DE3732756A1 - kapazitaetsdifferenzen circuit arrangement for measuring small - Google Patents

kapazitaetsdifferenzen circuit arrangement for measuring small

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DE3732756A1 DE19873732756 DE3732756A DE3732756A1 DE 3732756 A1 DE3732756 A1 DE 3732756A1 DE 19873732756 DE19873732756 DE 19873732756 DE 3732756 A DE3732756 A DE 3732756A DE 3732756 A1 DE3732756 A1 DE 3732756A1
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605Measuring capacitance

Abstract

Two frequency-determining measuring capacitors (C1, C2) are associated with respective square-wave generators (1,2) and are oppositely adjusted, this change being converted into a proportional mark-space ratio change of a periodic output signal. Non-electrical quantities, in particular angles, can be measured by means of the resulting capacitive sensor. A respective presettable counter (3, 4) is connected downstream of each square-wave generator (1, 2). The output of the first counter (3) is connected to a negator (5) and to a release input of the second square-wave generator (2). The first square.wave generator (1) is blocked or released by way of the output of the negator (5) and the second counter (4) is reset. The first counter (3) is reset from the output of the second counter (4). The second square-wave generator (2) is blocked or released from the output of the first counter (3). Hence the counters (3, 4) operate alternately and a periodic output signal is obtained at the output of the negator (5) which has a mark-space ratio proportional to the change in the measuring capacitors (C1, C2). <IMAGE>

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung Field of the Invention

Die Erfindung dient der kapazitiven Meßwertgewinnung und ist in der Prozeßmeßtechnik zur Messung nicht elektrischer Größen, insbesondere zur Winkelmessung mittels kapazitiver Sensoren verwendbar. The present invention is of the capacitive obtaining measured values ​​and can be used in the process measurement for measuring non-electrical quantities, especially for angle measurement by means of capacitive sensors.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Characteristic of the prior art

Von H. Hoffrichter wird in Rundfunk/Fernsehen/Elektronik, Berlin 33 (1984), H. 11, S. 717 ein kapazitiver Meß wandler beschrieben, wobei eine kapazitive Brücken schaltung, die mit einem periodischen Signal ge speist wird, verwendet wird. , Is used by H. Richter Hoff is in radio / TV / electronic, Berlin 33 (1984), H. 11, pp 717, a capacitive transducer described wherein a capacitive bridge circuit, which is ge with a periodic signal fed.

Die Meßkapazitäten sind Bestandteil der Brückenschal tung, deren Brückendiagonalspannung bei Änderung der Meßkapazitäten ausgewertet wird. The measuring capacitances are processing component of the bridge scarf whose bridge diagonal voltage is evaluated when changing the measuring capacitances. Nachteilig bei Brückenschaltungen sind die Notwendigkeit des Einsatzes eng tolerierter Bauelemente innerhalb der Brücke und die starke Temperaturdrift. A disadvantage of bridge circuits are the necessity of using close-tolerance components within the bridge and the strong temperature drift. Eine Anwendung bei stark wechselnden Umgebungstemperaturen ist daher nicht möglich. An application under strongly varying ambient temperatures is not possible.

