DE3915835A1

DE3915835A1 - Single channel temp. measurement and communication circuit - has differential amplifier and frequency converter to eliminate transducer oscillator accuracy effect

Info

Publication number: DE3915835A1
Application number: DE19893915835
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl Ing Ranft; Thomas Dr Ing Klickermann; Lutz Dr Ing Krause
Original assignee: Nagema VEB
Current assignee: RAPIDO WAAGEN- UND MASCHINENFABRIK GMBH, O-8122 RA
Priority date: 1988-08-26
Filing date: 1989-05-16
Publication date: 1990-03-01
Also published as: DD300203A7; CH679885A5

Abstract

The circuit contains a measurement resistance (3) in a four-wire circuit with a short-circuit switch between its voltage tappings. A differential amplifier (2) and a voltage-to-frequency converter (1) with charge quantity compensation are provided, a sample-and-hold element (16), frequency dividers (10,11)m(10,11), an output stage (14) and other logic elements. The output of the voltage-to-frequency converter is connected via an AND circuit (12) to an output stage (9) pref. contg. an optical transmitter. The further inputs of the AND circuit are connected via the frequency dividers and a delay gate to the internal oscillator of the transducer. The frequency divider is designed to produce a definite duty cycle. USE/ADVANTAGE - For use in process automation applications. The circuit design ensures that the accuracies of the current supply and oscillator have no influence on the number of pulses transmitted.

Description

Die Erfindung betrifft eine einkanalige Temperaturmeß- und Übertragungsschaltung, insbesondere mit Lichtwellenleitern unter Verwendung bekannter Baugruppen. Sie ist überall dort anwendbar, wo Temperaturen mit Widerstandsthermometern ge nau gemessen werden und eine einkanalige Meßwertübertragung in digitaler Form zu einer Empfangsstation erfolgen sollen. Einsatzgebiete gibt es in der Prozeß- und Automatisierungs technik. Darüber hinaus ist durch den Einsatz geeigneter anderer resistiver Wandler auch die genaue Bestimmung anderer technisch-physikalischer Größen möglich.The invention relates to a single-channel temperature and Transmission circuit, in particular with optical fibers using known assemblies. It is everywhere applicable where temperatures with resistance thermometers ge be measured accurately and a single-channel transmission of measured values to be done in digital form to a receiving station. There are areas of application in process and automation technology. In addition, by using more appropriate other resistive transducers also the exact determination other technical-physical quantities possible.

Zur Erzielung höchster Genauigkeiten bei der Temperatur messung ist zum Beispiel nach DD-PS 2 05 524 oder DE-OS 33 21 862 bekannt, den Spannungsabfall des Meßwiderstandes und eines Referenzwiderstandes, die bei mit demselben Strom gespeist werden, abwechselnd einer A/D-Wandlung zuzu führen, mit rechentechnischen Mitteln aus beiden Meßwerten den Temperaturwert zu berechnen und zur Anzeige zu bringn. Durch dieses hochgenaue Vergleichsverfahren werden die Drift- und Offseteinflüsse einer eventuell notwendigen Verstärkung und der A/D-Wandlung beseitigt.To achieve the highest accuracy in temperature Measurement is, for example, according to DD-PS 2 05 524 or DE-OS 33 21 862 known, the voltage drop of the measuring resistor and a reference resistor, which with the same Electricity are fed alternately to an A / D conversion lead with computational means from both measured values calculate the temperature value and display it. This highly accurate comparison process means that the drift and offset influences of any necessary reinforcement and the A / D conversion eliminated.

Für die vorgesehene Meßwertübertragung ist dieses Verfahren ungünstig, da zur Bestimmung der Temperatur der Meß- und Referenzwert übertragen werden müßten, eine Unterscheidung zwischen beiden Werten erfolgen muß und ein Meßstellenum schalter mit Ansteuerung notwendig ist. Ein direktes Meßver fahren mit möglichst fehlerfreier Wandlung ist für diese An wendung technisch sinnvoll.This method is for the intended transmission of measured values inconvenient because of determining the temperature of the measuring and Reference value would have to be transferred, a distinction between the two values and a measuring point switch with control is necessary. A direct measuring ver driving with error-free conversion is for this approach technically reasonable.

In der DE-OS 36 39 558 ist eine Einrichtung zur Messusng von Temperaturen beschrieben, bei der eine temperaturabhängige Brückenausgangsspannung nach Verstärkung und A/D-Wandlung direkt ausgewertet wird. Zur Ausschaltung der Fehler durch Schwankungen in der Versorgungsspannung ist der temperatur abhängige Widerstand in einer Brückenschaltung angeordnet, und zur Vermeidung des Drift- und Offsetfehlers wird dem A/D-Wandler die Differenz aus der verstärkten Offsetspan nung und dem verstärkten offsetspannungsbehafteten Meßwert angeboten. Dafür ist ein Differenzverstärker und eine Speicherschaltung, die über drei Schalter gesteuert wird, vorhanden. Nachteilig ist hier der hohe schaltungstechnische Aufwand zur Fehlerverringerung durch insbesondere die Brückenschaltung und den zusätzlichen Differenzverstärker. Die stabilisierende Wirkung der Brückenschaltung funktio niert außerdem nur in einem stark eingeschränkten Tempera turmeßbereich.In DE-OS 36 39 558 a device for measuring is Described temperatures at which a temperature dependent Bridge output voltage after amplification and A / D conversion is evaluated directly. To eliminate the errors by Fluctuations in the supply voltage is the temperature dependent resistor arranged in a bridge circuit, and to avoid drift and offset errors, the A / D converter the difference from the amplified offset chip voltage and the increased offset voltage measured value offered. There is a differential amplifier and one Memory circuit controlled by three switches available. The disadvantage here is the high level of circuitry Effort to reduce errors by, in particular, the Bridge circuit and the additional differential amplifier. The stabilizing effect of the bridge circuit functio kidney also only in a very limited tempera tower measuring range.

Für die A/D-Wandlung kommen in den genannten Patentschriften verschiedene Verfahren zur Anwendung. Für die vorgesehenen Anwendungen können wegen der Notwendigkeit einer Meßwert übertragung nur solche Verfahren zur A/D-Wandlung verwendet werden, die ein der Eingangsgröße proportionales kontinuier liches Signal liefern. Derartige Strom- beziehungsweise Spannungsfrequenzwandler sind zum Beispiel nach "radio fern sehen elektronik" 26 (1977) H. 15, S. 507 bekannt. Nach teilig ist dabei das zeitabhängige Ausgangssignal, das eine Synchronisation mit der Empfangsstation notwendig macht.For the A / D conversion come in the mentioned patents different methods of application. For the intended Applications can be due to the need for a measurement transmission only uses such methods for A / D conversion which is a continuous proportional to the input variable deliver a signal. Such electricity or Voltage frequency converters are, for example, "radio remote see electronics "26 (1977) H. 15, p. 507 known. After part of the time-dependent output signal, the one Synchronization with the receiving station is necessary.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine einfache inte grationsfähige Elektronikschaltung anzugeben, die unter Um gehung der vorgenannten Nachteile ähnlicher Anordnungen widerstandsproportionale elektrische oder optische Signale zuverlässig bildet, ohne daß ein hoher Aufwand an Bauele menten notwendig ist.The aim of the invention is to provide a simple inte to specify electronic circuit that can be used under goes beyond the aforementioned disadvantages of similar arrangements electrical or optical signals proportional to resistance forms reliably, without a high expenditure on components ment is necessary.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Temperaturmeß- und Übertragungsschaltung, insbesondere mit Lichtwellenleitern zu schaffen, mit der unter Verwendung an sich bekannter Baugruppen eine einkanalige Meßwertübertra gung in digitaler Form zu einer Empfangsstation möglich sein soll.The invention has for its object a simple Temperature measurement and transmission circuit, especially with To create fiber optic cables using the known modules a single-channel measured value transfer delivery in digital form to a receiving station should.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Meßwiderstand in Vierleiterschaltung, einem angeschlossenen Differenzver stärker und einem nachfolgenden Spannungs-Frequenzwandler so gelöst, daß sich der Meßwiderstand im Strompfad für die Erzeugung der Rücksetztladung befindet.According to the invention the task with a measuring resistor in Four-wire circuit, a connected difference ver stronger and a subsequent voltage-frequency converter solved so that the measuring resistor in the current path for the Generation of the reset charge is located.

