideRd 2fv .C Rd (c) d Und am Ausgang der Gleichrichterschaltung 14 erscheint eine Gleichspannung Vd Vd = k1 . Vd (d) worin kl eine proportionale Konstante ist.To describe the operating principle of the circuit arrangement described above, the relationship is first obtained for the capacitance Cx of the adjustment capacitor An alternating current ip, p which flows due to the alternating voltage v of a frequency f and which acts on the electrostatic capacitance C is capable of a ratio Rd / 2 # fCx 41 x and therefore id = 2fRfvp. Cx (b) p Thus, the alternating voltage appearing at the resistor 13 (Rd) is vd Vd = ideRd 2fv .C Rd (c) d and a direct voltage Vd Vd = k1 appears at the output of the rectifier circuit 14. Vd (d) where kl is a proportional constant.
Andererseits bildet der Oszillator 11 eine Hartley-Schaltung oder eine Colpitts-Schaltung, deren Versorgungsspannung V und deren Schwingungsausgangsspannung vp in einem 5 oberhalb der Schwingungsanfangsspannung V0 liegenden Spannungsbereich einander proportional ist, wie dies in der Fig. 5 dargestellt ist. Daher gilt V5 = k2 V vp (e) worin k2 eine proportionale Konstante ist. Dann wird die Vergleichsausgangsspannung V5 der Komparatorschaltung 16, dem Oszillator 11 zugeführt, um als dessen Eingangsspannung Vd mittels der Schwingungsspule llb, des Stromerfassungswiderstandes 13 (Rd) und der Gleichrichterschaltung 14 zu dienen und wird so gesteuert, daß eine Beziehung mit der Bezugsspannung E c in der Form Ec = Vd (f) besteht. Hieraus erhält man Vd = 2 tf . v, Dx Rd . kl = Ec Löst man diese Gleichung in Richtung der Wechselepannung v auf, so erhält man und daher gilt Durch Einsetzen der vorstehenden Gleichung (a) in die Gleichung (h) erhält man und damit wird, da g , k1, k2, Ec, Rd, Ein Gleichung (i) sämtlich Konstanten sind, folgt V5 - - a/d ( j) und dies bedeutet, daß eine Anderung in der.Vergleichsausgangsspannung V proportional ist zu 5 Die Vergleichsausgangsspannung V5 wird mittels des Spannungs/ Stromumsetzers 17 in einen Gleichstrom I in der Form umgewandelt V5 = k3I + Iconst (k) I /d worin Iconst ein Konstantstrom ist, der den Schaltungselementen 14, 16 und 17 durch die Konstantstromschaltung 18 zugeführt wird, die mit der Verstellung# nichts zu tun hat. Unter der Voraussetzung, daß der Verstellungsausgangsstrom I der Zweidrahterfassungsschaltung im Bereich von 4 bis 20 mA liegt, entspricht ein Ausgangsstrom von 4 mA dem Konstantstrom Iconst, wenn die Verstellung Null ist.On the other hand, the oscillator 11 forms a Hartley circuit or a Colpitts circuit, the supply voltage V and the oscillation output voltage vp of which are proportional to one another in a voltage range above the oscillation start voltage V0, as shown in FIG. Therefore V5 = k2 V vp (e) where k2 is a proportional constant. Then, the comparison output voltage V5 of the comparator circuit 16 is supplied to the oscillator 11 to serve as its input voltage Vd by means of the vibration coil 11b, the current detection resistor 13 (Rd) and the rectifying circuit 14 and is controlled so that a relationship with the reference voltage E c in of the form Ec = Vd (f). This gives Vd = 2 tf. v, Dx Rd. kl = Ec If one solves this equation in the direction of the alternating voltage v, one obtains and therefore applies Substituting the above equation (a) into the equation (h), one obtains and thus, since g, k1, k2, Ec, Rd, Ein Equation (i) are all constants, it follows that V5 - - a / d (j) and this means that a change in the comparative output voltage V is proportional to 5 The comparison output voltage V5 is converted into a direct current I by means of the voltage / current converter 17 in the form V5 = k3I + Iconst (k) I / d where Iconst is a constant current which is supplied to the circuit elements 14, 16 and 17 through the constant current circuit 18, which has nothing to do with the adjustment #. Assuming that the adjustment output current I of the two-wire detection circuit is in the range from 4 to 20 mA, an output current of 4 mA corresponds to the constant current Iconst when the adjustment is zero.
Für den Strom/Spannungsumsetzer 17 in der ausführlichen Schaltungsanordnung gemäß der Fig. 4 gilt zwischen der Bezugsspannung 15 (Ec), einer Spannung e an beiden Enden eines Nullpunktjustierwiderstandes R in dem Wandler 17 z und einer Spannung V c an beiden Enden eines Bereichsjustierwiderstandes R5 folgende Beziehung: Andererseits beträgt die Vergleichsausgangsspannung Vs anhand der Gleichung (i) V8 VsO (1 - /d) (m) Dann wird eine Nullpunkteinstellung durchgeführt durch eine Steuerung in Richtung Vs = e und es gilt Infolgedessen ist und ferner da Vc R Rs ist der Ausgangsstrom I der Verstellung A gemäß der Gleichung (q) direkt proportional.For the current / voltage converter 17 in the detailed circuit arrangement according to FIG. 4, the following applies between the reference voltage 15 (Ec), a voltage e at both ends of a zero point adjustment resistor R in the converter 17 z and a voltage V c at both ends of a range adjustment resistor R5 Relationship: On the other hand, the comparison output voltage Vs is V8 VsO (1 - / d) (m) from the equation (i). Then, zero point adjustment is performed by controlling in the direction of Vs = e, and it holds As a result is and further since Vc R Rs the output current I is directly proportional to the adjustment A according to equation (q).
