DE3813732A1 - Schaltung zur verarbeitung eines pseudoschwingungssignals, insbesondere fuer einen induktiven naehrungsfuehler - Google Patents

Schaltung zur verarbeitung eines pseudoschwingungssignals, insbesondere fuer einen induktiven naehrungsfuehler

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Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Verarbeitung eines von einem Schwingkreis erzeugten Pseudoschwingungssignal insbesondere für einen induktiven Näherungsfühler oder eine ähnliche Vorrichtung.
Ein Näherungsfühler mit einem Resonanzkreis wird in der französischen Patentanmeldung 86 13 359 vom 19. September 1986 beschrieben. Der Resonanzkreis besitzt einen Kondensa­ tor, zu dem eine Spule parallelgeschaltet ist, die durch ein abzutastendes Objekt beeinflußbar ist, und ist mit ei­ ner Speisung über einen statischen Schalter verbunden, der durch Steuerimpulse, die durch einen Verarbeitungskreis erzeugt werden, gesteuert ist.
Je nach dem Zustand der Steuerimpulse ist der Schalter ge­ schlossen oder offen und wird der Resonanzkreis durch die Speisung geladen bzw. entlädt sich mit einer in Abhängig­ keit von dem abgetasteten Objekt veränderlichen Dämpfung.
Der Verarbeitungskreis enthält einen Vergleicher und eine logische Schaltung. Der Vergleicher vergleicht die Relaxa­ tionsspannung des Resonanzkreises mit einer Schwelle und erzeugt Meßimpulse, die das Vorhandensein und die Entfernung eines elektrisch leitenden Objekts wiedergeben; die Meßimpulse werden auf die logische Schaltung übertragen, die einerseits einem Auswertungsorgan mit numerischem Eingang ein Meßsignal liefert und andererseits die Schließ- und Öffnungszyklen des statischen Schalters steuert.
Der beschriebene Näherungsfühler hat den Vorteil, daß er die Abtastung sogar sehr naher Objekte gestattet und gleich­ zeitig eine direkte numerische Verarbeitung der analogen Entfernungsinformation erleichtert.
Es erscheint wünschenswert, den Verarbeitungskreis eines solchen Näherungsfühlers - oder einer anderen ähnlichen Vorrichtung, die einen beeinflußbaren Resonanzkreis vor­ sieht - in Form einer integrierten Schaltung auszuführen, die an die MOS-Technologie angepaßt ist, und den Verbrauch dieser Schaltung zu verringern.
Ferner wäre es in einer solchen Schaltung zweckmäßig, die erforderlichen Justierungen zu verringern oder auszuschal­ ten und eine Selbstkompensierung der Temperatur- und Speise­ spannungsabweichungen zu gewährleisten.
Ziel der Erfindung ist es insbesondere, eine diesen Wünschen entsprechend ausgebildete Verarbeitungsschaltung der oben beschriebenen Art zu schaffen.
Gemäß der Erfindung ist die Verarbeitungsschaltung so aus­ gebildet, daß der Schwingkreis auf der einen Seite mit dem hohen Potential der Speisung verbunden ist und auf der ande­ ren Seite abwechselnd mit einem Potential, das gleich der Hälfte dieses hohen Potentials der Speisung ist, und mit dem niedrigen Potential der Speisung verbunden ist, wobei diese abwechselnde Verbindung durch einen zweiten statischen Schalter bestimmt ist, der synchron mit dem ersten Schalter steuerbar ist.
Im nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In dieser Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Verarbeitungsschaltung,
Fig. 2 eine Abwandlung eines Teils der Schaltung von Fig. 1 und
Fig. 3 bis 9 Diagramme verschiedener charakteristischer Signale der Schaltung.
Die dargestellte Verarbeitungsschaltung ist für einen induk­ tiven Näherungsfühler bestimmt. Sie enthält einen Schwing­ oder Resonanzkreis 10, der eine Spule mit der Induktanz L 1 und einen hierzu parallelgeschalteten Kondensator mit der Kapazität C 1 sowie einen mit der Spule L 1 in Reihe geschalte­ ten kleinen Widerstand R 1, der die Verluste darstellt, ent­ hält.
Die Spule ist durch die Nähe von elektrisch leitenden Objek­ ten beeinflußbar, und daraus ergibt sich, daß die Dämpfung des Schwingkreises sich in Abhängigkeit von dieser Nähe ändert.
Ein erster Anschluß 10 a des Schwingkreises 10 ist über einen in Reihe geschalteten Schalter I 1 mit einer Energiequelle verbunden, und zwar genauer gesagt über eine Stromquelle 12, die konstanten Strom liefert und an die das hohe Potential V DD der Speisung angelegt ist. An einen zweiten Anschluß 10 b des Schwingkreises wird entweder eine Spannung V DD/2 oder das niedrige Potential der Speisung - im vorliegenden Fall null Volt - über im nachstehenden beschriebene Einrichtun­ gen angelegt.
Ein "heißer" Punkt A des Schwingkreises ist einerseits mit einem Eingang einer logischen Schaltung 13 und andererseits mit einem Signaleingang 15 eines Vergleichers 14 verbunden, wobei die logische Schaltung 13 und der Vergleicher 14 einen Teil der Verarbeitungsschaltung bilden. Der Vergleicher besitzt einen Schwelleneingang 16, der mit einem Punkt C verbunden ist, der auf ein Schwellenpotential V REF gebracht ist, das gleich VDD/2 + EREF ist. Der Ausgang 17 des Ver­ gleichers ist mit einem Eingang der logischen Schaltung 13 verbunden, so daß an diesen Eingang aus Rechteckimpulsen bestehende Impulse S 1 angelegt werden, deren Breite dem Überschreiten des Schwellenpotentials V REF durch die Span­ nung V A des Schwingkreises entspricht. Die logische Schal­ tung erhält andererseits Impulse SO, deren jeder einen Lade­ und Entladezyklus des Schwingkreises 10 auslöst.
Die logische Schaltung 13 besitzt logische Einrichtungen und Zähl- und Freigabeeinrichtungen, mit deren Hilfe sie einerseits an einen mit der Steuerelektrode des Schalters I 1 verbundenen Ausgang Impulse S 2 zur Steuerung der Schließ­ und Öffnungszyklen von I1 und andererseits an einem Ausgang, der mit einem Auswertungsorgan mit numerischem Eingang verbunden sein kann, ein Signal S 3 erzeugen kann, das das Vorhandensein und die Ent­ fernung eines elektrisch leitenden Objekts wiedergibt.
Ein "kalter" Punkt B des Schwingkreises ist einerseits mit dem Mittelpunkt D einer Teilerbrücke, die aus zwei Wider­ ständen R 2 und R 3 mit demselben hohen Wert besteht, und andererseits mit dem niedrigen Potential der Speisung über einen statischen Schalter I 2 verbunden. Die Widerstände R 2 und R 3 sind mit dem hohen Potential V DD bzw. dem niedri­ gen Potential der Speisung verbunden. Die Punkte B und D sind somit auf VDD/2, so daß den Schwankungen der Speise­ spannung gefolgt werden kann. Der Schalter I 2 wird synchron mit dem Schalter I 1 durch die durch die logische Schaltung 13 erzeugten Signale S 2 gesteuert. Der Punkt B ist also außer während des kurzen Ladeimpulses des Schwingkreises auf VDD/2, und zwar durch Verwendung einer Widerstandsbrücke R 2, R 3 mit geringem Verbrauch.
In der erfindungsgemäßen Verarbeitungsschaltung wird die Bezugsspannung V REF hergestellt, ohne daß eine zweite Wider­ standsbrücke erforderlich ist. Zu diesem Zweck ist der Punkt C der Verarbeitungsschaltung einerseits mit dem Potential V DD über eine erste Stromquelle 18 und andererseits mit dem Punkt D über einen verstellbaren Widerstand R 4 verbun­ den, der seinerseits mit dem niedrigen Potential über eine zweite Stromquelle 19 verbunden ist, die denselben Strom entnimmt, wie er von der Quelle 18 eingegeben wird. Auf diese Weise bleibt der Punkt B auf dem Potential V DD/2, da der Strom i, der den Widerstand R 4 durchquert, nicht die Widerstände R 2, R 3 durchquert. Außerdem können die Strom­ quellen 18, 19 aus Transistoren bestehen, die durch densel­ ben Basisstrom gesteuert werden. Die Verstellung von R4 gestattet die Einstellung der Schwelle des Vergleichers 14.
Die Stromquellen 12, 18, 19 können auf zweckmäßige Weise ohne Schwierigkeit so ausgebildet sein, daß sie sich auf identische Weise in Abhängigkeit von der Temperatur und der Speisespannung V DD ändern.
