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BEREICH DER
TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung, die eine Impedanz
detektiert, und insbesondere betrifft sie die Schaltung, die eine
sehr kleine Impedanz mit hoher Genauigkeit detektiert.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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In
DE 30 07 426 A1 wird
eine Impedanzdetektionsschaltung einschließlich eines Spannungsfolgers,
eines Kondensators, eines Operationsverstärkers, eines Spannungserzeugers,
der ein Spannungssignal an den Operationsverstärker anlegt, und eines Signalausgabeanschlusses
offenbart, der mit einem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden
ist, wobei ein Eingangsanschluß des
Spannungsfolgers mit dem einen Ende des Kondensators verbunden ist
und wobei der Spannungsfolger in einer negativen Rückkopplungsschleife
des Operationsverstärkers
enthalten ist.
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Als
eine elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung
vom Stand der Technik kann die angeführt werden, die in der offengelegten
Japanischen Patentanmeldung H09-280806 beschrieben ist. 1 ist
ein Schaltbild, das diese elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung
zeigt. In dieser Detektionsschaltung ist ein kapazitiver Sensor 92,
der aus den Elektroden 90 und 91 aufgebaut ist, über eine
Signalleitung 93 mit einem invertierenden Eingangsanschluß eines
Operationsverstärkers 95 verbunden. Und
zwischen einem Ausgangsanschluß dieses Operationsverstärkers 95 und
dem erwähnten
invertierenden Eingangsanschluß ist
ein Kondensator 96 geschaltet, und ferner ist eine Wechselspannung
Vac an einen nicht invertierenden Eingangsanschluß angelegt.
Außerdem
wird die Signalleitung 93 von einer Abschirmleitung 94 umschlossen
und elektrisch gegen Störrauschen
abgeschirmt. Und diese Abschirmleitung 94 ist mit dem nicht
invertierenden Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers 95 verbunden. Die
Ausgangsspannung Vd wird über
einen Transformator 97 an einem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 95 erhalten.
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In
dieser Detektionsschaltung befinden sich der invertierende Eingangsanschluß und der
nicht invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 95 in
einem Imaginärkurzschluß zustand,
so daß die
Signalleitung 93, die mit dem invertierenden Eingangsanschluß verbunden
ist, und die abgeschirmte Leitung 94, die mit dem nicht
invertierenden Eingangsanschluß verbunden
ist, nahezu das gleiche Potential aufweisen. Dabei wird die Signalleitung 93 durch
die Abschirmleitung 94 geschützt, das heißt, die
Streukapazität
zwischen der Signalleitung 93 und der Abschirmleitung 94 wird
unterdrückt,
und es kann die Ausgangsspannung Vd erhalten werden, bei der eine
Einwirkung durch die Streukapazität unwahrscheinlich ist.
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Entsprechend
dieser Variante des Standes der Technik ist es dann, wenn die Kapazität des kapazitiven
Sensors 92 bis zu einem gewissen Grade groß ist, tatsächlich möglich, eine
genaue Ausgangsspannung Vd zu erhalten, welche nicht durch die Streukapazität zwischen
der Signalleitung 93 und der Abschirmleitung 94 beeinflußt wird.
Wird jedoch eine sehr kleine Kapazität detektiert, welche gleich
einer Größenordnung
von einigen pF oder fF (Femtofarad) oder kleiner ist, dann nimmt
ein Fehler zu.
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In
Abhängigkeit
von einer Frequenz der angelegten Wechselspannung Vac kommt es wegen
eines Nachführungsfehlers
im Operationsverstärker 59 folgerichtig
auch zu einer geringfügigen
Verschiebung einer Phase und Amplitude zwischen der Spannung am
invertierenden Eingangsanschluß und
jener am nicht invertierenden Eingangsanschluß, welche in dem Imaginärkurzschlußzustand
sind, und dadurch wird der Erfassungsfehler größer.
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Andererseits
gibt es für
leichte und kleine Audiokommunikationsgeräte, die durch ein Mobiltelefon oder
dergleichen verkörpert
werden, einen Bedarf an einer kompakten Verstärkerschaltung, die empfindlich
und zuverlässig
Schallereignisse durch einen kapazitiven Sensor, wie z.B. ein Kondensatormikrofon, in
ein elektrisches Signal umwandelt. Wenn es möglich ist, eine sehr kleine
Kapazität,
die gleich einigen pF oder fF oder kleiner ist, und/oder deren Veränderung
nachzuweisen, dann wird ein Hochleistungsmikrofon realisiert, das
Schallereignisse mit einem sehr hohen Grad der Empfindlichkeit und
Klangtreue detektieren kann, und dadurch wird die Leistungsfähigkeit
bei der Aufnahme von Schallereignissen durch die Audiokommunikationsgeräte, wie
z.B. das Mobiltelefon, schnelle Fortschritte machen.
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Diese
Erfindung ist angesichts der oben erwähnte Situation entwickelt worden
und hat die Schaffung einer Detektionsschaltung für eine Impedanz,
einschließlich
einer elektrostatischen, zum Ziele, welche in der Lage ist, eine
sehr kleine Kapazität genau
nachzuweisen, und die geeignet ist, die Kapazität eines kapazitiven Sensors,
wie z.B. eines Kondensator mikrofons, das für leichte und kompakte Audiokommunikationsgeräte verwendet
wird, zu detektieren.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Um
die obigen Aufgaben zu lösen,
ist die elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung
gemäß vorliegender
Erfindung eine Impedanzdetektionsschaltung, die ein Detektionssignal
ausgibt, welches der Impedanz eines zu detektierenden Impedanzelements
entspricht, und die enthält:
einen Impedanzumwandler, dessen Eingangsimpedanz hoch und dessen
Ausgangsimpedanz niedrig ist, ein erstes kapazitives Impedanzelement,
einen ersten Operationsverstärker,
einen Spannungsgenerator, der zumindest eine Wechselspannung oder
eine Gleichspannung an den ersten Operationsverstärker anlegt,
und einen Signalausgabeanschluß,
der mit einem Ausgang des ersten Operationsverstärkers verbunden ist, wobei
ein Eingangsanschluß des
Impedanzumwandlers mit einem Ende des zu detektierenden Impedanzelements
und mit einem Ende des ersten Impedanzelementes verbunden ist und
das erste Impedanzelement sowie der Impedanzumwandler in einer negativen
Rückkopplungsschleife
des ersten Operationsverstärkers
enthalten sind.
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Als
ein spezielles Beispiel ist eine Impedanzdetektionsschaltung so
aufgebaut, daß sie
enthält: einen
Spannungsgenerator, einen Operationsverstärker, dessen nicht invertierender
Eingangsanschluß mit
einem spezifischen Potential verbunden ist, einen Impedanzumwandler;
einen Widerstand, der zwischen dem Spannungsgenerator und einem invertierenden
Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers
geschaltet ist, einen Widerstand, der zwischen dem invertierenden
Eingangsanschluß des Operationsverstärkers und
einem Ausgangsanschluß des
Impedanzumwandlers geschaltet ist, und ein erstes kapazitives Impedanzelement,
das zwischen einem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers und
einem Eingangsanschluß des
Impedanzumwandlers geschaltet ist. Die zu detektierende Impedanz
ist zwischen dem Eingangsanschluß des Impedanzumwandlers und
dem spezifischen Potenzial geschaltet. Das spezifische Potential
in dem vorliegenden Beispiel bedeutet entweder ein bestimmtes Standardpotential,
ein spezifisches Gleichspannungspotential, ein Erdpotential oder
einen schwebenden Zustand, welche je nach Bauart einer Ausführungsform
ausgewählt
werden.
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Entsprechend
dem obigen Aufbau wird an die zu detektierende Impedanz eine bestimmte Spannung
angelegt, wobei der größte Teil
des elektrischen Stromes, welcher durch die zu detektierende Impedanz
fließt,
weiter durch das erste Impedanzelement geleitet wird, und dann wird
ein Signal, welches dem Impedanzwert der zu detektierenden Impedanz entspricht,
an dem Signalausgabeanschluß ausgegeben.
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Um
das in der Signalleitung, welche die Impedanzdetektionsschaltung
und die zu detektierende Impedanz verbindet, beigemischte Rauschen
zu vermindern und auch die Streukapazität zwischen der Signalleitung
und dem spezifischen Potenzial zu verringern, ist es vorzuziehen,
daß die
Signalleitung für die
zu detektierende Impedanz und die Impedanzdetektionsschaltung so
kurz wie möglich
ist.
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Als
ein Typ des Spannungsgenerators kann entweder ein Wechselspannungs-
oder ein Gleichspannungsgenerator ausgewählt werden. Unter Berücksichtigung
der Charakteristika dieser Typen kann der Gleichspannungsgenerator
sowohl die absolute Impedanz als auch einen Betrag der Impedanzänderung
messen, wohingegen der Wechselspannungsgenerator nur den Betrag
der Impedanzänderung
detektieren kann. Im Falle des Gleichspannungsgenerators wird die
Größe seiner
Detektionsschaltung insgesamt ein wenig größer, weil sie eine Oszillatorschaltung
oder dergleichen benötigt.
Im Falle des Wechselspannungsgenerators kann er aber kompakt bleiben,
weil er diese nicht benötigt.
Deshalb kann je nach Verwendungszweck oder Einsatzgebiet für den Spannungsgenerator
der vorliegenden Erfindung der geeignetste ausgewählt werden.
Darüber
hinaus kann zwischen dem ersten Operationsverstärker und dem Spannungsgenerator
ein zweites Impedanzelement angeordnet werden. Es kann auch ein
Widerstand parallel zum ersten Impedanzelement geschaltet werden.
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Da
das Ausgangssignal von dem Signalausgabeanschluß ein Signal enthält, welches
der vom Spannungsgenerator erzeugten Spannung entspricht, kann hier
zur Impedanzdetektionsschaltung ferner eine Löscheinheit hinzugefügt werden,
um es zu löschen.
Als ein Beispiel für
diese Löscheinheit kann
eine Addiereinheit oder eine Subtraktionseinheit angeführt werden.
Speziell für
den Fall, daß die zu
detektierende Impedanz kapazitiv ist, kann durch Verwendung eines
Kondensators für
die erste Impedanz eine Schaltung realisiert werden, die eine hervorragende
Frequenzcharakteristik aufweist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Schaltbild, das eine herkömmliche
elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung zeigt.
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2 ist
ein Schaltbild, das eine elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung
als eine Impedanzdetektionsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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3A bis
E sind Schaltbilder, die Beispiele eines Impedanzumwandlers zeigen,
der in der vorliegenden Erfindung einsetzbar ist.
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4 ist
ein Schaltbild einer elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltung gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt
ein Beispiel, daß eine
Löscheinheit
eines Signals, welches der Spannung entspricht, die von einem Spannungsgenerator
durch ein in 4 dargestelltes Additionsverfahren
erzeugt wird, durch eine weitere Einheit (eine Addiereinheit) aufgebaut
ist.
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6 zeigt
ein Beispiel, daß die
Löscheinheit
des Signals, welches der Spannung entspricht, die von dem Spannungsgenerator
durch das in 4 dargestellte Additionsverfahren
erzeugt wird, durch eine weitere Einheit (eine Subtraktionseinheit)
aufgebaut ist.
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7 ist
ein Schaltbild der elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltung gemäß der anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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BESTE AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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Im
Folgenden wird eine ausführliche
Erläuterung
der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die Schaltbilder gegeben.
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(Erste Ausführungsform)
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2 ist
ein Schaltbild einer Impedanzdetektionsschaltung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In diesem Schaltbild ist als diese Impedanzdetektionsschaltung
eine elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung 10 mit
einem zu detektierenden Kondensator 17 als zu detektierender
Impedanz verbunden, welche ein Gegenstand der Detektion ist (d.h.
ein Sensor vom Kapazitätstyp,
der verschiedene Typen physikalischer Größen unter Ausnutzung einer
Fluktuation in der elektrostatischen Kapazität Cs detektiert, in diesem Beispiel
ein Kondensatormikrofon).
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Diese
elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung 10 umfaßt einen
Wechselspannungsgenerator 11, der eine Wechselspannung
erzeugt, einen Widerstand (R1) 12, einen Widerstand (R2) 13,
einen Operationsverstärker 14,
ein Impedanzelement 15 (in diesem Beispiel ein Kondensator
mit der Kapazität Cf)
und einen Impedanzumwandler 16, und sie gibt an einem Signalausgabeanschluß 20 ein
Detektionssignal (Spannung Vout) aus, welches der elektrostatischen
Kapazität
des Kondensators 17 entspricht.
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Das
eine Ende des Wechselspannungsgenerators 11 ist mit dem
spezifischen elektrischen Potential (in diesem Beispiel ein Erdpotential)
verbunden, und das andere Ende (ein Ausgangsanschluß) davon
erzeugt die spezifische Wechselspannung (Spannung Vin, Kreisfrequenz ω). Der Widerstand (R1) 12 ist
zwischen dem Ausgangsanschluß des Wechselspannungsgenerators 11 und
einem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 14 geschaltet.
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Der
Operationsverstärker 14 ist
ein Spannungsverstärker
mit einem hohen Wert der Eingangsimpedanz und einer Verstärkung im
offenen Kreis, ein nicht invertierender Eingangsanschluß ist hier
mit dem spezifischen Potential (in diesem Beispiel der Erde) verbunden,
und der nicht invertierende Eingangsanschluß sowie der invertierende Eingangsanschluß sind in
einem Imaginärkurzschlußzustand.
In einer negativen Rückkopplungsschleife
dieses Operationsverstärkers 14,
welche von einem Ausgangsanschluß zu dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 14 führt, sind
der Kondensator 15, der Impedanzumwandler 16 und
der Widerstand (R2) 13 in dieser Reihenfolge in Reihe geschaltet.
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Der
Impedanzumwandler 16 ist ein Spannungsverstärker, bei
dem die Eingangsimpedanz außerordentlich
hoch, die Ausgangsimpedanz außerordentlich
gering und die Spannungsverstärkung A-fach
ist. Ein Eingangsanschluß 21 dieses
Impedanzumwandlers 16 ist über eine Signalleitung oder einen
elektrischen Leiter, wie z.B. ein Verdrahtungsmuster auf einer gedruckten
Leiterplatte, mit dem einen Ende des Kondensators 17 verbunden,
und das andere Ende des Kondensators 17 ist mit dem spezifischen
Potential (in diesem Beispiel der Erde) verbunden. Ein Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 14 ist
an ein Ausgangssignal dieser elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltung 10 angeschlossen,
d.h. an den Signalausgabeanschluß 20 für die Ausgabe
eines Detektionssignals, das der Kapazität des Kondensators 17 entspricht.
In dieser Patentschrift stellt eine Variable A, die das A-fache kennzeichnet,
eine beliebige reelle Zahl ungleich Null dar.
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Für die Verbindung
zwischen dem Kondensator 17 und der elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltung 10 ist
der Einsatz eines nicht abgeschirmten Leiters vorzuziehen, der so
kurz wie möglich
ist (wie z.B. ein Kabel, ein Kupferfolien-Verdrahtungsmuster, ein
Verbindungsanschluß),
so daß es möglich ist
zu verhindern, daß eine
beliebige unnötige
Streukapazität
als ein Detektionsfehler hinzugefügt oder ein Störrauschen
beigemischt wird. Um eine Abschirmung gegen das Störrauschen
zu erhöhen,
ist es außerdem
vorzuziehen, daß ein
ganzer Teil des Kondensators 17 und der elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltung 10 mit
einem geerdeten Abschirmmaterial abgedeckt oder wenn möglich in
einen Abschirmbehälter
gesetzt wird.
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Die
Abläufe
in dem elektrostatischen Kapazitätsdetektionskreis 10,
der wie oben dargestellt aufgebaut ist, sind die folgenden:
In
bezug auf eine invertierenden Verstärkungsschaltung, welche den
Widerstand (R1) 12, den Widerstand (R2) 13 sowie
den Operationsverstärker 14 und
dergleichen umfaßt,
sind beide Eingangsanschlüsse
des Operationsverstärkers 14 in
dem Imaginärkurzschlußzustand
und auf demselben Potential (z.B. 0 V), ihre Impedanz ist außerordentlich
hoch, und es fließt
kein elektrischer Strom hindurch, so daß der elektrische Strom, der
durch den Widerstand (R1) 12 fließt, zu Vin/R1 wird. Da der
gesamte elektrische Strom durch den Widerstand (R2) 13 fließt, gilt
der folgende Ausdruck, wenn die Ausgangsspannung des Impedanzumwandlers 16 gleich
V2 ist: Vin/R1 = –V2/R2.
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Wird
dies zusammengefaßt,
dann kann die Ausgangsspannung V2 des Impedanzumwandlers 16 durch
den folgenden Ausdruck ausgedrückt
werden: V2 = –(R2/R1)·Vin. (Ausdruck 1)
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Da
außerdem
eine Spannungsverstärkung des
Impedanzumwandlers 16 gleich A ist, wird die Spannung V1
so ausgedrückt,
wie aus einer Beziehung zwischen der Eingangsspannung V1 (Spannung
des Eingangsanschlusses 21) und der Ausgangsspannung V2
(Spannung des Ausgangsanschlusses 22) folgt: V1 = (1/A)·V2. (Ausdruck 2)
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Wenn
der elektrische Strom, der vom Kondensator 15 zum Kondensator 17 hin
fließt,
gleich i ist, dann wird der gesamte elektrische Strom i zum Kondensator 17 gelenkt,
weil die Eingangsimpedanz des Impedanzumwandlers 16 außerordentlich
hoch ist. Der elektrische Strom i wird deshalb zu j ω C·V1. Die
Ausgangsspannung Vout des Detektionssignals, das aus dem Signalausgabeanschluß 20 ausgegeben
wird, wird wie folgt ausgedrückt: Vout = i·(1/jωCf) + V1
= (1 + Cs/Cf)·V1. (Ausdruck 3)
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Wenn
V2 aus den obigen Ausdrücken
1 und 2 eliminiert wird, dann wird der folgende Ausdruck erhalten: V1 = –(R2/R1)·(Vin/A). (Ausdruck 4)
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Wird
dieses V1 in den obigen Ausdruck 3 eingesetzt, dann wird der folgende
Ausdruck erhalten: Vout
= –(1
+ Cs/Cf)·(R2/R1)·(Vin/A). (Ausdruck 5)
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Wie
aus dem Ausdruck 5 ersichtlich ist, wird die Spannung Vout des Detektionssignals,
das aus dem Signalausgabeanschluß 20 der elektrostatischen
Kapazitätsdetektionsschaltung 10 ausgegeben
wird, zu einem Wert, der von der Kapazität Cs des Kondensators 17 abhängt. Deshalb
kann die Kapazität
Cs durch Ausführen
verschiedener Signalbearbeitungen an dieser Spannung Vout bestimmt
werden. Wie aus diesem Ausdruck 5 ersichtlich ist, in dem
die Kreisfrequenz ω nicht
enthalten ist, hängt
die Spannung Vout dieses Detektionssignals auch nicht von einer
Fluktuation in einer Frequenz des Wechselspannungssignals Vin aus
dem Wechselspannungsgenerator 11 und in einer Frequenz
des zu detektierenden Kondensators ab. Somit ist die elektrostatische
Kapazitätsdetektionsschaltung
(welche keine frequenzabhängige
Kenngröße in der
Schaltung aufweist) in der Lage, ein Detektieren der Kapazität des Kondensators 17 zu
verwirklichen, ohne von der Frequenz der Wechselspannung abhängig zu
sein, die am Kondensator 17 anliegt. Deshalb ist es für den Kondensator 17,
dessen Kapazitätswert
mit einer bestimmten Frequenz (Schallfrequenzbereich) schwankt,
wie z.B. für
ein Kondensatormikrofon, möglich,
einen Kapazitätswert
direkt aus dessen Spannungswert zu bestimmen, anstatt die Frequenz für das detektierte
Signal zu korrigieren.
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Ist
der Impedanzumwandler 16 ein Spannungsfolger, dann wird
die Spannungsverstärkung hier
zu A = 1, und beide Eingangsanschlüsse des Spannungsfolgers sind
in einem Imaginärkurzschlußzustand.
Somit ist die Spannung des invertierenden Eingangs und des Ausgangs
festgelegt, und die Spannung des nicht invertierenden Eingangs des Spannungsfolgers
wird bestimmt. In diesem Falle kann gesagt werden, daß der Operationsverstärker 14 und
der Spannungsfolger aufgeteilt werden in einen Verstärker, um
ausreichende Verstärkungen
zu erhalten, und in einen Verstärker
zum Bestimmen der Spannung. Auf diesem Wege wird es möglich, den nicht
invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14 mit dem spezifischen
Potential zu verbinden, um die Betriebsstabilität zu verbessern und die Betriebsfehler
drastisch zu verringern, obwohl ausreichende Verstärkungen
erreicht werden, was als eine vorzuziehende Bauweise angesehen wird.
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Außerdem ist
in der elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltung 10 gemäß dieser
Ausführungsform
bei dem Operationsverstärker 14,
welcher den elektrischen Strom für
den Kondensator 15 und den Kondensator 17 bereitstellt,
der nicht invertierende Eingangsanschluß mit dem spezifischen Potential verbunden
und fixiert. Deshalb kann der Operationsverstärker 14, anders als
der Operationsverstärker 95 in
der in 1 dargestellten herkömmlichen Schaltung, die Betriebsfehler
verringern und dem Kondensator 15 sowie dem Kondensator 17 einen stabilen
elektrischen Strom mit einem geringeren Rauschen bereitstellen,
ohne von der Frequenz des eingegebenen Wechselspannungssignals oder ähnlichem
abhängig
zu sein, und die sehr kleine Kapazität des Kondensators 17 kann
detektiert werden.
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3A bis
E zeigen spezifische Schaltungsbeispiele des Impedanzumwandlers 16 in
der elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltung 10,
die in 2 dargestellt ist. 3A zeigt
einen Spannungsfolger, der einen Operationsverstärker 100 verwendet.
Ein invertierender Eingangsanschluß und ein Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 100 sind
kurzge schlossen. Wenn ein nicht invertierender Eingangsanschluß dieses
Operationsverstärkers 100 ein
Eingang des Impedanzumwandlers 16 ist und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 100 ein
Ausgang des Impedanzwandlers 16 ist, dann kann der Impedanzwandler 16 erhalten
werden, dessen Eingangsimpedanz außerordentlich hoch und dessen
Spannungsverstärkung
A gleich 1 ist.
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3B zeigt
eine nicht invertierende Verstärkerschaltung,
die einen Operationsverstärker 101 verwendet.
Ein Widerstand (R10) 110 ist zwischen einen invertierenden
Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers 101 und
Erde geschaltet, und ein Rückkopplungswiderstand
(ein Widerstand (R11) 33) ist zwischen den invertierenden
Eingangsanschluß und
einen Ausgangsanschluß des
Operationsverstärkers 101 geschaltet.
Wenn ein nicht invertierender Eingangsanschluß dieses Operationsverstärkers 101 ein
Eingang des Impedanzumwandlers 16 ist und der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 101 ein
Ausgang des Impedanzwandlers 16 ist, dann kann der Impedanzwandler 16 erhalten
werden, dessen Eingangsimpedanz außerordentlich hoch und dessen
Spannungsverstärkung
A gleich (R10 + R11)/R10 ist.
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3C zeigt
eine Schaltung, in der auf einer Eingangsseite des Operationsverstärkers, wie
er in 3A oder B dargestellt ist, ein
Puffer in CMOS-Ausführung
hinzugefügt
ist. Wie in dem Schaltbild dargestellt ist, sind der MOSFWT34 vom n-Typ
und der MOSFWT35 vom p-Typ in Reihe über den Widerstand 112 und 113 zwischen
die positive und negative Spannungsquelle geschaltet, und ein Ausgang
des Puffers ist mit einem Eingang des Operationsverstärkers 100 (oder 101)
verbunden. Wenn der Eingang dieses Puffers ein Ausgang des Impedanzumwandlers 16 ist
und der Ausgangsanschluß des
Operationsverstärkers
ein Ausgang des Impedanzumwandlers 16 ist, dann kann der
Impedanzumwandler 16 erhalten werden, dessen Impedanz außerordentlich
hoch ist.
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3D zeigt
eine Schaltung ähnlich
wie der Puffer auf der Eingangsseite in 3C. Wie
in dem Schaltbild dargestellt ist, sind der MOSFWT34 vom n-Typ und
der MOSFWT35 vom p-Typ
in Reihe zwischen die positive und negative Spannungsquelle geschaltet,
und die Ausgaben erfolgen von den Anschlußpunkten beider MOSFET.
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3E ist
eine Schaltung, in der ein nicht invertierender Eingang eines Operationsverstärkers 102 ein
Eingang des Impedanzumwandlers ist, ein invertierender Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 102 mit
dem einen Ende eines Widerstands 114 verbunden ist und
in der ein Ausgang und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 102 über einen
Widerstand 115 verbunden sind. Mit diesen Bauformen, wie
sie in den 3D und E angegeben sind, wird
der Impedanzumwandler 16 realisiert, dessen Eingangsimpedanz
außerordentlich hoch
ist.
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(Zweite Ausführungsform)
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Als
nächstes
wird nachfolgend eine elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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4 ist
ein Schaltbild einer elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltung 30 als
einer Impedanzdetektionsschaltung in der zweiten Ausführungsform.
Diese elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung 30 setzt
sich grob zusammen aus einer Kerneinheit 31, welche äquivalent
zu der in 2 dargestellten elektrostatischen
Kapazitätsdetektionsschaltung 10 als
der Impedanzdetektionsschaltung ist, aus einer invertierenden Einheit 32,
welche als eine Eingabe die Signalspannung V01 an einem Signalausgabeanschluß 20 der
Kerneinheit 31 aufnimmt und die Signalspannung V01 invertiert,
und aus einer Addiereinheit 33, welche die Signalspannung
V03 an einem Ausgangsanschluß 23 der
invertierenden Einheit 32 und die Signalspannung V02 an
einem Wechselspannungsausgangsanschluß 22 der Kerneinheit 31 addiert
und ein Detektionssignal der Spannung V04 an einen Ausgangsanschluß 24 ausgibt.
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Die
Kerneinheit 31 weist dieselbe Schaltung auf wie die elektrostatische
Kapazitätsdetektionsschaltung 10,
die in 2 dargestellt ist. Deshalb ergibt sich die Spannung
V01 des Signalausgabeanschlusses 20 der Kerneinheit 31 entsprechend
dem obigen Ausdruck 5 wie folgt: V01 = –(1
+ Cs/Cf)·(R2/R1)·(Vin/A). (Ausdruck 6)
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Entsprechend
dem obigen Ausdruck 1 ergibt sich die Spannung V02 des
Wechselspannungsausgangsanschlusses 22 der Kerneinheit 31 wie
folgt: V02 = –(R2/R1)·(Vin/A). (Ausdruck 7)
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Die
invertierende Einheit 32 ist eine invertierende Verstärkungsschaltung
mit einem variablen Widerstand (R4) 40, einem Widerstand
(R5) 41, einem variablen Widerstand (R6) 42, einem
Kondensator 43 und einem Operationsverstärker 44,
dessen Spannungsverstärkung
gleich –1
ist, und die Widerstandswerte des variablen Widerstands (R4) 40 und des
variablen Widerstands (R6) 42 sind so angepaßt, daß sich eine
Phase des Signals V03 am Ausgangsanschluß 23 ergibt, die gleich
der Phase des Signals V02 am Wechselspannungsausgangsanschluß 22 der
Kerneinheit 31 ist. Deshalb wird Idealerweise die folgende
Beziehung zwischen der Eingangsspannung V01 und der Ausgangsspannung
V03 dieser invertierenden Einheit 32 hergestellt: V03 = –V01 (Ausdruck 8)
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Die
Addiereinheit 33 ist eine Addiervorrichtung, in welcher
die drei Widerstände
(R7) 45, (R8) 46 und (R9) 47, die den
gleichen Widerstandswert aufweisen, mit einem Operationsverstärker 48 verbunden
sind. Somit wird die folgende Beziehung zwischen den zwei Eingangssignalen
der Spannung V02 und der Spannung V03 und der Ausgangsspannung V04
hergestellt: V04
= –(V02
+ V03). (Ausdruck 9)
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Nachdem
der obige Ausdruck 8 in diesen Ausdruck 9 eingesetzt und V03 eliminiert
ist, werden die obigen Ausdrücke
6 und 7 darin eingesetzt. Dann gilt der folgende Ausdruck: V04 = V01 – V02 = –(Cs/Cf)·(R2/R1)·(Vin/A). (Ausdruck 10)
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Folglich
ist die Spannung V04 des Detektionssignals, das vom Ausgangsanschluß 24 dieser elektrostatischen
Kapazitätsdetektionsschaltung 30 ausgegeben
wird, proportional zum Kapazitätswert Cs.
Deshalb können
ein unbekannter Kapazitätswert Cs
und eine Fluktuation in der Kapazität durch Ausführen verschiedener
Signalbearbeitungen auf Basis dieser Spannung V04 leicht bestimmt
werden.
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Wie
aus einem Vergleich zwischen diesem Ausdruck 10 und dem
Ausdruck 5, welcher die Spannung Vout des Detektionssignals
gemäß der ersten Ausführungsform
angibt, ersichtlich wird, enthält
das Detektionssignal, das durch die elektrostatische Kapazitätsdetektionsschal tung 30 gemäß der zweiten Ausführungsform
erhalten wird, anders als in der ersten Ausführungsform nur eine Komponente,
die proportional zur Kapazität
des Kondensators 17 ist, und es enthält keinerlei unnötigen Versatz
(d.h. die Spannung, die nicht vom Kondensator 17 abhängt). Deshalb
kann die Signalbearbeitung gemäß der zweiten Ausführungsform,
welche aus dem Detektionssignal eine Kapazität oder eine Fluktuation in
der Kapazität des
Kondensators 17 bestimmt, einfach sein.
