DE3534050A1 - Schaltungsanordnung mit einer brueckenschaltung - Google Patents

Description

In Meßumformern zur Erfassung von unter anderem Drücken oder Druckdifferenzen werden bevorzugt Brückenschaltungen eingesetzt, die aus auf mechanische Spannungsänderungen ansprechenden Widerständen bestehen. Bevorzugt werden dabei Brückenschaltungen, deren Widerstände Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen sind, die auf Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, durch entsprechende Dotierung gebildet sind. Der Meßeffekt beruht dabei auf dem sogenannten Piezo-Widerstandseffekt des Halbleitermaterials.

In solchen Schaltungsanordnungen werden die Brückenschaltungen vorzugsweise mit Gleichspannung betrieben, vgl. z. B. P. Profos "Handbuch der industriellen Meßtechnik", 1978, Seite 393, weil sich der elektronische Aufwand bei der Auswertung niedrig halten läßt. Ein weiterer Vorteil einer Gleichspannungsspeisung besteht darin, daß im Verlaufe der Herstellung der Schaltungsanordnungen bei der unvermeidlichen Temperaturkompensation der Brückenschaltungen Schwierigkeiten auch durch verhältnismäßig lange Prüfleitungen nicht auftreten; dies ist insbesondere bei einer Großserienfertigung vorteilhaft.

Es ist ferner bekannt (W. Erler/L. Walther "Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen mit Halbleiterwiderständen", 1973, 2. Auflage, Seite 45), in solchen Schaltungsanordnungen die Brückenschaltung mit einer Wechselspannung zu beaufschlagen. Eine Wechselspannungsspeisung wird man vor allem dann wählen, wenn ein niedriges Nutzsignal vorliegt und deshalb aus Drift- und Rauschgründen eine Wechselspannungsspeisung vorteilhaft ist. Schwierigkeiten bei einer Wechselspannungsspeisung der Brückenschaltung ergeben sich insbesondere durch die Prüfleitungen, weil eingekoppelte Störgrößen gerade bei einer Wechselspannungsspeisung beim Abgleich kritisch sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung mit einer Brückenschaltung vorzuschlagen, bei der trotz notwendiger Wechselspannungsspeisung der Brückenschaltung der Einfluß von Prüfleitungen bei der Temperaturkompensation vernachlässigbar ist.

Die Erfindung geht demzufolge von einer Schaltungsanordnung mit einer Brückenschaltung mit auf mechanische Spannungsänderungen ansprechenden Widerständen, insbesondere Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen, aus, bei der an einer Eingangsdiagonale der Brückenschaltung eine Wechselspannung liegt und an einer Ausgangsdiagonale eine Meßwerterfassungseinrichtung angeschlossen ist, und ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltungspunkt der Eingangsdiagonale über einen Kondensator und einen ersten Schalter abwechselnd an eine Gleichspannungsquelle und an Bezugspotential legbar ist, während der andere Schaltungspunkt der Eingangsdiagonale auf Bezugspotential liegt, daß ein Schaltungspunkt der Ausgangsdiagonale mittels eines synchron mit dem ersten Schalter betätigbaren zweiten Schalters abwechselnd mit einem Eingang eines Verstärkers und einem Ende eines Vergleich-Widerstandes der Meßwerterfassungseinrichtung und der andere Schaltungspunkt der Ausgangsdiagonale mittels eines mit dem ersten Schalter synchron betätigbaren dritten Schalters abwechselnd mit einem weiteren Eingang des Verstärkers und dem anderen Ende des Vergleich-Widerstandes verbindbar ist und daß das eine Ende des Vergleich-Widerstandes mit dem Ausgang einer Steueranordnung der Meßwerterfassungseinrichtung und das andere Ende des Vergleichwiderstandes mit dem Abgriff eines Spannungsteilers verbunden ist, der einerseits an der einen Gleichspannungsquelle und andererseits an Bezugspotential liegt, wobei die Steueranordnung eingangsseitig an dem Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist und an dem Vergleich-Widerstand ein Spannungsabfall erzeugt, der der jeweiligen Spannung an der Ausgangsdiagonale entspricht.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß sie mit einer Gleichspannung gespeist ist, so daß dadurch beispielsweise bereits bei der Temperaturkompensation im Verlaufe des Herstellungsverfahrens auch verhältnismäßig lange Prüfleitungen die Kompensation nicht störend beeinträchtigen können. Durch die Bildung einer Wechselspannung zur Speisung der Brückenschaltung innerhalb der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ergibt sich der Vorteil, daß auch bei einer Brückenschaltung mit einem niedrigen Nutzsignal durch eine Drift und durch Rauschen Fehler in der Meßwerterfassung vernachlässigbar klein bleiben. Es werden demzufolge bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung die Vorteile einer Wechselspannungsspeisung erzielt unter Vermeidung der Nachteile, die sich normalerweise bei einer derartigen Speisung der gesamten Schaltungsanordnung durch verhältnismäßig lange Prüfleitungen ergeben.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann die Steueranordnung in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein, weil sie die Aufgabe zu erfüllen hat, im Zusammenwirken mit dem Verstärker an dem Vergleich-Widerstand jeweils eine derartige Spannung zu erzeugen, wie sie jeweils an der Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung auftritt. Im Hinblick auf einen möglichst einfachen Schaltungsaufbau wird jedoch eine Steueranordnung als vorteilhaft angesehen, die einen Transistor enthält, dessen Kollektor-Anschluß einerseits mit dem einen Ende des Vergleich-Widerstandes und andererseits über einen Kollektor-Widerstand mit der einen Gleichspannungsquelle verbunden ist, und bei der der Ausgang des Verstärkers über einen mit dem ersten Schalter synchron betätigbaren vierten Schalter und ein Siebglied mit dem Basis-Anschluß des Transistors verbunden ist; der über einen Emitter-Widerstand mit dem Bezugspotential verbundene Emitter-Anschluß des Transistors bildet einen Abgriff zur Abnahme einer der Spannung an der Ausgangsdiagonale proportionalen Spannung.