Der Punkt C ist mit dem Punkt D über eine Kapazität C 2 ver­ bunden, die parallel zu dem Schwellenwiderstand R 4 angeord­ net ist; der Punkt D ist mit dem niedrigen Potential über eine Kapazität C 3 verbunden, die zu dem Widerstand R 3 und der Stromquelle 19 parallelgeschaltet ist. Der Wert der Kapazitäten C 2, C 3 ist höher als der der Störkapazitäten C p , Cp′ am Eingang des Vergleichers 14. Diese Kapazitäten C 2, C 3 bewirken eine wechselweise Entkoppelung der Spannungs­ bezugspunkte C und D und verhindern einerseits, daß die Spannung am Punkt A negativ wird, wenn das Potential des Punktes 8 von Null auf VDD/2 übergeht, und andererseits, daß die Störkapazitäten den Resonanzkreis in ungewünschter Weise dämpfen.
Ein dritter statischer Schalter I 3, dessen Zustand zu dem der Schalter I 1, I 2 komplementär ist, ist in der Verbindung zwischen den Punkten B und D vorgesehen, um zu vermeiden, daß die Entkopplungskapazitäten C 2, C 3 sich in den niedrigen Punkt der Speisung entladen, wenn der Schalter I 2 geschlos­ sen ist. Die Schalter I 1, I 2, I 3 werden synchron durch die Impulse S 2 gesteuert.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Abwandlung ist ein synchron mit I1, I 2 und I 3 steuerbarer Umschalter I 4 zwischen dem Schwelleneingang 16 des Vergleichers 14 einerseits und - je nach dem Zustand des Umschalters - dem Punkt C oder dem niedrigen Potentialpunkt der Speisung andererseits ange­ ordnet ist. Auf diese Weise kann während der Ladung des Schwingkreises die Spannung am Punkt A mit dem niedrigen Punkt der Speisung verglichen werden, so daß der Ausgang des Vergleichers seinen Zustand ändert, wenn V A durch Null geht. Die logische Schaltung 13 ist so ausgebildet, daß nun der Steuerimpuls S 2 aufhört, so daß die Ladung des Schwingkreises automatisch eingestellt wird.
Der Schwingkreis 10, der hier als ein Parallelresonanzkreis dargestellt ist, der durch eine konstante Stromquelle ge­ speist wird, kann gemäß einer Abwandlung auch ein Serien­ resonanzkreis sein, der über eine konstante Spannungsquelle gespeist wird. In diesem Fall ist der mit dem Eingang 15 des Vergleichers verbundene heiße Punkt A der Schaltung der Punkt zwischen der Induktanz L und der Kapazität C des Schwingkreises. Statt der Abtastung des Nulldurchgangs von V A findet hierbei eine Abtastung des Nulldurchgangs des Stroms im Schwingkreis statt.
Im folgenden wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Verarbeitungsschaltung anhand der Fig. 3 bis 9 beschrieben. Der Anschaulichkeit halber wurde nur eine kleine Anzahl von Schwingungen dargestellt.
Fig. 3 zeigt das Signal SO, das in Form von Impulsen zum Zeitpunkt t o gesendet wird, um die logische Schaltung 13 zur Auslösung eines Lade- und Entladezyklus des Schwing­ kreises zu steuern. Die Frequenz des Signals SO wird bei­ spielsweise durch einen Oszillator bestimmt. Gemäß einer Abwandlung kann dieses Signal auch bei jedem Zyklusende regeneriert werden.
Fig. 4 zeigt das von der logischen Schaltung 13 erzeugte Signal S 2 zur Steuerung der Unterbrecher I 1- I 4. Zum Zeit­ punkt t o geht das Steuersignal S 2 in Reaktion auf den Aus­ löseimpuls S 0 in den oberen Zustand über. Infolgedessen schließt sich der Schalter I 1, so daß der Schwingkreis über die konstante Stromquelle 12 aufgeladen wird (vgl. Fig. 5). Der Schalter I 2 schließt sich ebenfalls zum Zeitpunkt t o , so daß das Potential am Punkt B (Fig. 6) auf 0 Volt über­ geht. Der Schalter I 3 öffnet sich, um zu vermeiden, daß die Entkopplungskapazitäten C 2, C 3 sich über I2 entladen. Der Umschalter I 4 wird zum Zeitpunkt t o in die Stellung umgeschaltet, in der er eine Verbindung des Eingangs 16 des Vergleichers mit der Masse herstellt.
Somit geht das Ausgangssignal S 1 des Vergleichers 14 zum Zeitpunkt t o in sein oberes Niveau über. Das Potential in A entwickelt sich auf die in Fig. 5 gezeigte Weise und ge­ langt dann zum Zeitpunkt t o + To/2 wieder auf Null, wobei T o die Pseudoschwingungsperiode des Schwingkreises ist. Infolgedessen kehrt das Ausgangssignal S 1 des Vergleichers zu seinem unteren Niveau zurück und die logische Schaltung 13 bringt das Signal S 2 in seinen niedrigen Zustand. In­ folgedessen öffnen sich I1 und I2, I 3 schließt sich und I4 stellt die Verbindung zwischen dem Eingang 16 des Ver­ gleichers und dem Punkt C her.