In der DD-PS 1 86 873 wird eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung beschrieben, die aus zwei über je eine Stromquelle aufladbaren und über je einen parallel geschalteten Transistor entladbaren Meßkapazitäten besteht. In DD-PS 1 86 873 a circuit arrangement for capacitive obtaining measured values ​​will be described, the rechargeable two via a respective current source and is via a respective parallel-connected transistor dischargeable measuring capacitances. Dabei wird jeweils eine Meß kapazität bis zum Erreichen einer Triggerschwelle auf geladen, während die andere Meßkapazität durch einen Transistor kurzgeschlossen ist. Here, a measurement is in each case capacity until reaching a threshold to trigger loaded, while the other measuring capacitor is short-circuited by a transistor. Bei Erreichen der Triggerschwelle wird die zuvor aufgeladene Meßkapazität kurzgeschlossen und die andere Meßkapazität aufgeladen, so daß am Ausgang der Anordnung eine Schwingung ent steht, deren Tastverhältnis proportional zur Kapazitäts differenz der beiden Meßkapazitäten ist. Upon reaching the trigger threshold, the previously-charged measuring capacitor is short-circuited and the other measured capacitance charged so that an oscillation is ent at the output of the arrangement, the duty ratio difference proportional to the capacitance of the measuring capacitances is.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist die Temperatur drift, welche durch die Kollektor-Emitter-Sperrschicht kapazität der Schalttransistoren, die den Meßkapa zitäten parallel geschaltet sind, verursacht wird und insbesondere bei kleinen Meßkapazitätsänderungen große Meßwertverfälschungen hervorruft. A disadvantage of this arrangement is the temperature drift which is determined by the collector-emitter junction capacitance of the switching transistors, which are the Meßkapa capacities connected in parallel, and, in particular caused causes large measured value falsifications in small Meßkapazitätsänderungen. Nachteilig ist weiterhin, daß zur Nullpunkteinstellung das Tast verhältnis von 1 : 1 am Ausgang der Anordnung nur mit relativ hohem Abgleichaufwand eingestellt werden kann, da die schaltungsbedingten unterschiedlichen Trigger schwellwerte der Komperatoren nur durch Abgleich der Stromquelle oder durch Einfügen von Abgleichkapa zitäten zu den Meßkapazitäten ausgeglichen werden können. that, for zeroing the momentary ratio of 1 further disadvantage is: 1 can be adjusted only with relatively high adjustment effort at the output of the arrangement, since the switching-different trigger thresholds of the comparators capacities only by adjustment of the power source or by inserting Abgleichkapa offset to the measuring capacitances can be.

Ziel der Erfindung OBJECT OF THE INVENTION

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zur kapazitiven Meßwertgewinnung zu schaffen, die bei einer hohen Meßgenauigkeit einen geringen Abgleichauf wand erfordert und gegen starke Umgebungstemperatur schwankungen unempfindlich ist. The aim of the invention is to provide a circuit arrangement for capacitive obtaining measured values, which requires a low wall Abgleichauf at a high measurement accuracy and fluctuations to severe ambient temperature is insensitive. Der Meßfehler ist auch bei starken Umgebungstemperaturschwankungen minimal zu halten. The measurement error is to keep a minimum even at high ambient temperature.

Darlegung des Wesens der Erfindung Principle of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Kapazitäts differenzen zu schaffen, wobei zwei gegensinnig ver änderbare Meßkapazitäten jeweils mit einem Rechteck generator verbunden sind und deren Schwingfrequenzen beeinflussen. The invention has for its object to provide a circuit arrangement for measuring small differences capacity, wherein two oppositely ver changeable measurement capacitances are each connected to a square wave generator and influence their oscillating frequencies. Am Ausgang der Schaltungsanordnung ent steht ein periodisches Ausgangssignal, dessen Tast verhältnis sich proportional zur Kapazitätsdifferenz der beiden Meßkapazitäten ändert. At the output of the circuit arrangement ent is a periodic output signal whose relationship Tast is proportional to the capacitance difference between the two measuring capacitances change.

Zur Nullpunkteinstellung soll ein einfach abgleich bares periodisches Ausgangssignal mit einem Tastver hältnis 1 : 1 erzeugt werden. For zeroing an easy adjustment bares periodic output signal with a pulse duty ratio of 1 to 1 are generated.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jedem Rechteckgenerator 1, 2 ein voreinstellbarer Zähler 3, 4 nachgeschaltet ist und der Ausgang des ersten Zählers 3 mit dem Freigabeeingang des zweiten Rechteckgenerators 2 und dem Eingang eines Negators 5 verbunden ist. According to the invention, the object is achieved in that each square wave generator 1, 2, a presettable counter 3, 4 is connected downstream and is connected to the output of the first counter 3 to the enable input of the second square-wave generator 2 and the input of an inverter. 5 Der Ausgang des zweiten Zählers 4 ist an den Rückstelleingang des ersten Zählers 3 ge schaltet. The output of the second counter 4 is switched to the reset input of the first counter 3 ge. Der das periodische Ausgangssignal führende Ausgang des Negators 5 ist mit dem Freigabe eingang des ersten Rechteckgenerators 1 und dem Rück stelleingang des zweiten Zählers 4 verbunden. Of the periodic output signal leading output of the inverter 5 is connected to the enable input of the first square wave generator 1 and to the reset input of the second counter 4 is connected.

