DE3408529A1

DE3408529A1 - Schaltungsanordnung zur messung mechanischer verschiebungen

Info

Publication number: DE3408529A1
Application number: DE19843408529
Authority: DE
Inventors: Eiichi Dipl.-Ing. Koganei Tokio/Tokyo Nabeta
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1983-03-24
Filing date: 1984-03-06
Publication date: 1984-09-27
Also published as: JPS59174715A; JPH0350966B2; DE3408529C2

Description

FUJI ELECTRIC CO., LTD. Mein Zeichen

Kawasaki / Japan VPA 8 3P 8 5 4 2

Schaltungsanordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen mit einem kapazitiven Meßfühler, der zwei Meßkondensatoren enthält, deren Kapazitäten sich in Abhängigkeit von der mechanischen Verschiebung gegensinnig ändern, mit einer dem kapazitiven Meßfühler nachgeordneten Differenzverstärkeranordnung zur Erzeugung einer der Differenz zwischen den Kapazitäten der beiden Meßkondensatoren entsprechenden Spannung und mit einer steuerbaren Uiderstandsanordnung mit einer Stromquelle und einer Last in einem Stromkreis, wobei der Steuereingang der Widerstandsanordnung mit dem Ausgang der Differenzverstärkeranordnung verbunden ist.

Eine derartige, aus der DE-OS 29 32 051 bekannte Schaltungsanordnung enthält einen kapazitiven Meßfühler mit zuei Meßkondensatoren C₁ und C„ (siehe Figur 1 der Offenlegungsschrift), die eine ihnen gemeinsame bewegliche Elektrode aufweisen. Eine Verschiebung ^d.der beweglichen Elektrode verändert die Kapazitäten der zwei Meßkondensatoren C₁ und C„ derart, daß das Verhältnis (C₁ - C₂) / (C₁ + C₂) proportional zur relativen Verschiebung Δd/d der beweglichen Elektrode ist; dabei bezeichnet d den jeweiligen Elektrodenabstand der Meßkondensatoren C,. und C₂. Die bekannte Schaltungsanordnung enthält weiterhin einen Oszillator G mit mehreren Uechselspannungsausgängen U₀ , U₇. und U_ . Jeder der beiden Meßkondensatoren C₁ und C₀ liegt über jeweils einen Gleichrichter D₁ bzw. D₂ in Reihe mit jeweils einem Uechselspannungsausgang U₂ bzw.

U„, des Oszillators G und einem .Widerstand R₁. bzw. R₀ zur Er-Zb 1 ·£

Bf 3 Sz / 13.02.1984

fassung des Stromes durch den jeweiligen Meßkondensator C. bzw. C„. Die beiden Widerstände R₁ und R₂ sind gemeinsam an einem weiteren Widerstand R₃ angeschlossen, durch den der Summenstrom aus den Strömen durch die beiden Meßkondensatoren C. und C_ fließt. Ein Differenzverstärker D₂ erfaßt mit seinem nichtinvertierenden Eingang den Spannungsabfall an den Widerständen R₁ und R, und mit seinem invertierenden Eingang den Spannungsabfall an den Widerständen R_ und R₃, so daß am Ausgang des Differenzverstärkers D₂ eine dem Verhältnis (C₁ - C₂) / (C₁ + C„) proportionale Spannung entsteht. Mit dieser Spannung steuert der Differenzverstärker D~ eine nachgeordnete, einen Transistor Tr2 und einen Rückkopplungswiderstand R10 enthaltende steuerbare Widerstandsanordnung, die in einem Stromkreis in Reihe mit einer Stromversorgungsquelle E und einem Lastwiderstand R. liegt. Die steuerbare Widerstandsanordnung regelt den Strom in dem Stromkreis derart, daß an dem Lastwiderstand R. als Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung ein Spannungsabfall entsteht, der proportional zu dem Verhältnis (C₁ - C₂) / (C₁ + C₂) und damit proportional zu der relativen Verschiebung Ad/d der beweglichen Elektrode des kapazitiven Meßfühlers ist.

Da die Ströme durch die Meßkondensatoren C₁ und C₃ proportional zu der Höhe und Frequenz der Spannung an dem jeweiligen Wechselspannungsausgang W„ bzw. W₇, des Oszillators G sind, können Meßungenauigkeiten durch Frequenzoder Spannungsschwankungen an den Wechselspannungsausgängen W₂ und W₂, des Oszillators G auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen mit einem kapazitiven Meßfühler anzugeben, die eine besonders genaue Messung der mechanischen Verschiebungen ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei der eingangs angegebenen Schaltungsanordnung erfindungsgemäß an dem kapazitiven Meßfühler eine steuerbare Vorrichtung zum Laden und Entladen der Meßkondensatoren angeschlossen ist, daß den Meßkondensatoren ein Schwellenwertdetektor zugeordnet ist, der abwechselnd die Spannungen an den Meßkondensatoren auf Überschreiten eines vorgegebenen Schwellenwertes Übermacht und dessen Ausgang mit einem Steuereingang der Vorrichtung verbunden ist, daß der Ausgang des Schwellenwertdetektors weiterhin mit dem Eingang einer bistabilen Kippstufe verbunden ist, deren Ausgang mit einem Steuereingang einer Einrichtung zum abwechselnden Laden und Entladen eines ersten und zweiten Hilfskondensator verbunden ist, und daß der •erste Hilfskondensator mit einem ersten Eingang der Differenz-Verstärkeranordnung und der zweite Hilfskondensator mi.t einem zweiten Eingang der Differenzverstärkeranordnung verbunden ist»