Zum Zeitpunkt t o + To/2 beginnt also die Relaxationsspan­ nung V A des Schwingkreises (Fig. 5), um VDD/2 mit der durch die erfindungsgemäße Anordnung ermöglichten relativ hohen Amplitude zu schwingen. Jedesmal, wenn der Vergleicher V A < VREF feststellt, befindet sich sein Ausgangssignal S 1 im oberen Zustand (Fig. 9). Die logische Schaltung zählt die Fronten der Rechteckimpulse S 1 und erzeugt ein entsprechen­ des Ausgangssignal S 3, das durch eine Vorrichtung mit numeri­ schem Eingang verwertbar ist.
Die beschriebene Verarbeitungsschaltung eignet sich gut für die integrierte Ausführung in der MOS-Technologie. Sie hat einen geringen Verbrauch und erfordert keine Einstel­ lungen beispielsweise infolge von Änderungen der Induktanz der Abtastspule, wobei außerdem Abweichungen in Temperatur und Speisespannung ausgeglichen werden.

Claims (5)

1. Schaltung zur Verarbeitung eines Pseudoschwingungssignals insbesondere für einen induktiven Näherungsfühler oder eine ähnliche Vorrichtung mit einem Schwingkreis (10), der einen Kondensator (C 1) und eine Spule (L 1) enthält, einer Energiequelle, die mit einem ersten Anschluß (10 a) des Schwingkreises über einen ersten Schalter (I 1) ver­ bindbar ist, einem Vergleicher (14), der die Relaxations­ spannung (V A ) des Schwingkreises mit einer vorbestimm­ ten Schwelle (V REF) vergleicht, um Meßimpulse (S 1) zu erzeugen, und einer logischen Schaltung (13), die einer­ seits Impulse (S 2) zur Steuerung der Schließ- und Öff­ nungszyklen des Schalters und andererseits ein Ausgangs­ signal (S 3) in Abhängigkeit von den Meßimpulsen (S 1) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Anschluß (10 b) des Schwingkreises abwech­ selnd mit einem Potential, das im wesentlichen gleich der Hälfte des hohen Potentials (V DD) der Speisung ist, und mit dem niedrigen Potential der Speisung verbunden ist, wobei diese abwechselnde Verbindung durch einen zweiten statischen Schalter (I 2) bestimmt ist, der syn­ chron mit dem ersten Schalter (I 1) durch die logische Schaltung (13) gesteuert ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Anschluß (10 b) des Schwingkreises mit dem Mittelpunkt (D) einer Teilerbrücke (R 2, R 3) verbunden ist und der Vergleicher (14) einen Schwelleneingang (16) besitzt, der mit einem Schwellenpunkt (C) verbunden ist, der einerseits über eine erste Stromquelle (18) mit dem hohen Potential der Speisung und andererseits über einen Schwellenwiderstand (R 4) und eine zweite Stromquelle (19) mit dem niedrigen Potential der Speisung verbunden ist.
3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenpunkt (C) mit dem Mittelpunkt (D) der Tei­ lerbrücke über eine Entkopplungskapazität (C 2) verbun­ den ist, die mit dem Schwellenwiderstand (R 4) parallel­ geschaltet ist, und daß der Mittelpunkt (D) mit dem nie­ drigen Potential der Speisung über eine Entkopplungskapa­ zität (C 3) verbunden ist, die mit dem Widerstand (R 3) parallelgeschaltet ist.
4. Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt (D) der Teilerbrücke (R 2, R 3) mit dem zweiten Anschluß (10 b) des Schwingkreises über einen dritten statischen Schalter (I 3) verbunden ist, der durch die logische Schaltung (13) synchron mit dem ersten und dem zweiten Schalter (I 1, I 2) gesteuert ist.
5. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (14) einen Schwelleneingang (16) besitzt, der über einen statischen Umschalter (I 4), der synchron mit dem ersten und dem zweiten Schalter (I 1, I 2) durch die logische Schaltung (13) gesteuert ist, entweder mit einem mit dem Schwel­ lenpotential (V REF) gekoppelten Punkt (C) oder mit dem niedrigen Potential der Speisung verbunden ist.
DE3813732A 1987-04-23 1988-04-22 Schaltung zur verarbeitung eines pseudoschwingungssignals, insbesondere fuer einen induktiven naehrungsfuehler Granted DE3813732A1 (de)

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