Um einen Einfluß der Ansprechschwelle des Transistors auf die Arbeitsweise der Meßwerterfassungseinrichtung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zu vermeiden, ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung an dem Ausgang des Verstärkers ein Hilfskondensator angeschlossen, der über den vierten Schalter abwechselnd mit dem Basis-Anschluß des Transistors und einem Abgriff eines weiteren Spannungsteilers verbindbar ist; der weitere Spannungsteiler besteht aus einem Widerstand und einer Diode, wobei der Widerstand an einer weiteren Gleichspannungsquelle und die Diode an dem Bezugspotential liegt.

Als vorteilhaft hat es sich ferner herausgestellt, wenn das eine Ende des Vergleich-Widerstandes über einen Zusatzwiderstand an der weiteren Gleichspannungsquelle liegt. Unter anderem über diesen Zusatzwiderstand wird ein Strom in den Vergleich-Widerstand geführt, damit unabhängig von der Polarität der Spannung an der Ausgangsdiagonale in jedem Fall ein einwandfreies Meßergebnis erzielbar ist. Dabei muß der Grundstrom durch den Vergleich-Widerstand so bemessen sein, daß er einen Spannungsabfall zur Folge hat, der der maximalen negativen Spannungsdifferenz an der Ausgangsdiagonale entspricht, wobei darunter eine Spannungsdifferenz verstanden wird, bei der mit dem einen Ende des Vergleich- Widerstandes verbindbare Schaltungspunkte der Brückenschaltung ein höheres Potential als der andere Schaltungspunkt derselben Diagonale annimmt.

Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn der Kollektor-Widerstand und der Zusatzwiderstand so bemessen sind, daß sie groß gegenüber den Widerständen des einen Spannungsteilers sind und der Quotient aus dem Widerstandswert des Zusatzwiderstandes und der Summe der Widerstandswerte von Kollektor- und Zusatzwiderstand ein Viertel beträgt. In diesem Fall ist nämlich der durch den Vergleich- Widerstand fließende Grundstrom unabhängig von der Spannung der einen Gleichspannungsquelle und ist nur noch unabhängig von der Spannung der weiteren Gleichspannungsquelle.

Als vorteilhaft wird es ferner angesehen, wenn die in der Schaltungsanordnung verwendeten vier Schalter elektronische Schalter sind, die zur Steuerung an einem Rechteckgenerator angeschlossen sind.

Infolge der Gleichspannungsspeisung der gesamten Schaltungsanordnung - in der Schaltungsanordnung wird zur Speisung der Brückenschaltung selbst mit Wechselspannung diese Wechselspannung erst aus der Gleichspannung erzeugt - ergibt sich in vorteilhafter Weise, daß die temperaturabhängige Änderung der Empfindlichkeit der Brückenschaltung dadurch kompensiert werden kann, daß die eine Gleichspannungsquelle eine derart temperaturgesteuerte Gleichspannungsquelle ist, daß die von ihr an die Brückenschaltung abgegebene Gleichspannung sich entsprechend gegenläufig zur temperaturabhängigen Änderung der Empfindlichkeit der Brückenschaltung ändert. Eine derartige temperaturgesteuerte Gleichspannungsquelle kann beispielsweise so aufgebaut sein, wie es in "Elektronik", 13/29.06.1984, Seite 95 ff. beschrieben ist.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Fig. ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wiedergegeben.

Die dargestellte Schaltungsanordnung enthält eine Brückenschaltung 1, die einen Aufbau aufweisen kann, wie er beispielsweise in der DE-PS 12 14 435 dargestellt ist. Die einzelnen Widerstände der Brückenschaltung stellen demzufolge Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen dar, die durch entsprechende Dotierung eines Halbleiter-Plättchens gewonnen sind.

Die Brückenschaltung weist Schaltungspunkte 2 und 3 auf, die eine Eingangsdiagonale bilden. Der Schaltungspunkt 2 der Eingangsdiagonale ist über einen Kondensator 4 mit einem Schalter 5 verbunden, der von einem Kontakt 6 auf einen Kontakt 7 umschaltbar ist. Der Kontakt 6 des Schalters 5 ist an eine nicht dargestellte Gleichspannungsquelle angeschlossen, die eine Spannung U 1 abgibt. Der weitere Kontakt 7 des ersten Schalters 5 ist an das Bezugspotential der Schaltungsanordnung angeschlossen. Der andere Schaltungspunkt 3 der Eingangsdiagonale ist ebenfalls mit dem Bezugspotential verbunden.

Die Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung 1 ist von Schaltungspunkten 8 und 9 gebildet, an denen eine Meßwerterfassungseinrichtung 10 angeschlossen, indem ein Kontakt 11 eines zweiten Schalters 12 sowie ein Kontakt 13 eines weiteren Schalters 14 mit den Schaltungspunkten 8 und 9 verbunden sind. An die Schalter 12 und 14 ist über jeweils einen Koppelkondensator 15 bzw. 16 ein Verstärker 17 mit seinen beiden Eingängen angeschlossen. Der Ausgang 18 des Verstärkers 17 ist über einen Hilfskondensator 19 mit einem vierten Schalter 20 in einer Steueranordnung 21 verbunden.

Die Steueranordnung 21 enthält außer dem vierten Schalter 20 einen Transistor 22, dessen Basis-Anschluß über ein Siebglied aus einem Kondensator 23 und einem Widerstand 24 mit einem Kontakt 25 des vierten Schalters 20 verbunden ist.

Der Kollektor-Anschluß des Transistors 22 ist über einen Kollektor-Widerstand 26 mit der Gleichspannungsquelle und damit mit der Spannung U 1 verbunden. Außerdem ist mit dem Kollektor-Anschluß des Transistors 22 ein Vergleich-Widerstand 27 mit seinem einen Ende 28 verbunden. Dieses Ende des Vergleich-Widerstandes 27 ist außerdem an einem Kontakt 29 des zweiten Schalters 12 angeschlossen. Das andere Ende 30 des Vergleich-Widerstandes 27 ist mit einem Abgriff 31 eines Spannungsteilers verbunden, der einerseits an der einen Gleichspannungsquelle bzw. der Spannung U 1 und andererseits an dem Bezugspotential liegt; der eine Spannungsteiler besteht aus den Widerständen 32 und 33. An dem Abgriff 31 des einen Spannungsteilers ist darüber hinaus einerseits ein Koppelwiderstand 34 angeschlossen, der andererseits an einem weiteren Kontakt 35 des dritten Schalters 14 angeschlossen ist.

Der Transistor 22 der Steueranordnung 21 ist hinsichtlich seines Kollektor-Anschlusses außerdem über einen Hilfswiderstand 36 mit einer ebenfalls nicht dargestellten weiteren Gleichspannungsquelle verbunden, die an einem Schaltungspunkt 37 eine weitere Gleichspannung U 2 erzeugt. Zwischen dem Schaltungspunkt 37 und dem Bezugspotential ist ein weiterer Spannungsteiler angeordnet, der aus der Reihenschaltung einer Diode 38 und eines Widerstandes 39 besteht. Ein Abgriff 40 dieses weiteren Spannungsteilers ist mit einem Kontakt 41 des vierten Schalters 20 verbunden.

Der Emitter-Anschluß des Transistors 22 der Steueranordnung 21 ist über einen Emitterwiderstand 42 an dem Bezugspotential angeschlossen. An dem Emitter-Anschluß ist außerdem eine Ausgangsleitung 43 angeschlossen, über die - wie im folgenden noch erläutert wird - eine der Spannung an der Ausgangsdiagonale 8-9 der Brückenschaltung 1 proportionale Spannung abgreifbar ist.

Die dargestellte Schaltungsanordnung arbeitet in folgender Weise:

Durch den ersten Schalter 5, der ebenso wie die drei weiteren Schalter synchron infolge Ansteuerung durch einen nicht dargestellten Rechteckgenerator betätigt wird, wird mittels des Kondensators 4 aus der einen Gleichspannung U 1 eine Wechselspannung erzeugt, die an der von den Schaltungspunkten 2 und 3 gebildeten Eingangsdiagonale der Brückenschaltung 1 anliegt. Ist die Brückenschaltung 1 einer Beeinflussung durch eine beispielsweise mechanische Größe nicht ausgesetzt, dann ergibt sich an der von den Schaltungspunkten 8 und 9 gebildeten Ausgangsdiagonale keine Spannung; in diesem Fall soll das Ausgangssignal an der Ausgangsleitung 43 einen Wert annehmen, der der Hälfte des maximal zu erwartenden Nutzsignals entspricht. Dies ist dadurch erreicht, daß der eine Spannungsteiler mit den Widerständen 32 und 33 so bemessen ist, daß er bezüglich seiner Widerstandswerte der Bedingung genügt genügt, wobei R 1 den Widerstandswert des Widerstandes 32 und R 2 den Widerstandswert des Widerstandes 33 bezeichnet. Dabei ist dafür gesorgt, daß die Widerstandswerte der Widerstände 26 und 36 in der Steueranordnung 21 übereinstimmen und groß gegenüber jedem der Widerstände 32 und 33 sind. Ist dies gegeben, dann wird bei der synchronen Betätigung des zweiten Schalters 12 und des dritten Schalters 14 über den Verstärker 17 und die Steueranordnung 21 an dem Vergleich- Widerstand 27 eine Spannung Null erfaßt, so daß die Ausgangsleitung 43 eine Spannung der angegebenen Größe führt. Dieses Verhalten bleibt durch eine Änderung der Spannung U 1 unbeeinflußt.

Ändert sich die Spannung an der Ausgangsdiagonale 8-9 der Brückenschaltung 1 in der Weise, daß das Potential am Schaltungspunkt 8 der Ausgangsdiagonale 1 niedriger als das am Schaltungspunkt 9 ist, dann wird dies von dem Verstärker 17 erfaßt und über einen entsprechende Ansteuerung das Transistors 22 der Steueranordnung 21 die Spannung am Vergleich-Widerstand 27 so verändert, daß hier eine Spannung entsteht, die der Spannung an der Ausgangsdiagonale 8-9 entspricht. In diesem Fall ergibt sich an der Ausgangsleitung 43 eine Spannung, die im Bereich oberhalb des halben Wertes des maximalen Nutzsignals liegt.

Dabei ist mittels des weiteren Spannungsteilers aus dem Widerstand 39 und der Diode 38 dafür gesorgt, daß die Ansprechschwelle des Transistors 22 keinen Einfluß auf die Arbeitsweise hat, da beim Umlegen des vierten Schalters 20 auf den einen Kontakt 41 auf den Hilfskondensator 19 eine Spannung übertragen wird, die die Ansprechschwelle des Transistors 22 kompensiert.

Wenn sich die Polarität der Spannung an der Ausgangsdiagonale 8-9 umkehrt, d. h. das Potential am Schaltungspunkt 9 niedriger als das am Schaltungspunkt 8 ist, dann arbeitet die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ebenfalls einwandfrei, weil durch den über die Widerstände 26 und 36 erzeugten Grundstrom durch den Vergleich-Widerstand 27 an diesem eine derartige Vorspannung liegt, daß auch beim größten Signalhub in der eben beschriebenen Betriebsweise der Brückenschaltung noch jeweils eine Spannung am Vergleich-Widerstand 27 über die Steueranordnung 21 erzielbar ist, die der jeweiligen Brückenausgangsspannung entspricht. Genügen die Widerstandswerte R 3 und R 4 der Widerstände 26 und 36 der Bedingung dann ist der Grundstrom von Änderungen der Spannung U 1 unbeeinflußt. Die Spannung an der Ausgangsleitung 43 liegt im Bereich zwischen dem Wert Null und dem halben Wert des maximalen Nutzsignals.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung mit einer Brückenschaltung mit auf mechanische Spannungsänderungen ansprechenden Widerständen, insbesondere Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen, bei der an einer Eingangsdiagonale der Brückenschaltung eine Wechselspannung liegt und an einer Ausgangsdiagonale eine Meßwerterfassungseinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltungspunkt (2) der Eingangsdiagonale (2-3) über einen Kondensator (4) und einen ersten Schalter (5) abwechselnd an eine Gleichspannungsquelle (U 1) und an Bezugspotential legbar ist, während der andere Schaltungspunkt (3) der Eingangsdiagonale (2-3) auf Bezugspotential liegt, daß ein Schaltungspunkt (8) der Ausgangsdiagonale (8-9) mittels eines synchron mit dem ersten Schalter (5) betätigbaren zweiten Schalter (12) abwechselnd mit einem Eingang eines Verstärkers (17) und einem Ende (28) eines Vergleich-Widerstandes (27) der Meßwerterfassungseinrichtung (10) und der andere Schaltungspunkt (9) der Ausgangsdiagonale (8-9) mittels eines mit dem ersten Schalter (5) synchron betätigbaren dritten Schalters (14) abwechselnd mit einem weiteren Eingang des Verstärkers (17) und dem anderen Ende (30) des Vergleich-Widerstandes (27) verbindbar ist und daß das eine Ende (28) des Vergleich-Widerstandes (27) mit dem Ausgang einer Steueranordnung (21) der Meßwerterfassungseinrichtung (10) und das andere Ende (30) des Vergleich-Widerstandes (27) mit dem Abgriff (31) eines Spannungsteilers (32, 33) verbunden ist, der einerseits an der einen Gleichspannungsquelle (U 1) und andererseits an Bezugspotential liegt, wobei die Steueranordnung (21) eingangsseitig an dem Ausgang (18) des Verstärkers (17) angeschlossen ist und an dem Vergleich-Widerstand (27) einen Spannungsabfall erzeugt, der der jeweiligen Spannung an der Ausgangsdiagonale (8-9) entspricht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung (21) einen Transistor (22) enthält, dessen Kollektor-Anschluß einerseits mit dem einen Ende (28) des Vergleich-Widerstandes (27) und andererseits über einen Kollektor-Widerstand (26) mit der einen Gleichspannungsquelle (U 1) verbunden ist, daß der Ausgang (18) des Verstärkers (17) über einen mit dem ersten Schalter (5) synchron betätigbaren vierten Schalter (20) und ein Siebglied (23, 24) mit dem Basis-Anschluß des Transistors (22) verbunden ist und daß der über einen Emitter-Widerstand (42) mit dem Bezugspotential verbundene Emitter-Anschluß des Transistors (22) einen Abgriff zur Abnahme einer der Spannung an der Ausgangsdiagonale (8-9) proportionalen Spannung bildet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ausgang des Verstärkers (17) ein Hilfskondensator (19) angeschlossen ist, der über den vierten Schalter (20) abwechselnd mit dem Basis-Anschluß des Transistors (22) und einem Abgriff (40) eines weiteren Spannungsteilers (38, 39) verbindbar ist, und daß der weitere Spannungsteiler (38, 39) aus einem Widerstand (39) und einer Diode (38) besteht, wobei der Widerstand (39) an einer weiteren Gleichspannungsquelle (U 2) und die Diode (38) an dem Bezugspotential liegt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Vergleich-Widerstandes (27) über einen Zusatzwiderstand (36) an der weiteren Gleichspannungsquelle (U 42) liegt.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor-Widerstand (26) und der Zusatzwiderstand (36) so bemessen sind, daß sie groß gegenüber den Widerständen (32, 33) des einen Spannungsteilers sind und der Quotient aus dem Widerstandswert des Zusatzwiderstandes (36) und der Summe der Widerstandwerte von Kollektor- und Zusatzwiderstand (26, 36) ¼ beträgt.

6. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter elektronische Schalter (5, 12, 14, 20) sind und zur Steuerung an einem Rechteckgenerator angeschlossen sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Gleichspannungsquelle eine derart temperaturgesteuerte Gleichspannungsquelle ist, daß die von ihr an die Schaltungsanordnung (1) abgegebene Gleichspannung (U 1) sich entsprechend gegenläufig zur temperaturabhängigen Änderung der Empfindlichkeit der Brückenschaltung (1) ändert.