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat den Vorteil einer großen Meßgenauigkeit, weil die Meßkondensatoren durch die steuerbare Vorrichtung zum Laden und Entladen der Meßkon-.densatoren im Zusammenwirken mit dem nachgeordneten Schwellenwertdetektor abwechselnd bis auf eine gemeinsame, durch den Schwellenwert genau vorgegebene Spannung aufgeladen werden und daß der Schwellenwertdetektor über die bistabile Kippstufe die Auf- und Entladung des ersten und zweiten Hilf.skondensators derart steuert, daß der erste und der zweite Hilfskondensator in Abhängigkeit von dem jeweiligen Kippzustand am Ausgang der Kippstufe abwechselnd aufgeladen und entladen werden; auf diese Ueise entstehen nämlich an dem ersten und'dem zweiten Hilfskondensator Ladespannungen, aus denen die Differenzverstärkeranordnung zur Steuerung des Stromes in dem Stromkreis eine Differenzspannung bildet, die der. Differenz der Kapazitäten der beiden Meßkondensatoren genau entspricht. Meßungenauigkeiten sind dadurch weitgehend

vermieden, ueil sowohl die Aufladung der Meßkondensatoren bis zu dem Schwellenwert als auch die abuechselnde Auf- und Entladung des ersten und zweiten Hilfskondensators besonders genau und störungsunempfindlich erfolgt, uozu der Einsatz sehr einfacher Schaltungsmittel wesentlich beiträgt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemaßen Schaltungsanordnung ist an dem Ausgang des SchwBllenwertdetektors weiterhin ein Verzögerungsglied angeschlossen, dessen Ausgang zur Verzögerung der Entladung des ersten bzw. zueiten Hilfskondensators mit einem weiteren Steuereingang der Einrichtung zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators verbunden ist. Durch Einstellen der Verzögerungszeit des Verzögerungsgliedes läßt sich der Beginn des Entladevorganges des ersten oder zweiten Hilfskondensators derart einstellen, daß die dadurch hervorgerufene Änderung der Differenzspannung zwischen den Ladespannungen des ersten und zweiten Hilfskondensators den durch Streukapazitäten der zwei Meßkondensatoren verursachten Anteil der Differenzspannung kompensiert, so daß die Differenzspannung und damit auch der Strom in dem Stromkreis exakt proportional zu der von dem kapazitiven Meßfühler erfaßten mechanischen Verschiebung ist. Bei der aus der DE-OS 29 32.051 bekannten Schaltungsanordnung ergibt sich eine proportionale Abhängigkeit der Ausgangsgröße der Schaltungsanordnung von der relativen Verschiebung der beweglichen Elektrode nur. unter der vereinfachenden Annahme, daß der kapazitive Meßwandler keine Streukapazitäten aufweist. Da aber Streukapazitäten unvermeidbar sind, und die von dem Differenzverstärker erfaßten Ströme durch die Meßkondensatoren jeweils proportional zu der Kapazität der betreffenden Meßkondensatoren sind, ist die Ausgangsgröße mit einem systematischen Meßfehler behaftet.

-*. I/pa ₈ 3p 8 54 2

Bei βϊπθγ weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ueist der Schwellenwertdetektor eine Schuellenuertstufe auf und enthält eine steuerbare Schalteinrichtung, deren Steuereingang mit dem Ausgang der bistabilen Kippstufe in Verbindung steht und die bei Ansteuerung den Eingang der Schuiellenuertstufe abwechselnd mit den zwei Meßkondensatoren verbindet. Dadurch, daß die Ladespannungen an den zwei Meßkondensataren abwechselnd über die steuerbare Schalteinrichtung einer einzigen Schwellenwertstufe zugeführt werden, ist gewährleistet, daß die Ladespannungen an den Cleßkondensatoren jeweils auf, Überschreiten ein und desselben Schwellenwertes überwacht werden, so daß kein Meßfehler durch verschiedene Schwellenwerte auftreten kann.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung weist die Einrichtung zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators eine erste steuerbare Schalteinheit auf, deren Steuereingang der eine Steuereingang der Einrichtung ist; die erste Schalteinheit verbindet bei Ansteuerung den ersten und den zweiten Hilfskondensator abwechselnd mti einer Ladevorrichtung oder einer Entladevorrichtung. Auf dieser Ueise werden nämlich sowohl der erste als auch der zweiteHilfskondensator jeweils an die gl-eiche Lade- bzw. Entladevorrichtung geschaltet, so daß keine Meßfehler durch unterschiedlich dimensionierte' Lade- bzw. Entladevorrichtungen auftreten können. ' -