Entsprechend dem voreingestellten Wert am ersten Zähler 3 wird bis zum Erreichen des maximalen Zähler standes der zweite Rechteckgenerator 2 gesperrt. In accordance with the preset value at the first counter 3, the second square-wave generator 2 is locked up to reaching the maximum counter state. Bei Erreichen des maximalen Zählerstandes am ersten Zähler 3 wird der zweite Rechteckgenerator 2 freige geben, über den Negator 5 der zweite Zähler 4 zurück gesetzt und der erste Reckteckgenerator 1 gesperrt. Upon reaching the maximum count at the first counter 3, the second square wave generator will be 2 freige set through the inverter 5, the second counter 4 and the first back Reckteckgenerator 1 locked.

Erreicht nunmehr der zweite Zähler 4 seinen maximalen Zählerstand, wird der erste Zähler 3 vom Ausgangs signal des zweiten Zählers 4 zurückgesetzt, der zweite Rechteckgenerator 2 gesperrt und der erste Rechteckgenerator 1 freigegeben. Now reached the second counter 4 its maximum count, the first counter 3 from the output is inhibited signal of the second counter 4 is reset, the second square-wave generator 2 and the first square wave generator 1 is enabled. Somit entsteht am Ausgang des Negators 5 ein periodisches Ausgangs signal, dessen Tastverhältnis proportional zur Änderung der Kapazitätsdifferenz der beiden Meßkapazitäten C 1 und C 2 ist. Thus, at the output of the inverter 5, a periodic output signal whose duty cycle is proportional to the change in the capacitance difference of the two measuring capacitances C 1 and C 2 is formed. Durch die als Frequenzteiler geschalteten Zähler 3 und 4 wird die Auswertung mehrerer Meßzyklen möglich, wodurch eine hohe Meßgenauigkeit erreicht wird und die Nullpunkteinstellung durch entsprechende Einstellung des Zählerstandes auf einfache Art und Weise realisierbar ist. By connected as a frequency divider counter 3 and 4, the evaluation of a plurality of measurement cycles is possible, whereby a high accuracy of measurement is achieved, and the zero point adjustment can be achieved by appropriate adjustment of the count in a simple manner.

Ausführungsbeispiel embodiment

Die Erfindung soll anhand nachfolgendem Ausführungs beispiel näher erläutert werden. The invention is described in such detail with reference to subsequent execution.

Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung. Fig. 1 shows an advantageous embodiment of the inventive circuit arrangement.

Zwei Meßkapazitäten C 1 und C 2 , die durch einen kapa zitiven Winkelwertgeber gegensinnig verändert werden, sind als frequenzbestimmende Glieder mit je einem Rechteckgenerator 1, 2 verbunden. Two measuring capacitances C 1 and C 2 which are changed in opposite directions by a kapa zitiven angle encoder are connected as frequency determining elements, each with a square-wave generator. 1, 2 Am Ausgang der Rechteckgeneratoren 1, 2 ist jeweils ein als Frequenz teiler geschalteten Zähler 3 bzw. 4 angeordnet. At the output of the square wave generators 1, 2 are each connected as a frequency divider counter 3 and 4 is arranged. Der Ausgang des ersten Zählers 3 ist mit dem Eingang eines Negators 5 und dem Freigabeeingang des zweiten Rechteckgenerators 2 verbunden. The output of the first counter 3 is connected to the input of an inverter 5, and the enable input of the second square-wave generator. 2 Entsprechend dem am ersten Zähler 3 voreingestellten Wert werden vom ersten Zähler 3 die Rechteckimpulse des Rechteck generators 1 bis zum Erreichen des maximalen Zähler standes gezählt. According to the preset value on the first counter 3 are counted by the first counter 3, the square-wave pulses of the square wave generator 1 to reach the maximum count. Beim Erreichen des maximalen Zähler standes am ersten Zähler 3 ändert dieser sein Aus gangspotential, womit der Rechteckgenerator 2 frei gegeben und gleichzeitig der Rechteckgenerator 1 über den Negator 5 gesperrt wird. Upon reaching the maximum count at the first counter 3 this be from changes junction potential, thus freely given the square-wave generator 2 and at the same time the square wave generator 1 is disabled through the inverter. 5 Weiterhin wird der zweite Zähler 4 vom Ausgangssignal des Negators 5 zurückgesetzt. Further, the second counter 4 from the output signal of the inverter 5 is reset. Erreicht der zweite Zähler 4 seinen maximalen Zählerstand wird vom Ausgang des zweiten Zählers 4 der erste Zähler 3 zurückgesetzt, wodurch der Rechteckgenerator 2 gesperrt und der Rechteckgenerator 1 über den Negator 5 freigegeben wird. Reaches the second counter 4 its maximum count is from the output of the second counter 4, the first counter 3 is reset, thereby blocking the square-wave generator 2 and the square wave generator 1 is enabled through the inverter. 5

Somit entsteht am Ausgang des Negators 5 ein periodisches Ausgangssignal, dessen Abweichung vom Tastverhältnis 1 : 1 der Änderung der Kapazitätsdiffe renz zwischen den beiden Meßkapazitäten C 1 , C 2 proportional ist. 1 the change of the Kapazitätsdiffe ence between the two measuring capacitances C 1, C 2 is proportional to: Thus, at the output of the inverter 5, a periodic output signal whose deviation from the ratio 1 arises.

Durch ein dem Negator 5 nachgeschalteten Tiefpaß 6 wird das periodische Ausgangssignal in eine analoge Größe umgewandelt, so daß am Ausgang des Tiefpasses 6 eine Gleichspannung meßbar ist, die der Größe der Änderung der Kapazitätsdifferenz zwischen den Meßkapa zitäten C 1 , C 2 und damit der Größe des gemessenen Winkelwertes analog ist. By the inverter 5 downstream low-pass filter 6, the periodic output signal is converted into an analog quantity, so that a DC voltage can be measured at the output of low-pass filter 6, the capacities of the size of the change in the capacitance difference between the Meßkapa C 1, C 2, and thus the size the measured angle value is analog.

  • Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1, 2 Rechteckgenerator List of reference numerals used 1, 2 square wave generator
    3, 4 voreinstellbarer Zähler 3, 4 presettable counter
    5 Negator 5 inverter
    6 Tiefpaß 6 lowpass
    C 1 , C 2 gegensinnig veränderbare Meßkapazitäten C 1, C 2 in opposite directions variable measuring capacitances

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Kapazitäts differenzen, wobei zwei gegensinnig veränderbare Meßkapazitäten jeweils mit einem Rechteckgenerator verbunden sind und deren Schwingfrequenzen beein flussen, so daß am Ausgang der Schaltungsanordnung ein periodisches Ausgangssignal entsteht, dessen Tastverhältnis sich proportional zur Kapazitäts differenz der beiden Meßkapazitäten ändert, ge kennzeichnet dadurch , daß jedem Rechteckgenerator ( 1, 2 ) ein voreinstellbarer Zähler ( 3, 4 ) nachge schaltet ist, daß der Ausgang des ersten Zählers ( 3 ) mit dem Freigabeeingang des zweiten Rechteck generators ( 2 ) und dem Eingang eines Negators ( 5 ) verbunden ist, daß der Ausgang des zweiten Zählers ( 4 ) an den Rückstelleingang des ersten Zählers ( 3 ) geschaltet ist und daß der das periodische Ausgangs signals führende Ausgang des Negators ( 5 ) mit dem Freigabeeingang des ersten Rechteckgenerators ( 1 ) und dem Rückstelleingang des zweiten Zählers ( 4 ) verbunden 1. A circuit arrangement differences for measuring small capacitance, wherein two oppositely variable measuring capacitances are each connected to a square wave generator and influence imposing their oscillation frequencies, so that at the output of the circuit arrangement, a periodic output signal is produced whose duty cycle is proportional difference to the capacitance of the measuring capacitances change ge is characterized in that each square wave generator (1, 2) a presettable counter (3, 4) nachge switches is that the output of the first counter (3) to the enable input of the second square-wave generator (2) and the input of an inverter (5) is connected, that the output of the second counter (4) is connected to the reset input of the first counter (3) and that of the periodic output signal leading output of the inverter (5) to the enable input of the first square-wave generator (1) and the reset input of the second counter (4) ist. is.
2. Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Kapazitäts differenzen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Negator ( 5 ) ein Tiefpaß ( 6 ) nachgeschaltet ist. 2. A circuit arrangement for measuring small differences capacity according to claim 1, characterized in that the inverter (5) a low-pass filter (6) is connected downstream.
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