DE3732756A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR MEASURING SMALL CAPACITY DIFFERENCES - Google Patents

CIRCUIT ARRANGEMENT FOR MEASURING SMALL CAPACITY DIFFERENCES

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    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

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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 ErfindungField of application 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 invention serves the capacitive acquisition of measured values and is not in process measurement technology for measurement electrical quantities, especially for angle measurement can be used with capacitive sensors.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known 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.From H. Hoffrichter in radio / television / electronics, Berlin 33 (1984), H. 11, p. 717 a capacitive measurement converter described using a capacitive bridges circuit with a periodic signal is fed, is used.

Die Meßkapazitäten sind Bestandteil der Brückenschal­ tung, deren Brückendiagonalspannung bei Änderung der Meßkapazitäten ausgewertet wird. Nachteilig bei Brückenschaltungen sind die Notwendigkeit des Einsatzes eng tolerierter Bauelemente innerhalb der Brücke und die starke Temperaturdrift. Eine Anwendung bei stark wechselnden Umgebungstemperaturen ist daher nicht möglich. The measuring capacities are part of the bridge formwork tion, the bridge diagonal voltage when changing the Measuring capacities is evaluated. A disadvantage of Bridge circuits are the necessity of use components within the bridge and the strong temperature drift. An application at strong changing ambient temperatures is therefore 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. Dabei wird jeweils eine Meß­ kapazität bis zum Erreichen einer Triggerschwelle auf­ geladen, während die andere Meßkapazität durch einen Transistor kurzgeschlossen ist. 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. In DD-PS 1 86 873 there is a circuit arrangement described for the capacitive acquisition of measured values two rechargeable via a power source and one each a transistor connected in parallel can be discharged Measuring capacities exist. One measurement each capacity until a trigger threshold is reached loaded, while the other measuring capacity by one Transistor is shorted. Upon reaching the The trigger capacity becomes the previously charged measuring capacity short-circuited and the other measuring capacity charged, so that a vibration ent at the exit of the arrangement whose duty cycle is proportional to the capacity difference between the two measuring capacities.

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. 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.The disadvantage of this arrangement is the temperature drifting through the collector-emitter junction capacitance of the switching transistors that the Meßkapa are connected in parallel, is caused and especially with small changes in measuring capacity large falsifications of measured values. Disadvantageous is also that the key for zero adjustment ratio of 1: 1 at the output of the arrangement only with relatively high adjustment effort can be set, because the circuit-related different triggers threshold values of the comparators only by comparing the Power source or by inserting adjustment capa capacities to the measuring capacities are balanced can.

Ziel der ErfindungAim 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. Der Meßfehler ist auch bei starken Umgebungstemperaturschwankungen minimal zu halten.The aim of the invention is to provide a circuit arrangement for to create capacitive measured value acquisition, which at a high level of measurement accuracy wall required and against strong ambient temperature is insensitive to fluctuations. The measurement error is  even with strong fluctuations in ambient temperature to keep to a minimum.

Darlegung des Wesens der ErfindungState the nature 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. Am Ausgang der Schaltungsanordnung ent­ steht ein periodisches Ausgangssignal, dessen Tast­ verhältnis sich proportional zur Kapazitätsdifferenz der beiden Meßkapazitäten ändert.The invention has for its object a Circuit arrangement for measuring small capacitance to create differences, with two opposing ver changeable measuring capacities each with a rectangle generator are connected and their oscillation frequencies influence. Ent at the output of the circuit arrangement is a periodic output signal, the key ratio is proportional to the difference in capacity of the two measuring capacities changes.

Zur Nullpunkteinstellung soll ein einfach abgleich­ bares periodisches Ausgangssignal mit einem Tastver­ hältnis 1 : 1 erzeugt werden.A simple adjustment should be made to set the zero point bares periodic output signal with a Tastver ratio 1: 1 can be 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. Der Ausgang des zweiten Zählers 4 ist an den Rückstelleingang des ersten Zählers 3 ge­ schaltet. 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.According to the invention, the object is achieved in that each square-wave generator 1, 2 is followed by a presettable counter 3, 4 and the output of the first counter 3 is connected to the enable input of the second square-wave generator 2 and the input of a negative 5 . The output of the second counter 4 is switched to the reset input of the first counter 3 ge. The periodic output signal leading output of the inverter 5 is connected to the enable input of the first square wave generator 1 and the reset input of the second counter 4 .