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Obwohl
in diesem Beispiel von dem Fall V03 = –V01 Gebrauch gemacht wird,
ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Entsprechend
einem Typ des kapazitiven Sensors kann die Ausgangsspannung V04
für den
Fall V03 = k·V01
(k ist ein Verstärkungsverhältnis einer
invertierenden Verstärkungseinheit)
wie folgt bestimmt werden: V04 = [k·(Cs/Cf)
+ (k + 1)]·(R2/R1)·Vin.
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Obwohl
die Impedanzdetektionsschaltung gemäß vorliegender Erfindung auf
Basis der zwei Ausführungsformen
und der praktischen Beispiele beschrieben wurde, die für ein Ergebnis
angeführt wurden,
ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen
und praktischen Beispiele beschränkt.
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Wie
in den 5, 6 oder ähnlichen dargestellt ist, kann
zum Beispiel eine andere Addiereinheit oder Subtraktionseinheit
für die
Löscheinheit
des Signals verwendet werden, das der Spannung entspricht, die vom
Spannungsgenerator durch das in 4 dargestellte
Additionsverfahren erzeugt wird.
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In 5 wird
ein Signalausgabe 20 (Vout) einer Impedanzdetektionsschaltung 50,
welche funktionsbezogen gleich der elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltung 10 ist, über den
Widerstand 46 mit dem einen Eingang der Addierschaltung
verbunden, und Vin der Impedanzdetektionsschaltung 50 wird über den
Widerstand 45 mit dem anderen Eingang der Addierschaltung
verbunden. Da diese Signalausgabe 20 gegenüber Vin
invertiert ist, kann das Signal, welches der vom Spannungsgenerator
erzeugten Spannung entspricht, gelöscht werden, indem es hinzuaddiert
wird. Im Vergleich damit werden in 6 die Ausgabe
aus dem Wechselspannungssignalausgang der Impedanzdetektionsschaltung 50 und
die Ausgabe aus dem Signalausgabeanschluß Vout so verwendet, wie sie
sind. Da diese beiden Signale gegenüber Vin invertiert sind, wie
in diesem Schaltbild dargestellt ist, wird der Subtraktionskreis benötigt, wenn
diese Signale so verwendet werden, wie sie sind. Die jeweiligen
Eingänge
der Addiereinheit und der Subtraktionseinheit sind kompatibel austauschbar.
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Außerdem ist
zum Beispiel in den elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltungen 10 und 30 der
Kondensator 15 zwischen den Operationsverstärker 14 und
den Impedanzumwandler 16 geschaltet, um den elektrischen
Strom zu detektieren, der durch den Kondensator 17 fließt. An seiner
Stelle kann aber ein Impedanzelement, wie z.B. ein Widerstand oder
eine Induktivität,
geschaltet werden. Wird zum Beispiel ein Widerstand mit einem Widerstandswert
R3 an der Stelle des Kondensators 15 geschaltet, dann ergibt
sich die Spannung Vout des Detektionssignals, das aus dem Ausgabeanschluß 20 der elektrostatischen
Kapazitätsdetektionsschaltung 10 ausgegeben
wird, anstelle des obigen Ausdrucks 5 zu: Vout = V01 = [(1 + R3· ΔCs·ωc·cos(ωc·t))sin(ωin·t) + R3(Cd + ΔCs·sin(ωc·t))ωin·cos(ωin·t)]·(Vin/A) (Ausdruck 11)
- ΔCs:
- Kapazitätsveränderung
des zu detektierenden Kondensators
- ωc:
- eine Frequenz des
zu detektierenden Kondensators
- Cd:
- unveränderliche
Standardkapazität
des zu detektierenden Kondensators
- ωin:
- eine Frequenz der
Eingangsspannung.
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Selbst
in diesem Falle gibt es keine Abweichung zu dem Sachverhalt, daß die Spannung
V04 des Detektionssignals proportional zum Kapazitätswert Cs
ist. Demzufolge können
ein unbekannter Kapazitätswert
Cs und die Veränderung
der Kapazität leicht
durch das Ausführen
verschiedener Signalbearbeitungen auf Basis dieser Spannung V04
bestimmt werden.
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Wie
in 7 dargestellt ist, kann in den elektrostatischen
Kapazitätsdetektionsschaltkreisen 10 und 30 gemäß den obigen
Ausführungsformen
ein Widerstand 18 hinzugefügt und parallel zu dem Kondensator 15 geschaltet
werden. Auf diesem Wege wird ein Anschlußpunkt für den Kondensator 15 und den
Kondensator 17 über
den Widerstand 18 mit dem Ausgangsanschluß des ersten
Operationsverstärkers 14 verbunden,
so daß das
Auftreten eines schwebenden Zustands durch eine Gleichstromform vermieden
werden und das Potential fixiert werden kann.