Ueis die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ein Verzögerungsglied zur Kompensation der Streukapazitäten des kapazitiven Meßfühlers auf, so enthält die Einrichtung zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators vorteilhafterweise eins zweite steuerbare Schalteinheit, deren Kontakt in Reihe mit der Entladevorrichtung liegt und 35

deren Steuereingang der weitere Steuereingang der Einrichtung ist. Die zu verzögernde Entladung des jeueiligen, über die erste Schalteinheit an die Entladevorrichtung geschalteten ersten oder zweiten Hilfskondensators erfolgt daher erst dann, uenn das Verzögerungsglied die zweite steuerbare Schalteinheit ansteuert; daraufhin schließt deren Kontakt, so daß ein Entladestrom fließen kann.

Ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird dadurch erreicht, daß die Schwellenwertstufe, die bistabile Kippstufe und das Verzögerungsglied jeweils ein CMOS-Delay-Flipflop enthalten. Zur weiteren Vereinfachung des Aufbaues der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung sind die steuerbare Schalteinrichtung des Schwellenwertdetektors sowie die erste und zweite Schalteinheit der Einrichtung zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators CMOS-Schalter.

.Zur Erläuterung der Erfindung ist in

Figur 1 der prinzipielle Aufbau eines kapazitivere Meßfühlers der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung dargestellt. Figur 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und in Figur 3 ist ein Schaltungsdetail der in Figur 2 gezeigten Anordnung dargestellt.

Figur 4 zeigt in- einem Diagramm die Verläufe von Spannungen an mehreren bezeichneten Meßpunkten der in Figur 2 dargestellten Anordnung.

Der in Figur 1 schematisch dargestellte kapazitive Meßfühler der erfindüngsgemäßen Schaltungsanordnung besteht aus zwei Meßkondensatoren CA und-CB. Die zwei Meßkondensatoren CA und CB bestehen aus jeweils einer festen Elektrode Ef und einer beiden Meßkondensatoren CA und CB gemeinsamen beweglichen Elektrode Ev, die in Ruhelage jeweils in einem Abstand d

zwischen den festen Elektroden Ef angeordnet ist. Uird die bewegliche Elektrode Ev aus' ihrer Ruhelage um die Strecke Δ d in Richtung auf die feste Elektrode Ef des Meßkondensators CA zubewegt, so vergrößert sich die Kapazität des Meßkondensators CA, während sich gleichzeitig die Kapazität des Meßkondensators CB verringert. Bei der in Figur 1 gestrichelt dargestellten Lage der beweglichen Elektrode Ev ergeben sich folgende Gleichungen für die Kapazitäten der Meßkondensatoren CA und CB:

CA = E A / (d -,Od)

CB = ε A / (d + Ad) (1)

■Dabei bezeichnet £ die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums zwischen den Elektroden Ef und Ev und A die Fläche der Elektroden Ef und Ev. Damit lassen sich die Summe und die Differenz der Kapazitäten der zwei Meßkondensatoren CA und CB wie folgt berechnen:

CA + CB =

d - 21 d²

d² - A d² , (2)

so daß für das Verhältnis der Summe zur Differenz der Kapazitäten der zwei Meßkondensatoren CA und CB gilt:

CA - CB _ Δ d

CA + CB ~ d (3)

Bei Vernachlässigung der Streukapazitäten der zwei Meßkondensatoren CA'und CB läßt sich also aus dem Verhältnis der Differenz zur Summe der Kapazitäten der Meßkondensatoren CA und CB die Verschiebung Ad der beweglichen Elektrode Ev ermitteln.

Das in Figur 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung enthält einen kapazitiven Meßfühler entsprechend der in Figur 1 dargestellten Ausführung mit zuei Meßkondensatoren CA und CB. Parallel zu jedem der zuei Meßkondensatoren CA und CB liegt jeueils eine, strichliert dargestellte Streukapazität CSA und CSB, die das Streufeld des jeueiligen Meßkondensators CA bzu. CB berücksichtigt. Dem kapazitiven Meßfühler ist eine steuerbare Vorrichtung 1 zum Laden und Entladen der zuei Meßkondensatoren CA und CB zugeordnet. Diese Vorrichtung 1 enthält zuei Uiderstände R, und R₂, über die die zuei Meßkondensatoren CA und CB mit ihren festen Elektroden Ef jeueils an eine erste Stromversorgungsleitun-g 11 angeschlossen sind. Die beuegliche, beiden Meßkondensatoren CA und CB gemeinsame Elektrode Ev ist mi't einer ueiteren Stromversorgungsleitung 12 ver-' bunden. Zum Entladen der Meßkondensatoren CA und CB enthält die Vorrichtung 1 ueiterhin zuei Schalttransistoren T1 und T2, von denen der Schalttransistor T1 mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke parallel zu dem Meßkondensator CA und der Schalttransistor T2 mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke parallel zu dem Meßkondensator CB liegt. Die Basisanschlüsse der beiden Schalttransistoren T1 und T2 sind jeueils über einen Basisvoruiderstand R, bzu. R. an einen Verbindungspunkt geführt, der den Steuereingang S1 der Vorrichtung 1 bildet. Den Meßkondensatoren CA und CB ist ueiterhin ein Schuellenuertdetektor 2 zugeordnet, der eine steuerbare Schalteinrichtung CM1 und eine nachgeordnete Schuellenuertstufe Q1 enthält und dessen Ausgang S2 mit dem Steuereingang S1 der Vorrichtung 1 zum Laden und Entladen der Meßkondensatoren CA und CB verbunden ist. Die steuerbare Schalteinrichtung CM1 besteht aus einem CMOS-Schalter, der den Eingang CP der nachgeordneten Schuellenuertstufe Q1 über einen ersten Kontakt A2 mit dem Meßkondensator CA und über einen zueiten Kontakt B2 mit dem Meßkondensator CB verbindet. Die Schuellenuertstufe Q1 enthält ein CMOS-Delay-Flipflop, das mit einem Widerstand Rf und

einem Kondensator Cf beschaltet ist. Der Ausgang Q der Schwellenwertstufe Q1 bildet den Ausgang S2 des Schwellenwert detaktors 2. Das CMOS-Delay-Flipflop uird gesetzt, sobald die Spannung an seinem Eingang CP einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.und nach einer durch den Widerstand Rf und den Kondensators Cf bestimmten Zeitdauer zurückgesetzt. Anstelle eines CPIOS-Delay-Flipflops kann auch ein einfaches Delay-Flipflop Verwendung finden, dem aber dann ein zusätzlicher Schmitt-Trigger zur Erzeugung des Schwellenwertes vorgeordnet sein muß.

Dem Schwellenwertdetektor 2 ist eine bistabile Kippstufe Q2 nachgeordnet, die aus einem CMOS-Delay-Flipflop besteht, dessen Eingang CP mit dem Ausgang S2 des Schwellenwertdetektors 2 verbunden ist. Weiterhin ist dem Schwellenwertdetektor 2 ein Verzögerungsglied Q3 nachgeordnet. Dieses besteht ebenfalls aus einem CMOS-Delay-Flipflop, das zur Einstellung einer Verzögerungszeit mit einem Kondensator C3 und einem einstellbaren Widerstand VR3 beschältet ist und dsssen Eingang CP mit dem Ausgang S2 des Schwellenwertdetektors 2 verbunden ist.

Die erfindungsgema'Ge Schaltungsanordnung enthält weiterhin eine steuerbare Einrichtung 3 zum abwechselnden Laden und Entladen eines ersten und zweiten Hilfskondensators C₁ und C^, die über einen Steuereingang S3 mit einem Ausgang Q der bistabilen Kippstufe 0.2 verbunden ist und über einen weiteren Steuereingang S4 an einem Ausgang Q des Verzögerungsgliedes Q3 angeschlossen ist. Diese Einrichtung 3 enthält eine erste steuerbare Schalteinheit CM2, die aus einem CMOS-Schalter besteht und von der bistabilen Kippstufe Q2 über den ersten Steuereingang S3 der Einrichtung 3 gesteuert wird. Der CMOS-Schalter weist mehrere Kontakte A1, B1, A3 und B3 auf, von denen der Kontakt A1 den ersten Hilfskondensator C₁ und der Kontakt A3 den zweiten Hilfskondensator C₂ mit einer

Ladevorrichtung aus einem Understand R₁- mit der ersten Stromversorgungsleitung 11 verbindet; die Kontakte B1 und B3 verbinden den ersten Hilfskodnensator C. bzu. den zueiten Hilfskondensator C₇ über eine zueite steuerbare Schalteinheit Cfl3 mit einer Entladevorrichtung aus einem Widerstand Rg mit der weiteren Stromversorgungsleitung 12.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist die jeueils durch CMOS-Schalter realisierte Schalteinrichtung CfH und die erste Schalteinheit Cfl2 in einem einzigen Schalterbaustein CM enthalten, uie er in Figur 3 dargestellt ist. Die Steuerung dieses Schalterbausteines CfI erfolgt durch das Ausgangssignal V3 am Ausgang Q der bistabilen Kippstufe Q2, so daß bei einem hohen Spannungspegel "H" des Ausgangssignales V3 die Kontakte A1, A2 und B3 geschlossen sind, während die Kontakte B1, B2 und A3 geöffnet sind und bei einem niedrigen Spannungspegel "L" des Ausgangssignales V3 die Kontakte A1, A2 und B3 geöffnet und die Kontakte B1, B2 und A3 geschlossen sind.

Die zweite" Schalteinheit Cfl3 besteht ebenfalls aus einem Cfl.OS-Schalter, der über den zueiten Steuereingang S4 der Einrichtung 3 an dem Ausgang Q des Verzögerungsgliedes Q3 angeschlossen ist. Sobald das Ausgangssignal V7 am Ausgang Q des Verzögerungsgliedes Q3 einen hohen Spannungspegel "H" annimmt, schließt der Kontakt der zueiten Schalteinheit Cfl3 und öffnet, uenn das Ausgangssignal V7 auf einen niedrigen Spannungspegel "L" fällt.

Der erste Hilfskondensator C₁ ist mit einem ersten Eingang S5 einer Differenzverstärkeranordnung 4 verbunden und der Kondensator C„ ist an einen zueiten Eingang S6 der Differenz-' Verstärkeranordnung 4 angeschlossen. Die Differenzverstärkeranordnung 4 enthält eingangsseitig einen ersten und einen

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zweiten Impedanzuandler DA1 und DA2, deren nichtinvertierende Eingänge den ersten Eingang S5 bzw. den zweiten Eingang S6 der Differenzverstärkeranordnung 4 bilden. Die Impedanzuandler DA1 und DA2 bestehen jeweils aus einem Operationsverstärker, der durch eine Kurzschlußverbindung zwischen seinem invertierenden Eingang und seinem Ausgang als Spannungsfolger geschaltet ist. Die Differenzverstärkeranordnung 4 enthält weiterhin einen ersten Differenzverstärker DA3, dessen in-VBrtierender Eingang über einen ersten Voruiderstand R- mit dem Ausgang des ersten Impedanzwandler DA1 verbunden ist und dessen nichtinvertierender Eingang über einen zweiten Vorwiderstand R_D an den Ausgang des zweiten Impedanzwandlers

DA2 angeschlossen ist. Der invertierende Eingang und der Ausgang des ersten Differenzverstärkers DA3 sind über einen Rückkopplungswiderstand R₁₁ miteinander verbunden. Die Differenzverstärkeranordnung 4 enthält weiterhin einen zweiten Differenzverstärker DA4, dessen nichtinvertierender Eingang über einen einstellbaren Uiderstand VR1 mit dem Ausgang des ersten Differenzverstärker DA3 und über einen weiteren einstellbaren Nullabgleichwiderstand VR2 mit der Stromversorgungsleitung 11 verbunden ist. Der invertierende Eingang des zweiten Differenzverstärkers DA4 ist zusammen mit dem nichtinvertisrenden Eingang des ersten Differenzverstärkers DA3 an dem Spannungsabgriff eines aus zwei Widerständen R_1Q und R_g gebildeten und zwischen den Stromversorgungsleitungen 11 und 12 angeordneten Spannungsteilers angeschlossen.

Die Differenzverstärkeranordnung 4 ist eine steuerbare Widerstandsanordnung 5 nachgeordnet; diese enthält einen Transistor T4, dessen Basisanschluß über einen Uiderstand R^ mit dem Ausgang des zweiten Differenzverstärkers DA4 verbunden ist und dessen Kollektor-Emitter-Strecke in Reihe mit einem Strombegrenzungswiderstand R.g und einem Rückkopplungsuiderstand R₁₇ in einem Stromkreis angeordnet ist, der aus

einer externen Stromversorgungsquelle E über einen Lastuiderstand L und eine Diode D gespeist wird. Zur Regelung des Stromes I in dem Stromkreis ist der Rückkopplungsuiderstand R₁₇ über einen Widerstand R_1? mit dem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Differenzverstärkers DA4 verbunden. Die Differenzverst'ärkeranordnung 4 steuert den Transistor T4 derart, daß sich der Strom I in dem Stromkreis proportional zu der von dem kapazitiven Meßfühler erfaßten mechanischen Verschiebung ändert und eine entsprechende Ausgangsspannung an dem Lastuiderstand L erzeugt.

Die Stromversorgungsleitungen 11 und 12 stehen über einen Spannungsregler 6 mit dem Stromkreis in Verbindung. Der Spannungsregler 6 enthält einen Feldeffekttransistor T5, der mit seiner Drain-Source-Strecke in Reihe mit zwei Spannungsteilerwiderständen R*. und R₁₅ souie einer Zenerdiode ZD an der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T4 und dem Widerstand R.g liegt. Zur Regelung der Spannung zwischen den beiden Stromversorgungsleitungen 11 und 12 ist die erste Stromversorgungsleitung 11 über einen Längstransistor T3 an dem Verbindungspunkt des Feldeffekttransistors T5 mit dem Kollektor des Transistors T4 angeschlossen; der Basisanschluß des Längstransistors. T3 ist mit dem Abgriff zwischen den Widerständen FL. und R₁- verbunden.