Im folgenden wird erläutert, wie der Einfluß der Streukapazität C kompensiert wird. Beim Vorhandensein einer 5 itreukapazität gilt für die zur Erfassung einer Verstellung dienende Kapazität Cx folgende Beziehung Wird ein Komponsationskóndensator C zur Kompensation der c Streukapazität entsprechend der Fig. 6 verwendet, der Wicklungen mit einer Anzahl gegenphasiger Windungen aufweist, erscheint eine Spannung vd an beiden Enden des Stromerfassungawiderstandes Rd Ist Cs = Cc gewählt, dann wird die Gleichung (i) ähnlich c der Gleichung (d) und somit ist ein Einfluß der- Streukapezität C5'grundlegend beseitigt.The following explains how the influence of the stray capacitance C is compensated for. If there is a constant capacity, the following relationship applies to the capacity Cx used to detect an adjustment If a compensation capacitor C is used to compensate for the c stray capacitance according to FIG. 6, which has windings with a number of turns in opposite phase, a voltage vd appears at both ends of the current detection resistor Rd If Cs = Cc is selected, then the equation (i) becomes similar to c of the equation (d) and thus an influence of the stray capacitance C5 'is basically eliminated.
In der Fig. 8 ist ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hierin sind für die mit der Fig. 7 übereinstimmenden Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Konstantstromschaltung 18 wird in der Ausführungsform gemäß der Fig. 7 doppelt verwendet, jedoch kann auch die Ausführungsform gemäß der Fig. 8 mit nur einer Konstantstromschaltung 18 ausgeführt werden. Ferner ist in dem Spannungs/Stromumsetzer 17 ein Rückführungswiderstand Rf vorgesehen, der üblicherweise bei Zweidrahterfassungsschaltungen für Verstellungen benutzt wird.8 is a circuit diagram of another embodiment of the Invention shown. This is for the parts that correspond to FIG. 7 the same reference numerals are used. The constant current circuit 18 is in the The embodiment according to FIG. 7 is used twice, but the embodiment 8 can be carried out with only one constant current circuit 18. Further a feedback resistor Rf is provided in the voltage / current converter 17, which is usually used in two-wire detection circuits for adjustments.
Der vorstehenden Beschreibung ist zu entnehmen, daß gemäß der Erfindung die Erfassungsschaltung für Verstellungen so aufgebaut ist, daß der durch einen Verstellungserfassungskondensator fließende Wechselstrom auf einem konstanten Wert gehalten wird, wobei die Beziehung beachtet wird, wonach eine Versorgungsspannung eines Oszillators und eine Oszillatorausgangsspannung einander proportional sind. Auf diese Weise wird die Wirkung erzielt, daß die Versorgungsspannung des Oszillators einer Verstellung proportional ist und somit wird eine Charakteristik der Erfassung von Verlagerungen mit sehr guter Linearität erreicht. Ferner wird ein Oszillator mit einem in seiner Schwingungsfrequenz stabilen mechanischen Vibrator benutzt, wodurch man eine stabile Ausgangsgröße für Verstellungen erhält, und der Einfluß äußerer Bedingungen, wie z. B.From the above description it can be seen that according to the invention the detection circuit for adjustments is constructed so that the by a Displacement detection capacitor flowing alternating current at a constant value is held, taking into account the relationship that a supply voltage of an oscillator and an oscillator output voltage are proportional to each other. In this way the effect is achieved that the supply voltage of the oscillator is proportional to an adjustment and thus becomes a characteristic of the detection of displacements achieved with very good linearity. There is also an oscillator used with a mechanical vibrator that is stable in its oscillation frequency, thereby obtaining a stable output for adjustments, and the influence external conditions, such as B.
der Temperatur, kann auf ein Minimum gebracht werden.the temperature can be kept to a minimum.
Die Erfassungsschaltung für Verstellungen gemäß der Erfindung vermag eine ähnliche Wirkung zu erzielen wie sie zuvor beschrieben wurde in der Anwendung als Druckdetektor, indem man einen Verstellungskondensator gemäß der Fiy. 7 verwendet, der eine feste Elektrode aufweist, die einer Membran gegenüberstehend angeordnet ist, die z.The detection circuit for adjustments according to the invention is capable to achieve an effect similar to her previously described in use as a pressure detector by using a variable capacitor according to the Fiy. 7 is used, which has a fixed electrode facing a membrane is arranged, the z.
B. als unter Druck stehendes Element benutzt wird.B. is used as a pressurized element.
Claims (2)
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Publications (1)
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1982
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |