DE69931104T2

DE69931104T2 - Impedanz-spannungswandler

Info

Publication number: DE69931104T2
Application number: DE69931104T
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Nishinomiya-shi Hiroshima; Koichi Nishinomiya-shi NAKANO; Muneo Nishinomiya-shi HARADA; Toshiyuki Sanda-shi Matsumoto; Yoshihiro Kyoto-shi HIROTA
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Hokuto Electronics Inc
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Hokuto Electronics Inc
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2019-01-15
Also published as: EP0970386B8; DE69931217D1; KR20010005556A; IL131784A0; US6331780B1; JP2000515253A; AU2074199A; WO1999038019A1; DK0970387T3; KR100558379B1; AU1890099A; CN1255974A; TW448302B; AU724788B2; WO1999038020A1; EP0970387A1; JP3302377B2; IL131891A0; EP0970386B1; DE69931104D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Impedanzzu-Spannungs-Umwandlungsvorrichtung (nachstehend "ein Z/V-Umwandler" genannt) zum Ausgeben einer einem Impedanzwert eines zu erfassenden Ziels entsprechenden Spannung unter Verwendung eines Operationsverstärkers. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Z/V-Umwandler, der einen Operationsverstärker verwendet. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Z/V-Umwandler, der einen Operationsverstärker verwendet, der den Einfluss von Streukapazitäten auf einer Signalleitung entfernen kann und dadurch eine einer Impedanz eines zu erfassenden Ziels entsprechende Spannung umso genauer erzeugen kann.
Technischer Hintergrund
1 zeigt schematisch einen elektrostatischen Kapazität-zu-Spannungs-Umwandler gemäß dem Stand der Technik, der in der japanischen Patentoffenlegung Nr. 61-14578 beschrieben ist. Dieser elektrostatische Kapazität-zu-Spannungs-Umwandler wurde vorgeschlagen, um die nachfolgenden Probleme zu lösen, die durch Streukapazitäten auf einem Kabel verursacht werden, das eine unbekannte elektrostatische Kapazität mit einem Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers verbindet. Das heißt, die Streuka pazitäten auf dem Kabel werden der zu erfassenden, elektrostatischen Kapazität überlagert, und die Werte der Streukapazitäten variieren aufgrund von Bewegungen, Biegen usw. des Kabels, so dass der Impedanzwert der elektrostatischen Kapazität nicht in eine korrekt assoziierte Spannung umgewandelt werden kann.
Die japanische Patentzusammenfassung (JP 09-280806) offenbart eine Versatzmessungsvorrichtung, die einen konstanten Strom verwendet. Die EP 0 500 203 offenbart einen geschirmten Draht und ein Kabel, das einen von einem Netzgeflecht umgebenen Kern umfasst.
Kurzfassung der Erfindung
Wie gemäß dem Stand der Technik gezeigt, wird der Einfluss von Streukapazitäten auf den Leitungen bedeutend, wenn der Wert der unbekannten elektrostatischen Kapazität Cx kleiner ist, wodurch ein Problem dahingehend verursacht wird, dass der Umwandler an einer korrekten Umwandlung der Kapazität Cx in eine Spannung gehindert wird. Außerdem kann in einem Fall, in dem eine Elektrode der Kapazität Cx auf eine bestimmte Spannung vorgespannt wird, kein Wechselspannungssignal an die Kapazität Cx angelegt werden, wodurch ein anderes Problem dahingehend verursacht wird, dass die Kapazität Cx überhaupt nicht in eine Spannung umgewandelt werden kann.
Die Erfindung ist vorgeschlagen, um derartige Probleme zu lösen, die einem gemäß 1 gezeigten Stand der Technik innewohnen. Deshalb liegt eine Aufgabe der Erfindung im Bereitstellen einer Impedanz-zu-Spannungs-Umwandlungsvorrichtung (Z/V-Umwandler), der (die) in der Lage ist, ei nen Impedanzwert Z eines Ziels oder einer zu erfassenden Komponente ohne jedweden Einfluss von Streukapazitäten, die zwischen einer Signalleitung und einer Abschirmeinrichtung auftreten, mit hoher Genauigkeit in eine Spannung V umzuwandeln, selbst wenn der Impedanzwert Z vergleichsweise klein ist.
Außerdem liegt eine Aufgabe der Erfindung im Bereitstellen eines Z/V-Umwandlers, der in der Lage ist, den Impedanzwert Z eines Ziels oder einer zu erfassenden Komponente ohne Einfluss durch Streukapazitäten zwischen einer Signalleitung und einer Abschirmeinrichtung mit hoher Genauigkeit in eine Spannung V umzuwandeln, selbst wenn eine Elektrode des Ziels auf einer bestimmten Spannung gehalten wird.
Um die vorstehend beschriebenen Aufgaben zu erreichen, ist eine Impedanz-zu-Spannung-(Z/V)-Umwandlungsvorrichtung zur Umwandlung einer Impedanz eines Ziels in eine Spannung, mit einem Operationsverstärker, der eine zwischen einem Ausgangsanschluss und seinem invertierenden Eingangsanschluss verbundene Rückkopplungsimpedanzschaltung aufweist, einer Signalleitung, deren eines Ende mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und deren anderes Ende mit einer Elektrode des Ziels verbunden ist, und einer Abschirmung, die zumindest einen Abschnitt der Signalleitung umgibt und mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden ist, und einer Wechsel-(AC)-Spannungssignalerzeugungseinrichtung, die mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und nicht mit der Elektrode des Ziels verbunden ist und die dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss und der Abschirmung eine AC-Konstantamplitude und ein Fre quenzspannungssignal unabhängig bereitstellt, bereitgestellt.
Die abschirmende Schicht umfasst vorzugsweise eine Netzstruktur oder eine Hülsenstruktur. Außerdem ist bevorzugt, dass die Abschirmung ferner eine zweite abschirmende Schicht enthält, die die äußere Oberfläche der ersten abschirmenden Schicht umgibt, die eine Netzstruktur oder eine Hülsenstruktur umfasst und die mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers und der Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung oder einer Referenzspannung verbunden ist.
Vorzugsweise weisen die Impedanz des Ziels und der Rückkopplungsimpedanzschaltung die gleiche Eigenschaft auf, die eine resistive, kapazitive oder induktive oder jedwede Kombination derer umfasst. In einem derartigen Fall kann das Signal-/Rausch-Verhältnis der Vorrichtung verbessert werden. Andere Kombinationen können akzeptabel sein, und falls die Impedanz des Ziels eine elektrostatische Kapazität ist, und die Rückkopplungsimpedanzschaltung ein Widerstand ist, dann ist es leicht, den Operationsverstärker und die Rückkopplungsimpedanzschaltung in einem Chip zu integrieren.
Wird eine Erzeugungseinrichtung einer dem Impedanzwert des Ziels entsprechenden Gleichspannung bereitgestellt, dann wird eine weitere Verarbeitung erleichtert.
Es ist ebenso möglich, den Z/V-Umwandler derart zu modifizieren, dass die Rückkopplungsimpedanzschaltung eine unbekannte, zweite Zielimpedanz darstellt, in welchem Fall eine Ausgangsspannung des Operationsverstärkers dem Verhältnis der ersten und zweiten Zielimpedanzen entspricht.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Schaltungsdiagramm eines elektrostatischen Kapazität-zu-Spannungs-Umwandlers gemäß einem Stand der Technik,
2 ein Schaltungsdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Impedanz-zu-Spannungs-(Z/V-)-Umwandlers,
3 ein Graph eines getesteten Beispiels der Beziehung zwischen einer Kapazität Cx und einer Ausgangsspannung Vo, wobei eine Impedanz eines zu erfassenden Ziels die Kapazität darstellt,
4 ein Schaltungsdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Z/V-Umwandlers,
5(A) und 5(B) Graphen der Ergebnisse eines unter Rauscheinfluss getesteten Beispiels unter Verwendung des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels,
6 ein Schaltungsdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Z/V-Umwandlers, und
7 ein Schaltungsdiagramm des ersten Ausführungsbeispiels, wenn das Ziel eine elektrostatische Kapazität als eine Impedanz aufweist und die Rückkopplungsimpedanzschaltung aus einem Widerstand besteht.
Beste Betriebsart zum Ausführen der Erfindung
Nachstehend ist ein erfindungsgemäßer Z/V-Umwandler ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden 2 bis 7 beschrieben.
2 zeigt ein schematisches Schaltungsdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Z/V-Umwandlers. Gemäß 2 bezeichnet Bezugszeichen 1 einen Operationsverstärker, der eine Spannungsverstärkung aufweist, die extrem viel größer als eine Kreisverstärkung ist. Eine Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 ist zwischen einem Ausgangsanschluss 2 und einem invertierenden Eingangsanschluss (–) des Operationsverstärkers 1 verbunden, um eine negative Rückkopplungsschleife über den Operationsverstärker 1 zu bilden. Die Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 kann eine beliebige Impedanzkomponente sein, wie ein Widerstand, eine Kapazität, eine Induktivität oder jedwede Kombination derer. Der Operationsverstärker 1 weist einen nicht-invertierenden Eingangsanschluss (+) auf, der mit einer Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 zum Erzeugen einer Wechselspannung (AC-Spannung) verbunden ist. Der invertierende Eingangsanschluss (–) des Operationsverstärkers ist ebenso mit einem Ende einer Signalleitung 5 verbunden. Mit dem anderen Ende der Signalleitung 5 ist eine fühlende Elektrode 6₁ eines Ziels oder einer Zielkomponente 6 verbunden, deren Impedanzwert gemessen wird. Das Ziel kann eine beliebige Impedanzkomponente darstellen, wie ein Widerstand, eine Kapazität, eine Induktivität oder jedwede Kombination derer. Die andere Elektrode 6₂ des Ziels 6 ist geerdet oder an eine konstante Gleichspannung angeschlossen (die nicht dem Massepotential gleicht), oder in einem offenen Zustand oder Nicht-Verbindungszustand gehalten. Obwohl an die zweite Elektrode 6₂ eine Wechselvorspannung angelegt sein kann, wäre eine komplizierte mathematische Analyse für eine Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 erforderlich.
Eine aus einer Abschirmschicht bestehende Abschirmung 7 umhüllt die Signalleitung 5, um zu verhindern, dass externe, unerwünschte Signale, wie Rauschen, in die Signalleitung 5 eingebracht werden. Die Abschirmung 7 ist nicht geerdet, sondern ist mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss (+) des Operationsverstärkers 1 und somit der Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 verbunden.
Da der Operationsverstärker 1 mit der negativen Rückkopplung mittels der die Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 enthaltenden Schaltung versehen ist und er eine Spannungsverstärkung aufweist, die weit größer als seine Kreisverstärkung ist, befinden sich der invertierende Eingangsanschluss (–) und der nicht-invertierende Eingangsanschluss (+) des Operationsverstärkers 1 in einem imaginären Kurzschlusszustand, so dass eine Spannungsdifferenz dazwischen im Wesentlichen Null beträgt. Demgemäß weisen die Signalleitung 5 und die Abschirmung 7, die jeweils mit dem invertierenden und nicht-invertierenden Eingangsanschluss verbunden sind, dieselbe Spannung auf, so dass es möglich ist, jedwede Streukapazitäten, die zwischen der Signalleitung 5 und der Abschirmung 7 stattfinden können, zu beseitigen. Dies ist ungeachtet der Länge der Signalleitung 5 wahr und dies ist ebenso wahr, auch wenn die Signalleitung 5 bewegt, gebogen oder geknickt wird.
Es ist angenommen, dass die Wechselspannungsausgabe der Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 Vi ist, der unbekannte Impedanzwert des Ziels 6 Zx ist, ein durch das Ziel 6 fließender Strom i₁ ist, ein bekannter Impedanzwert der Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 Zf ist, ein durch die Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 fließender Strom i₂ ist, eine Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluss (–) des Operationsverstärkers 1 Vm ist, und dass eine Ausgangsspannung des Operationsverstärkers Vo ist. Es ist ferner angenommen, dass die zweite Elektrode 6₂ des Ziels 6 geerdet ist. Die Spannung Vm bei dem invertierenden Eingangsanschluss (–) ist die gleiche wie die Wechselspannung Vi, die von der Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 erzeugt wird, da sich die zwei Eingangsanschlüsse des Operationsverstärkers 1 in einem imaginären Kurzschlusszustand wie vorstehend beschrieben befinden. Das heißt; Vi = Vm.