Anhand der in Figur 4 dargestellten Spannungsverläufe V1 bis V5 mehrerer, in Figur 2 entsprechend bezeichneter Meßstellan soll im folgenden die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erläutert werden. Sobald das Ausgangssignal V2 an dem Ausgang Q der Schwellenwertstufe Q1 von einem niedrigen Spannungspegel auf einen hohen Spannungspegel übergeht, werden die Schalttransistoren T1 und T2 in ein.an leitenden Zustand gesteuert, so daß sich die Meßkondensatoren CA und' CB über die Kollektor-Emitter-Strecke der ihnen jeweils zugeordneten Schalttransistoran T1 bzw. T2 entladen. Gleichzeitig

springt das Ausgangssignal V3 am Ausgang Q der bistabilen Kippstufe Q2 - unter der Annahme, daß es zuvor einen niedrigen Spannungspegel aufwies - auf einen hohen Spannungspegel. Aufgrund des Signales V/3 werden die in dem Schalterbaustein CM zusammengefaßte Schalteinrichtung Ci¹II und erste Schalteinheit CP12 derart gesteuert, daß die Kontakte A1 , A2 und D3 geschlossen und die Kontakte B1, B2 und A3 geöffnet sind. Daraufhin uird der erste. Hilfskondensator C₁ über den Widerstand FL auf die Spannung VC der ersten Stromwersorgungsleitung 11 aufgeladen. Die Ladespannung des ersten Hilfskondensators C, ist mit V/4 bezeichnet. Gleichzeitig uird der Hilfskondensator Cf durch den hohen Spannungspegel des Ausgangssignales V/2 der Schuellenuertstufe Q1 über den Widerstand Rf aufgeladen. Nach einer Zeit TC erreicht die Spannung an dem Kondensators Cf einen Uert, der die Schuellenuertstufe Q1 in einen Zustand zurücksetzt, in dem das Ausgangssignal V/2 einen niedrigen Spannungspegel aufusist. Durch diesen niedrigen Spannungspegel uerden die Schalttransistoren T1 und T2 in einen sperrenden Zustand uersetzt, so daß sich die Meßkondensat'oren CA und CB über die Widerstände R₁ und R„ aufladen. Da der Kontakt A2 der Schalteinrichtung CP11 geschlossen ist, liegt an dem Eingang CP der Schuellenuertstufe Q1 die jeueilige momentane Ladespannung des Neßkondensators CA an. Sobald diese Ladespannung eine dem Schuellenuert der Schuellenuertstufe Q1 entsprechende Spannung \/T erreicht, uird die Schuellenuertstufe Q1 uieder in den Zustand gesteuert, in dem das Ausgangssignal V/2 einen hohen Spannungspegel aufueist. Das Ausgangssignal V/2 steuert uiederum die bistabile Kippstufe Q2 in einen Zustand mit einem niedrigen Spannungspegel seines Ausgangssignales V/3. Aufgrund des Signales V3 uerden die in dem Schalterbaustein CM zusammengefaßten Schalteinrichtungen CM1 und CM2 derart gesteuert, daß die Kontakte B1, B2 und A3 geschlossen uerden und die Kontakte A1, A2 und B3 geöffnet uerden. Daraufhin uird der zueite Hilfskondensator C2 über den Widerstand R,- durch die Spannung V/C auf der ersten Strom-

versorgungsleitung 11 auf gela-den. Die Ladespannung des zueiten Kondensators C~ ist mit V5 bezeichnet. Gleichzeitig uird uiederum der Kondensator Cf durch den hohen Spannungspegel des Ausgangssignales V2 der Schuellenuertstufe Q1 aufgeladen, bis nach einer Zeit TC die Spannung an dem Kondensator Cf einen, die Schuellenuertstufe Q1 zurücksetzenden Uert erreicht. Daraufhin werden uieder die zwei Meßkondensatoren CA und CB aufgeladen, uobei diesmal der Meßkondensator CB über den Kontakt B2 der Schalteinrichtung CM1 mit dem Eingang CP der Schuellenuertstufe Q1 verbunden ist.

Uenn die Ladespannung an dem Meßkondensator CA nach einer Zeit TA eine dem Schuellenuert der Schuellenuertstufe Q1 entsprechende Spannung UT erreicht, gilt für die Ladespannung VA an dem Meßkondensator CA folgende Gleichung:

TA
VA = VC (1 - e " R1 (CA + CSA) ) = VT. (4)

Daraus berechnet sich die Ladezeit TA des Meßkondensators CA zu

TA = - R1 (CA + CSA) log (1 - VT/VC) . (5)

Entsprechend gilt für die Zeit TC, bis die Schuellenuertstufe Q1 uieder in einen Zustand mit einem niedrigen Spannungspegel des Ausgangssignals V2 zurückfällt:

TC = - Rf Cf log (1 - VT/VC) . (6)

Uie der Figur 4 zu entnehmen ist, nimmt das Ausgangssignal V3 der bistabilen Kippstufe Q2 für die Dauer (TA + TC) einen hochpegeligen Ausgangszustand an.

Uenn die Ladespannung an dem Meßkondsnsator CB nach einer Ladezeit TB eine dem Schuellenuert der Schuellenuertstufe Q1

entsprechende Spannung VT erreicht, gilt für die Ladespannung VB des Kondensators CB:

TA
VB = VC (1 - e R2 (CB + CSBJ ) = VT. (7)

Daraus berechnet sich die Ladezeit TB des Fleßkondensators CB zu TB = - R2 (CB + CSB) log (1 - VT/VC). (8)

Uie Figur 4 zeigt, nimmt das Ausgangssignal V3 der bistabilen Kippstufe Q2 für die Dauer (TB + TC) einen Ausgangszustand mit niedrigem Spannungspegel an.