Der Ausgang des Spannungs-Frequenzwandlers ist über eine UND-Verknüpfung mit einer Ausgangsstufe verbunden, die vor zugsweise einen optischen Sender enthält. Die weiteren Ein gänge der UND-Verknüpfung sind über Frequenzteiler und Ver zögerungsgatter an den internen Oszillator des Wandlers an geschlossen. Die Frequenzteiler sind dabei so aufgebaut, daß ein definiertes Sende-Pause-Verhältnis entsteht. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Genauig keit der Stromquelle und des Oszillators des in dieser neuen Schaltungsanordnung benutzten Spannungs-Frequenzwandlers keinen Einfluß auf die Anzahl der gesendeten Impulse haben. Durch den Wegfall von Präzisionsbauelementen sinkt der Material-, Platz- und Kostenaufwand erheblich.The output of the voltage-frequency converter is via a AND link connected to an output stage that before preferably contains an optical transmitter. The other one gears of the AND link are via frequency dividers and Ver delay gate to the internal oscillator of the converter closed. The frequency dividers are designed so that a defined send-pause ratio is created. The advantage of the invention is that the accuracy speed of the current source and the oscillator in this new Circuit arrangement used voltage-frequency converter have no influence on the number of transmitted pulses. Due to the elimination of precision components, the Material, space and cost considerably.

Eine vorteilhafte Verbesserung erfährt diese Lösung durch die Anordnung eines Kurzschlußschalters zwischen den Span nungsabgriffen und eines Abtast- und Haltegliedes zwischen dem Eingangs- und Bezugsspannungsanschluß des Spannungs- Frequenzwandlers. Die Steueranschlüsse beider Elemente sind über eine UND-Verknüpfung so mit den Frequenzteilern ver bunden, daß nur im zweiten Drittel der Sendepause der Kurz schlußhalter geschlossen und Abtastbetrieb eingeschaltet ist. Diese erweiterte Anordnung gestattet zusätzlich die automatische Kompensation des Offset-, Drift- und Gleich taktspannungseinflusses.This solution undergoes an advantageous improvement the arrangement of a short circuit switch between the span taps and a sensing and holding member between the input and reference voltage connection of the voltage Frequency converter. The control connections of both elements are ver via an AND operation with the frequency dividers tied that only in the second third of the broadcast pause the short closing holder closed and scanning operation switched on is. This expanded arrangement also allows automatic compensation of offset, drift and equal clock voltage influence.

Die Schaltung ist insgesamt so aufgebaut, das wesentliche Teile der Anordnung in einer integrierten Schaltungsein heit zusammengefaßt werden können.The circuit as a whole is constructed so that the essential Parts of the arrangement in an integrated circuit unit can be summarized.

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt eine Blockschaltung der Temperaturmeß- und Übertragungs schaltung. Sie enthält als Hauptbestandteil einen be kannten Spannungs-Frequenzwandler 1, der nach dem Inte grationsverfahren mit Ladungsmengenausgleich im Ein schwellenverfahren (Charge-Balancing) arbeitet. Ihm ist ein Differenzverstärker 2 vorangeschaltet, der mit seinen Eingängen an die Spannungsabgriffe des Meßwiderstandes 3 angeschlossen ist. Der Meßwiderstand 3 liegt im Strompfad zur Erzeugung der Rücksetzladung zwischen Betriebsspan nung 7 und Stromquellenanschluß 4.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. The accompanying drawing shows a block circuit of the temperature measurement and transmission circuit. It contains as a main component a known voltage-frequency converter 1 , which works according to the integration process with charge quantity compensation in a threshold process (charge balancing). It is preceded by a differential amplifier 2 , whose inputs are connected to the voltage taps of the measuring resistor 3 . The measuring resistor 3 lies in the current path for generating the reset charge between the operating voltage 7 and the current source connection 4 .

Dem Differenzverstärker 2 können zur Erhöhung seiner Ein gangswiderstände noch zwei Impedanzwandler vorangeschaltet werden oder er kann auch als Instrumentationsverstärker ausgeführt sein. Der Ausgang 9 des Wandlers 1 ist über eine UND-Verknüpfung 12 mit der Ausgangsstufe 14, vorzugsweise ein optischer Sender, verbunden. Die weiteren drei Eingänge der UND-Verknüpfung 12 sind über zwei Verzögerungsgatter 13, einen ersten Frequenzteiler 10 mit wählbarem Teilungsver hältnis und über den ersten und einen zweiten Frequenz teiler 11 mit 2 : 1 Teilung an den Oszillatoranschluß 8 ange schlossen. Weiter ist ein Kurzschlußschalter 15 zwischen den Spannungsabgriffen und ein Abtast- und Halteglied 16 zwischen dem Eingangs- 6 und Bezugsspannungsanschluß 5 des Spannungs-Frequenzwandlers 1 angeordnet.The differential amplifier 2 can be preceded by two impedance converters to increase its input resistances or it can also be designed as an instrumentation amplifier. The output 9 of the converter 1 is connected to the output stage 14 , preferably an optical transmitter, via an AND link 12 . The other three inputs of the AND link 12 are connected via two delay gates 13 , a first frequency divider 10 with a selectable Teilungsver ratio and via the first and a second frequency divider 11 with a 2: 1 division to the oscillator connection 8 . Furthermore, a short-circuit switch 15 is arranged between the voltage taps and a sample and hold element 16 between the input 6 and reference voltage connection 5 of the voltage-frequency converter 1 .

Die Steuereingänge dieser beiden Elemente sind gemeinsam über eine UND-Verknüpfung 17 mit dem ersten 10 und negierten Ausgang des zweiten Frequenzteilers 11 verbunden. Die Anord nung arbeitet folgendermaßen:
Der Spannungsabfall des mit konstantem Strom gespeisten Meß widerstandes 3 in Vierleiterschaltung wird mit dem Diffe renzverstärker 2 verstärkt und dem Spannungs-Frequenz wandler 1 zugeführt. In ihm wird die widerstandsproportio nale Eingangsspannung in eine Frequenz umgewandelt. Inner halb des Wandlers 1 bestimmt der Widerstand R die Größe des Eingangsstromes des Integrators. Erreicht seine Ausgangs spannung die Schaltschwelle des Komparators, wird dem Inte gratoreingang eine konstante Rücksetzladung zugeführt. Dies erfolgt so, daß während der durch den internen Oszillator festgelegten Rücksetzzeit ein konstanter Rücksetzstrom ein gespeist wird. Da als Rücksetzstrom ebenfalls der Strom be nutzt wird, mit dem der Meßwiderstand 3 gespeist wird, kompensieren sich Fehler durch Stromänderungen. An die Stabilität der Stromquelle brauchen deshalb keine hohen Anforderungen gstellt zu werden. Bei einem derartigen Charge-Balancing-Umsetzer wirken sich Änderungen des Inte grationskondensators C, Drift der Komparatorschwelle, Schaltzeiten des Komparators und in bestimmten Grenzen Linearitätsfehler und Verzögerungszeiten des Integrators nicht auf die Wandlerkennlinie aus, wenn diese Größen über einen Integrationsvorgang konstant bleiben. Das ist der große Vorteil der vorgeschlagenen Schaltung.The control inputs of these two elements are connected together via an AND link 17 to the first 10 and negated output of the second frequency divider 11 . The arrangement works as follows:
The voltage drop of the constant current fed measuring resistor 3 in a four-wire circuit is amplified with the dif ference amplifier 2 and the voltage-frequency converter 1 supplied. It converts the resistance-proportional input voltage into a frequency. Within half of the converter 1 , the resistance R determines the size of the input current of the integrator. If its output voltage reaches the switching threshold of the comparator, a constant reset charge is fed to the inte gratore input. This is done in such a way that a constant reset current is fed in during the reset time defined by the internal oscillator. Since the current with which the measuring resistor 3 is fed is also used as the reset current, errors are compensated for by current changes. There is therefore no need to make high demands on the stability of the power source. In such a charge balancing converter, changes in the integration capacitor C , drift of the comparator threshold, switching times of the comparator and, within certain limits, linearity errors and delay times of the integrator do not affect the converter characteristic curve if these variables remain constant over an integration process. That is the great advantage of the proposed circuit.