Die Ströme i₁, i₂ werden durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt: i1 = –Vm/Zx = –Vi/Zx i2 = (Vm – Vo)/Zf = (Vi – Vo)/Zf
Da aufgrund der hinreichend hohen Eingangsimpedanz des Operationsverstärkers 1 i₁ = i2 ist, ist die Ausgangsspannung Vo des Operationsverstärkers 1 durch die nachstehende Gleichung (1) ausgedrückt: Vo = Vi (1+Zf/Zx) (1)
Die Gleichung (1) stellt dar, dass der Operationsverstärker 1 eine Wechselspannung Vo ausgibt, die abhängig von dem Impedanzwert Zx variiert.
Aus dem Vorstehenden ist zu verstehen, dass ein Block 8, der durch Strichpunktlinien gezeigt ist, die die Signalleitung 5, die Abschirmung 7, die Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4, der Operationsverstärker 1, der mit der Signalleitung und der Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 verbunden ist, einen Z/V-Umwandler zum Umwandeln des Impedanzwerts Zx der Zielkomponente 6, die mit dem anderen Anschluss der Signalleitung 5 verbunden ist, in eine dementsprechende Spannung Vo bildet.
Es sei darauf hingewiesen, dass keine zwischen der Signalleitung 5 und der Abschirmung 7 auftretenden Streukapazitäten bei den invertierenden Eingangsanschlüssen oder zwischen den zwei Eingangsanschlüssen des Operationsverstärkers 1 vorkommen, da sich der invertierende und der nicht-invertierende Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 1 in einem imaginären Kurzschlusszustand befinden. Somit enthält die Ausgangsspannung Vo des Operationsverstärkers 1 keinen Ausdruck, der sich auf die zwischen der Signalleitung 5 und der Abschirmung 7 auftretenden Streukapazitäten bezieht. Deshalb entspricht die Spannung Vo aus dem Operationsverstärker 1 lediglich der kleinen Impedanz Zx, selbst wenn der Impedanzwert Zx des Ziels 6 klein ist.
Die Ausgangsspannung Vo des Operationsverstärkers 1 ist wie vorstehend beschrieben durch den Ausdruck (1) darge stellt, wobei der Wert Zf der Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 und die Frequenz und Amplitude des Wechselspannungssignals Vi bekannt sind. Ferner weist der Ausgang Vo des Operationsverstärker 1 dieselbe Frequenz wie die Wechselsignalspannung Vi auf und seine Amplitude kann durch Erfassen der Spitzen des Ausgangssignalverlaufs des Verstärkers 1 erhalten werden. Somit kann durch Lösen der Gleichung (1) der Impedanzwert Zx daraus berechnet werden. In einem Fall, in dem die Impedanz Zx des Ziels 6 eine Kapazität Cx (Zx = 1/(jωCx) darstellt, wobei ω eine Kreisfrequenz der Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 ist, variiert Vo linear gemäß Cx, wie aus der Gleichung (1) offensichtlich. In einer Prüfung wurde die Beziehung zwischen Cx und einer Amplitude von Vo als ein gemäß 3 gezeigter Graph erhalten.
Der Impedanzwert Zx kann alternativ durch Zuführen der Ausgangsspannung Vo zu einer Schaltung, um eine mit der Wechselspannung Vo assoziierte Gleichspannung Vdd zu erhalten, unter Verwendung von Vdd berechnet werden. Die Schaltung, die die der Ausgangsspannung Vo entsprechende Gleichspannung Vdd erzeugt, kann durch jedweden AC-/DC-Umwandler bereitgestellt sein, wie einer Verstärker-/Dämpferschaltung. Eine derartige RC-/DC-Umwandlung kann, falls erforderlich, nach einer Verstärkung der Spannung Vo ausgeführt werden.
Es ist deshalb möglich, eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen des Impedanzwerts Zx des Ziels 6 durch Kombinieren des Blocks 8 und einer Verarbeitungsschaltung, die die Impedanz Zx aus der Ausgangsspannung Vo des Operationsverstärkers 1 oder des Blocks 8, des AC-/DC-Umwandlers und der Verarbeitungsschaltung berechnet, zu implementieren.
In dem gemäß 2 gezeigten, ersten Ausführungsbeispiel kann die Abschirmung 7 eine Abschirmeinrichtung vom Hülsentyp sein. Außerdem kann die Abschirmung 7 in einer Einzelschichtnetzstruktur gebildet sein, die gestrickte, schmale Metallstreifen umfasst, um ein die Signalleitung 5 und die Abschirmung 7 umfassendes, flexibles Koaxialkabel bereitzustellen.
Mit der Abschirmung 7 von der Einzelschichtnetzstruktur würde jedoch ein Hochfrequenzsignal, falls es von der Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 erzeugt würde, aus der Signalleitung 5 durch Mikrolöcher der Netzstruktur 7 entweichen, was zu einer möglichen Beeinflussung der Wechselausgangsspannung Vo führt. Außerdem kann hochfrequentes, externes Rauschen ebenso durch die Mikrolöcher in die Signalleitung 5 eingebracht werden, in welchem Fall die Wechselausgangsspannung Vo durch das externe Rauschen beeinflusst würde. Außerdem kann die Ausgangsspannung Vo aus dem Operationsverstärker 1 variieren, falls ein Bediener ein derartiges Koaxialkabel, das eine Abschirmeinrichtung einer Einzelschichtnetzstruktur aufweist, mit der Hand berührt.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Z/V-Umwandlers, der eine Z/V-Umwandlung mit hoher Genauigkeit durchführen kann, selbst wenn eine Abschirmeinrichtung in einer Netzstruktur zum Bereitstellen von Flexibilität angelegt ist. Gemäß 4 werden die gleichen Komponenten wie jene in dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das zweite Ausführungsbeispiel weicht von dem ersten dahingehend ab, dass eine Schildeinrichtung in einer Doppelschichtnetzstruktur angelegt ist, die eine innere Abschirmung (eine erste Abschirmschicht) 7₁ und eine äußere Abschirmung (eine zweite Abschirmschicht) 7₂ umfasst, wovon beide mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 1 verbunden sind.
Da in dem zweiten Ausführungsbeispiel die Abschirmeinrichtung die Doppelschichtnetzstruktur (die innere und äußere Abschirmung 7₁ und 7₂ ) aufweist, weisen Löcher darin kleinere Durchmesser verglichen mit jenen der Einzelschichtnetzstruktur auf, so dass, selbst wenn ein Hochfrequenzsignal von einer Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 erzeugt wird, das entweichende elektrische Feld des Hochfrequenzsignals aus einer Signalleitung 5 in die Abschirmungen 7₁ und 7₂ verringert wird. Ferner wird der Einfluss von externem Rauschen ebenso verringert. Es ist deshalb möglich, eine Ausgangsspannung Vo zu erzeugen, die einem zu erfassenden Impedanzwert Zx korrekt entspricht. Beispielsweise in einem Fall, in dem die Impedanz eines Ziels 6 eine elektrostatische Kapazität darstellt und die Frequenz des Signals Vi etwa 1 MHz beträgt, kann das Berühren des Koaxialkabels mit der Hand Fluktuationen in dem Ausgang Vo von etwa einigen 100 ppm verursachen, wenn eine Einzelnetzstruktur als die Abschirmeinrichtung verwendet wird, wohingegen eine Doppelnetzstruktur derartige Fluktuationen im Wesentlichen beseitigt, selbst wenn eine Hand das Koaxialkabel berührt.