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Auch
alle diejenigen Bauelemente, die als anzuschließende Impedanz zugeschaltet
werden, enthalten eine unbekannte Kapazität (in einem Halbleiterchip,
auf einer Tafelverdrahtung, auf einer Baugruppenverdrahtung usw.),
oder auch alle Meßumformer(-Vorrichtungen),
welche verschiedene physikalische Größen detektieren, wie z.B. ein
Kondensatormikrofon, ein Beschleunigungssensor, ein Seismograph,
ein Drucksensor, ein Verschiebungssensor, ein Annäherungssensor,
ein Berührungssensor, ein
Ionensensor, ein Feuchtigkeitssensor, ein Regensensor, ein Schneesensor,
ein Gewittersensor, ein Aufstellungssensor, ein Fehlkontaktsensor,
ein Konfigurationssensor, ein Endpunktnachweissensor, ein Schwingungssensor,
ein Ultraschallwellensensor, ein Winkelgeschwindigkeitssensor, ein
Flüssigkeitsmengensensor,
ein Gassensor, ein Infrarotstrahlensensor, ein Strahlungssensor,
ein Wasserstandsanzeiger, ein Frostsensor, ein Feuchtigkeitsmesser,
ein Vibrometer, ein Elektrisierungssensor, ein allgemein bekannter
Sensor vom Kapazitätstyp,
wie z.B. eine Inspektionsvorrichtung für eine gedruckte Leiterplatte,
und dergleichen mehr.
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Mit
der obigen Erläuterung
ist verdeutlicht worden, daß von
der Impedanzdetektionsschaltung und der elektrostatischen Kapazitätsdetektionsschaltung
gemäß vorliegender
Erfindung der Impedanzwert der zu detektierenden Impedanz ermittelt
wird, indem über
den Widerstand eine Wechselspannung an den Operationsverstärker angelegt
und die zu detektierende Impedanz in die negative Rückkopplungsschleife
des Operationsverstärkers
geschaltet wird. Das heißt,
das kapazitive Impedanzelement ist zwischen dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers, dessen
nicht invertierender Eingangsanschluß mit dem spezifischen Potential
verbunden ist, und dem Eingangsanschluß des Impedanzumwandlers geschaltet,
und weiterhin ist die zu detektierende Impedanz zwischen dem Eingangsanschluß des Impedanzumwandlers
und dem spezifischen Potential geschaltet.
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Auf
diese Weise fließt
der größte Teil
des elektrischen Stromes, welcher zu der zu detektierenden Impedanz übertragen
wird, zu dem Impedanzelement, so daß ein genaues Signal, welches
dem Impedanzwert der zu detektierenden Impedanz entspricht, zum
Ausgangsanschluß des
Operationsverstärkers
ausgegeben wird, was das Detektieren einer sehr kleinen Impedanz
möglich
macht. Insbesondere dann, wenn alle Impedanzen kapazitiv sind, kann eine
sehr kleine Kapazität,
die in der Größenordnung von
fF oder darunter liegt, detektiert werden, und es wird eine Messung
ermöglicht,
die nicht von der Frequenz der Veränderung in der zu detektierenden
Kapazität
abhängt.
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Da
der nicht invertierende Eingangsanschluß des Operationsverstärkers mit
dem spezifischen Potential verbunden ist und das Potential an dem
einen Ende des Eingangsanschlusses fest ist, wird der Operationsverstärker stabil
betrieben, der Betriebsfehler verringert und das dem Detektionssignal
beigemischte Rauschen unterdrückt.
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Da
das kapazitive Impedanzelement zwischen dem Operationsverstärker und
dem Impedanzumwandler geschaltet ist, ist auch die Nachweisempfindlichkeit
gewährleistet,
die nicht von einer Frequenz der an den Operationsverstärker angelegten Wechselspannung
und einer Frequenz einer Veränderung
in der Kapazität
der zu detektierenden Impedanz abhängt. Wenn der Widerstand zwischen
dem Operationsverstärker
und dem Impedanzumwandler angeschlossen ist, dann wird außerdem eine
Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses infolge des thermischen
Rauschens vom Widerstand kein Problem verursachen.
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Hierbei
ist es möglich,
zu der Impedanzdetektionsschaltung die invertierende Verstärkungsschaltung,
welche ein Signal am Signalausgabeanschluß invertiert, und die Addierschaltung
hinzuzufügen,
welche das Ausgangssignal des Impedanzumwandlers und das Ausgangssignal
des invertierenden Verstärkungsschaltkreises
addiert. Dadurch werden jegliche unnötige Offsetkomponenten, die
im Ausgangssignal der Impedanzdetektionsschaltung enthalten sind,
beseitigt, und ein Nettosignal, das dem Impedanzwert der zu detektierenden
Impedanz entspricht, kann erheblich verstärkt werden.
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Wie
bereits erwähnt
wurde, vermindert die vorliegende Erfindung die Einschränkungen
hinsichtlich der Nutzungsumgebung, detektiert genau eine sehr kleine
Impedanz und verwirklicht eine Impedanzdetektionsschaltung sowie
eine elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung
und dergleichen, die für
eine Miniaturisierung geeignet sind, und es wird insbesondere die
Klanggüte
der leichten und kompakten Audiokommunikationsgeräte, wie
z.B. eines Mobiltelefons, zusehends verbessert, und ihr praktischer
Wert ist außerordentlich
hoch.
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INDUSTRIELLE
VERWENDBARKEIT
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Die
elektrostatische Kapazitätsdetektionsschaltung
gemäß vorliegender
Erfindung kann als eine Detektionsschaltung eines Sensors vom Kapazitätstyp, insbesondere
als ein Mikrofongerät,
verwendet werden, welches mit kompakten und leichten Geräten, wie
z.B. einem Mobiltelefon, ausgerüstet ist.