Zur Umwandlung der Ausgangsfrequenz in eine von der Emp fangsstation auswertbare zeitunabhängige Impulszahl ist die UND-Verknüpfung 12 vorhanden, die über die Frequenzteiler 10, 11 vom internen Oszillator des Wandlers 1 gesteuert wird. Durch diese Verknüpfung hat wiederum die Stabilität des internen Oszillators keinen Einfluß auf das Meßergeb nis. Es brauchen keine Präzisionsbauelemente eingesetzt zu werden. Das Ausgangssignal ist durch die Anordnung und Dimensionierung der Frequenzteiler 10, 11 so aufgebaut, daß eine Sende-Pause-Verhältnis von 1 : 3 entsteht. Die Sendepause ist notwendig, damit der angeschlossene Auswerterechner die Impulszahl ohne zusätzliche Synchronisation empfangen und verarbeiten kann. Die eingeschalteten Verzögerungsgatter bewirken eine Verkürzung der Sendeimpulse zur Reduzierung des Leistungsbedarfs.To convert the output frequency into a time-independent pulse number that can be evaluated by the receiving station, the AND link 12 is present, which is controlled by the internal oscillator of the converter 1 via the frequency dividers 10, 11 . This link in turn has the stability of the internal oscillator no influence on the measurement result. No precision components need to be used. The output signal is constructed by the arrangement and dimensioning of the frequency dividers 10, 11 so that a transmit-pause ratio of 1: 3 arises. The transmission pause is necessary so that the connected evaluation computer can receive and process the number of pulses without additional synchronization. The activated delay gates shorten the transmission pulses to reduce the power requirement.

Als Ausgangsstufe 14 arbeitet eine Infrarot-LED mit Licht wellenleiteranschluß.As an output stage 14 works an infrared LED with light waveguide connection.

Die Ausgangsfrequenz f _a der Schaltung berechnet sich zuThe output frequency f _{a of} the circuit is calculated

und die gesendete Impulszahl z _a and the number of pulses sent z _a

z _i ist die durch das Frequenzteilerverhältnis festgelegte maximal mögliche Impulszahl während der Sendezeit. z _i is the maximum possible number of pulses during the transmission time determined by the frequency divider ratio.

Für eine konstante von der Umgebungstemperatur unabhängige Verstärkung V sind geringste Offset- und Driftwerte des Differenzverstärkers 2 notwendig. Derartige Bauelemente sind sehr kostenaufwendig und schwer erhältlich. Deshalb wird im zweiten Drittel der Sendepause der Meßwiderstand 3 mit dem Schalter 15 kurzgeschlossen und die Ausgangsspan nung des Differenzverstärkers 2, die sich jetzt aus der verstärkten Offsetspannung ergibt, einem Abtast- und Halte glied 16, das sich im Abtastbetrieb befindet, zugeführt. Nach dem Öffnen des Schalters 15 und Umschaltung auf Halte betrieb wirkt am Eingang des Integrators die Differenz zwischen gespeichertem Offsetspannungswert und offset spannungsbehafteten Meßwert. Durch diese Anordnung arbeitet der Differenzverstärker mit einem automatischen Nullpunkt abgleich, durch den die Einflüsse der Offset-, Drift- und Gleichtaktspannung verschwinden. Bei genügend großer Ver stärkung V wird auch die verbleibende Drift- und Offset spannung des Integrators im Wandler 1 vernachlässigbar. Für den Schalter 15 wird ein mechanischer Schaltkontakt mit einem gegenüber dem Meßwiderstand 3 vernachlässigbaren Kon taktübergangswiderstand benutzt.For a constant gain V that is independent of the ambient temperature, the smallest offset and drift values of the differential amplifier 2 are necessary. Such components are very expensive and difficult to obtain. Therefore, the measuring resistor 3 is short-circuited with the switch 15 in the second third of the transmission pause and the output voltage of the differential amplifier 2 , which now results from the amplified offset voltage, is supplied to a sample and hold element 16 which is in the sampling mode. After opening switch 15 and switching to hold mode, the difference between the stored offset voltage value and offset voltage-affected measured value acts at the input of the integrator. With this arrangement, the differential amplifier works with an automatic zero point adjustment, through which the influences of the offset, drift and common mode voltage disappear. With a sufficiently large gain V , the remaining drift and offset voltage of the integrator in converter 1 is negligible. For the switch 15 , a mechanical switch contact is used with a negligible compared to the measuring resistor 3 contact resistance.

Die Genauigkeit der gesamten Anordnung wird damit ledig lich durch die Differenzverstärkung und den Widersand R beeinflußt. Die Differenzverstärkung läßt sich mit zwei Widerständen einstellen, so daß insgesamt nur für drei Bau elemente eine höhere Präzision gefordert wird. The accuracy of the entire arrangement is thus influenced only by the differential gain and the resistance R. The differential gain can be adjusted with two resistors, so that a higher precision is required for only three construction elements.

Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of the reference numerals used

1 Spannungs-Frequenzwandler
2 Differenzverstärker
3 Meßwiderstand
4 Stromquellenanschluß
5 Bezugsspannungsanschluß
6 Eingang
7 Betriebsspannung
8 Oszillatoranschluß
9 Ausgang
10 erster Frequenzteiler
11 zweiter Frequenzteiler
12 UND-Verknüpfung
13 zwei Verzögerungsgatter
14 Ausgangsstufe
15 Kurzschlußschalter
16 Abtast- und Halteglied
17 UND-Verknüpfung 1 voltage-frequency converter
2 differential amplifiers
3 measuring resistor
4 power source connector
5 Reference voltage connection
6 entrance
7 operating voltage
8 oscillator connection
9 exit
10 first frequency divider
11 second frequency divider
12 AND operation
13 two delay gates
14 output stage
15 short-circuit switch
16 sample and hold member
17 AND operation

Claims

1.Single-channel temperature and transmission circuit, in particular with optical fibers, consisting of a measuring resistor in a four-wire circuit with a short-circuit switch between its voltage taps, a differential amplifier connected to it and after the following voltage-frequency converter with charge compensation, a sampling and holding element, frequency divide, one Output stage and other logic elements, characterized in that the measuring resistor ( 3 ) between the operating voltage ( 7 ) and the current source connection ( 4 ) of the voltage-frequency converter ( 1 ) and the sample and hold element ( 16 ) between the input ( 6 ) and reference voltage connection ( 5 ) of the voltage-frequency converter ( 1 ) are arranged, the output ( 9 ) of the voltage-frequency converter ( 1 ) via an AND operation ( 12 ) with the output stage ( 14 ), the another three inputs of the AND link ( 12 ) once via delay gates ( 13 ), once over a first frequency divider ( 10 ) with selectable division ratio and once over a second frequency divider ( 11 ) with 2: 1 division and the first frequency divider ( 10 ) to the oscillator connection ( 8 ) of the converter ( 1 ) and that from the output of the first frequency divider ( 10 ) and from the negated output of the second frequency divider ( 11 ) a common control connection for the short-circuit switch ( 15 ) and the sample and hold element ( 16 ) is present in the further AND operation ( 17 ) .

2. Temperature measuring circuit according to claim 1, characterized in that the voltage-frequency converter ( 1 ), the differential amplifier ( 2 ), the frequency divider ( 10, 11 ), the delay gate ( 13 ) and the AND gates ( 12, 17 ) in an integrated circuit unit are summarized.