Entsprechend dem voreingestellten Wert am ersten Zähler 3 wird bis zum Erreichen des maximalen Zähler­ standes der zweite Rechteckgenerator 2 gesperrt. 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. According to the preset value on the first counter 3 , the second rectangular generator 2 is blocked until the maximum counter is reached. When the maximum counter reading on the first counter 3 is reached, the second rectangular generator 2 is released, the second counter 4 is reset via the negator 5 and the first rectangular generator 1 is blocked.

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. 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. 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.
Now the second counter 4 reaches its maximum counter reading, the first counter 3 is reset by the output signal of the second counter 4 , the second square wave generator 2 is blocked and the first square wave generator 1 is released. A periodic output signal thus arises at the output of the inverter 5 , the pulse duty factor of which is proportional to the change in the capacitance difference of the two measuring capacitances C 1 and C 2 . The counters 3 and 4 , which are connected as frequency dividers, make it possible to evaluate a number of measuring cycles, as a result of which a high measuring accuracy is achieved and the zero point setting can be implemented in a simple manner by appropriately setting the counter reading.

Ausführungsbeispiel Embodiment

Die Erfindung soll anhand nachfolgendem Ausführungs­ beispiel näher erläutert werden.The invention is based on the following embodiment example will be explained in more detail.

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. Am Ausgang der Rechteckgeneratoren 1, 2 ist jeweils ein als Frequenz­ teiler geschalteten Zähler 3 bzw. 4 angeordnet. Der Ausgang des ersten Zählers 3 ist mit dem Eingang eines Negators 5 und dem Freigabeeingang des zweiten Rechteckgenerators 2 verbunden. 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. 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. Weiterhin wird der zweite Zähler 4 vom Ausgangssignal des Negators 5 zurückgesetzt. 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.Two measuring capacitances C 1 and C 2 , which are changed in opposite directions by a capacitive angle value transmitter, are connected as frequency-determining elements to a rectangular generator 1, 2 each. At the output of the square wave generators 1, 2 , a counter 3 and 4 , respectively, connected as a frequency divider is arranged. The output of the first counter 3 is connected to the input of a negator 5 and the enable input of the second rectangular generator 2 . 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. When the maximum counter level is reached on the first counter 3 , this changes its output potential, thereby releasing the rectangular generator 2 and simultaneously blocking the rectangular generator 1 via the negator 5 . Furthermore, the second counter 4 is reset by the output signal of the negator 5 . When the second counter 4 reaches its maximum counter reading, the output of the second counter 4 resets the first counter 3 , as a result of which the square wave generator 2 is blocked and the square wave generator 1 is released via the negator 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.A periodic output signal thus arises at the output of the negator 5 , the deviation of which from the pulse duty factor 1: 1 is proportional to the change in the capacitance difference between the two measuring capacitances C 1 , C 2 .

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 into an analog quantity is converted 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 of the measured angle value is analog.

  • Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen 1, 2  Rechteckgenerator
    3, 4 voreinstellbarer Zähler
     5 Negator
     6 Tiefpaß
    C 1, C 2 gegensinnig veränderbare Meßkapazitäten    List of the used reference numerals 1, 2 rectangular generator
    3, 4 presettable counters
    5 negator
    6 low pass
    C 1 , C 2 oppositely changeable measuring capacities

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 ist.1. Circuit arrangement for measuring small capacitance differences, two mutually changeable measuring capacitances are each connected to a square-wave generator and their oscillation frequencies influence, so that a periodic output signal arises at the output of the circuit arrangement, the pulse duty factor changes in proportion to the capacitance difference of the two measuring capacitances, ge Characterized in that each square wave generator ( 1, 2 ) is preconfigured counter ( 3, 4 ) that the output of the first counter ( 3 ) with the enable input of the second square wave generator ( 2 ) and the input of a negator ( 5 ) is connected that the output of the second counter ( 4 ) is connected to the reset input of the first counter ( 3 ) and that the periodic output signal-carrying output of the negator ( 5 ) with the enable input of the first square wave generator ( 1 ) and the reset input of second counter ( 4 ) is connected. 2. Schaltungsanordnung zur Messung kleiner Kapazitäts­ differenzen nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß dem Negator (5) ein Tiefpaß (6) nachgeschaltet ist.2. Circuit arrangement for measuring small capacitance differences according to claim 1, characterized in that the negator ( 5 ) is followed by a low-pass filter ( 6 ).
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