Während das Ausgangssignal V3 der bistabilen Kippstufe Q2 einen hohen Spannungspegel aufweist, wird der erste Hilfskondensator C₁ über den Widerstand R₁. aufgeladen und der zweite Hilfskondensator C„ über die Schaltereinheit C M 3 und den Widerstand R, entladen. Umgekehrt wird bei niedrigem Spannungspegel des Ausgangssignales V3 der zweite Hilfskondensator C, über den Widerstand R,- aufgeladen und der erste Hilfskondensator C„ über die Schaltereinheit C[¹IZ und den Widerstand R_c

I D

entladen. Die steuerbare Schaltereinrichtung CM3 wird durch das Ausgangssignal V7 an dem Ausgang Q des Verzögerungsgliedes Q3 gesteuert. Das Verzögerungsglied Q3 wird seinerseits durch die Schwellenwertstufe Q1 bei einem Übergang des Ausgangssignales V2 von einem niedrigen auf einen hohen Spannungspegel in einen Zustand gesetzt, in dem sein Ausgangssignal V7 einen niedrigen Spannungspegel annimmt. Dieser niedrige Spannungspegel steuert die Schaltereinrichtung CW3 derart, daß ihr Kontakt geöffnet ist und eine Entladung des jeweils über die Kontakte B1 oder B3 mit der Schalteinheit CM3 verbundenen Kondensators C,. oder C₃ nicht stattfinden kann; das heißt, die Ladespannung des jeweiligen Hilfskondensator C₁ oder C₇ ändert sich nicht. Nach einer Zeit TS, die durch die Zeitkonstante des Widerstandes VR3 und des Kondensators C₃ festgelegt ist und durch Verändern des Wider-

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Standes VR3 einstellbar ist, fällt das Verzögerungsglied Q3 wieder in einen Zustand mit einem hohen Spannungspegel des Ausgangssignales V7 zurück. Der hohe Spannungspegel des Ausgangssignales V7 bewirkt eine Schließung des Kontaktes der Schaltereinrichtung CM3, so daß der betreffende Hilfskondensator C„ oder C„ über den Widerstand R_c entladen wird. Für 12 ο

die Zeit TS, um die der Entladevorgang des Hilfskondensators C₁ oder C~ verzögert uird, gilt

TS = - VR3 . C3 log (1 - VT/VC). (9)

Die in Figur 4 gestrichelt dargestellten Spannungsverläufe der Ladespannungen Λ/4 und V/5 an den Hilfskondensatoren C₁ und C„ gelten für den Fall, daß keine Schaltereinheit CM3 vorhanden ist bzw. das die Verzögerungszeit TS gleich Null ist. Für den Mittelwert der Ladespannungen V4 und V5 an den Kondensatoren C₁ und C₇ gelten die folgenden Gleichungen:

__ TA + TC

C (10)

^V5 "

(TA + TC) + (TB + TC) - TS

TB + TC (TB + TC) + (TB + TC)- - TS

Durch Einsetzen der Gleichungen (5), (6), (8) und (9) in die beiden Gleichungen (1O) und (11) erhält man für die Mittelwerte der Ladespannungen V4 und V5 der Hilfskondensatoren C-

und C„:

R1 (CA + CSA) + Rf . Cf

_ \ir

R1 (CA + CSA) + R2 (CB + CSB) + 2Rf . Cf - VR3 . C3

R2 (CB + CSB) + Rf . Cf

(CA-+ CSA) + R2 (CB + CSB) + 2Rf . Cf - VR3 . C3

Der Differenzverstärker DA3 der Differenzverstärkeranordnung bildet aus den Mittelwerten der Ladespannungen \M und V5

eine DiFferenzspannung V6 an seinem Ausgang, die durch folgende Gleichung bestimmt ist:

V6 = K . (\M - V5) + VC1 , (14)

wobei K die Verstärkung des Differenzverstärkers DA3 bezeichnet und VC1 die Gleichspannung an dem Spannungsabgriff zwischen den Widerständen R_1Q und R_g bezeichnet. Im folgenden werden die Gleichungen (12) und (13) in die Gleichung (14) eingesetzt. Dabei wird vorausgesetzt, daß die Widerstände R- und R- gleich sind, so daß gilt

R1 = R2 = R . (15)

Weiterhin wird angenommen, daß die Meßkondensatoren CA und CB gleichartig aufgebaut sind, so daß ihre Streukapazitäten CSA und CSB gleich sind; es gilt also

CSA = CSB = CS . (16)

Damit erhält man für- die Spannung V6 am Ausgang des Differenzverstärkars DA3:

CA-CB

C ₊ yd. (17)

V_{6 =}

CA + CB + 2CS + 2 ψ— . Cf - ■!— . C3

Die Streukapazitäten CS der Meßkondensatoren CA und CB können nun kompensiert werden, indem die Verzögerungszeit TS des Verzögerungsgliedes Q3 mit Hilfe des Widerstandes VR3 derart eingestellt wird, daß gilt:

2CS + 2 ~■ . Cf - ϊψ- . C2 = 0. . (18)

Dann ergibt sich für die Spannung V6 am Ausgang des Differenz verstärkers DA3 folgende Gleichung

Die so gewonnene Spannung V6 ist bis auf einen Gleichspannungsanteil VC1 direkt proportional zu dem Verhältnis der Differenz der Kapazitäten der Meßkondensatoren CA und CB zu der Summe der Kapazitäten der Meßkondensatoren CA und CB. Uie einleitend festgestellt uurde, ist dieses Verhältnis proportional zu der rela^tiven Verschiebung &ύ/ά der beweglichen Elektrode Ev des kapazitiven Meßfühlers.

4 Figuren
7 Ansprüche

-a*

Leerseite -

Claims

Patentansprüche

1 J Schaltungsanordnung zur Messung mechanischer Verschiebungen mit einem kapazitiven Meßfühler, der zwei Meßkondensatoren enthält, deren Kapazitäten sich in Abhängigkeit von der mechanischen Verschiebung gegensinnig ändern, mit einer dem kapazitiven Meßfühler nachgeordneten Differenzverstärkeranordnung zur Erzeugung einer der Differenz zuischen den Kapazitäten der zwei Meßkondensatoren entsprechenden Spannung und mit einer steuerbaren Widerstandsanordnung mit einer Stromquelle und einer Last in einem Stromkreis, wobei der Steuereingang der widerstandsanordnung mit dem Ausgang der Differenzverstärkeranordnung verbunden ist , dadurch gekennzeichnet , daß an dem kapazitiven Meßfühler eine steuerbare Vorrichtung (1) zum Laden und Entladen der Meßkondensatoren (CA und CB) angeschlossen ist, daß den Meßkondensatoren (CA und CB) ein Schwellenwertdetektor (2) zugeordnet ist, der abuechselnd die Spannungen an den Meßkondensatoren (CA und CB) auf Überschreiten eines vorgegebenen Schuellenuertes überwacht und dessen Ausgang (S2) mit einem Steuereingang (Si) der Vorrichtung (1) verbunden ist, daß der Ausgang (S2) des Schwellenwertdetektors (2) ueiterhin mit dem Eingang (CP) einer bistabilen Kippstufe (Q2) verbunden ist, deren Ausgang (Q) mit einem Steuereingang (S3) einer Einrichtung (3) zum abwechselnden Laden und Entladen eines ersten und zweiten Hilfskondensators (C. und C_?) verbunden ist, und daß der erste Hilfskondensator (C₁) mit einem ersten Eingang (S5) der Differenzverstärkeranordnung (4) und der zweite Hilfskondensator (C„) mit einem zweiten Eingang (S6) der Differenzverstärkeranordnung (4) verbunden ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch. 1 , dadurch gekennzeichnet , daß an dem Ausgang (S2)' des Schwellenwertdetektors (2) weiterhin ein Verzögerungsglied (Q3) angeschlossen ist, dessen Ausgang (Q) zur Verzögerung

der Entladung des ersten bzu. zweiten Hilfskondensators (C₁ bzu. C₂) mit einem weiteren Steuereingang (S4) der Einrichtung (3) zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators (C₁ und C„) verbunden ist. 5
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , daß der Schwellenwertdetektor (2) eine Schuellenwertstufe (Q1) aufweist und eine steuerbare Schalteinrichtung (CM1) enthält, deren Steuereingang mit dem Ausgang (Q) der bistabilen Kippstufe (Q2) in Verbindung steht und die bei Ansteuerung den Eingang (CP) der Schwellenwertstufe (eil) abwechselnd mit den zwei Meßkondensatoren (CA und CB) verbindet.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden "Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (3) zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators (C₁ und C„) eine erste steuerbare Schalteinheit (CM2) aufweist, deren Steuereingang der eine Steuereingang (S3) der Einrichtung (3) ist, und daß die erste Schalteinheit (CM2) bei Ansteuerung den ersten und den zweiten Hilfskondensator (C₁ und C_) abwechselnd mit einer Ladevorrichtung oder einer Entladevorrichtung verbindet.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 ,dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (3) zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zweiten Hilfskondensators (C₁ und C₇) eine zweite Steuerbare Schalteinheit (CM3) enthält, deren Kontakt in Reihe mit der Entladevorrichtung liegt und deren Steuereingang der weitere Steuereingang (S4) der Einrichtung (3) ist.
6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Schwellenwertstufe (Q1), die bistabile Kippstufe (0.2)

und das Verzögerungsglied (Q3) jeueils ein CMOS-Delay-Flipflop enthalten.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß dia steuerbare Schalteinrichtung (CMi) des Schuellenuertdetektors (2) souie die erste und zueite Schalteinheit (01*12 und 01*13) der Einrichtung (3) zum abwechselnden Laden und Entladen des ersten und zueiten Hilfskondensator (C₁ und C_?) jeueils ein CMOS-Schalter sind.