Es wurde eine das erste und zweite Ausführungsbeispiel als Feuchtigkeitssensoren verwendende Prüfung angewendet, um den Rauscheinfluss, der durch Berühren der Einzelschicht- und Doppelnetzstruktur in den Ausführungsbeispielen verursacht wird, zu untersuchen, wobei die Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 eines jeden Ausführungsbeispiels eingestellt wurde, um ein eine Frequenz von 1 MHz aufweisendes Wechselspannungssignal zu erzeugen, und das Koaxialkabel wurde zeitweilig per Hand berührt. Die 5(A) und 5(B) zeigen jeweils Graphen der Prüfungsergebnisse hinsichtlich des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels, in denen jede Ordinatenachse einen Wechselspannungs-Vo-Ausgang aus dem Operationsverstärker 1 darstellt und jede Abszissenachse eine Zeit t darstellt. T1, T2 und T3 stellen Zeitspannen dar, während denen das Kabel mit der Hand berührt wurde.
Wie aus den 5(A) und 5(B) ersichtlich, wurde deutlich größeres Rauschen in die Ausgangsspannung Vo während den Zeitspannen T1, T2 und T3 in dem ersten Ausführungsbeispiel eingebracht, das die Einzelschichtnetzstruktur verwendet, wohingegen in dem die Doppelschichtnetzstruktur verwendenden zweiten Ausführungsbeispiel die Spannung Vo kein derartiges Rauschen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel enthielt. Es ist deshalb aus der Prüfung offensichtlich, dass die Doppelschichtnetzstruktur sehr effektiv ist, um einen externen Rauscheinfluss auf die Ausgangsspannung zu verringern.
6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Z/V-Umwandlers. Während das dritte Ausführungsbeispiel dem zweiten dahingehend ähnlich ist, dass eine Doppelschichtnetzstruktur als eine Abschirmeinrichtung verwendet wird und eine innere Abschirmeinrichtung 7₁ mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss eines Operationsverstärkers 1 verbunden ist, das dritte Ausführungsbeispiel von dem zweiten Ausführungsbeispiel dahingehend abweicht, dass eine äußere Abschirmung 7₂ geerdet ist.
Die geerdete, äußere Abschirmung 7₂ in dem dritten Ausführungsbeispiel kann jedoch eine Zwischenschichtkapazität, d.h. parasitäre Kapazität zwischen der inneren Abschirmung 7₁ und der äußeren Abschirmung 7₂ verursachen, die 1000 pF/m oder mehr aufweisen kann. Die parasitäre Kapazität wird in dem Maße größer, in dem ein Koaxialkabel (eine Signalleitung 5 und die innere und äußere Abschirmung 7₁ , 7₂ ) länger wird. Ebenso verursacht ein höherfrequentes Signal aus einer Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 eine Verringerung in einer Impedanz der parasitären Kapazität, und führt somit zu einem Anwachsen bei einemm Signalentweichen. Deshalb wird das dritte Ausführungsbeispiel vorzugsweise angewendet, wenn eine fühlende Elektrode 6₁ dem Operationsverstärker 1 vergleichsweise nahe positioniert ist und mit diesem mit einem vergleichsweise kurzen Koaxialkabel verbunden ist, oder wenn die Frequenz eines Signals aus der Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 vergleichsweise niedrig ist.
In jedem des erfindungsgemäßen ersten bis dritten Ausführungsbeispiels ist es bevorzugt, die gesamte Signalleitung 5 durch die Abschirmung 7 oder die innere und äußere Abschirmung 7₁ und 7₂ abzuschirmen. Es ist insbesondere bevorzugt, die gesamte Vorrichtung mit Ausnahme der fühlenden Elektrode 6₁ abzuschirmen. Es kann jedoch abhängig von Anwendungsbedingungen des Z/V-Umwandlers möglich sein, lediglich einen Teil der Signalleitung 5 (mehr als 10% davon) zu bedecken. Es kann ferner wie vorstehend beschrieben das Ziel 6 eine beliebige Impedanzkomponente darstellen, wie ein Widerstand, eine Kapazität, eine Induktivität oder jedwede Kombination derer.
Wird ein Kapazitätselement Cx als das Ziel 6 verwendet, dann stellen das erste bis dritte Ausführungsbeispiel Kapazität-zu-Spannungs-(Z/V-)-Umwandler bereit und bilden somit kapazitive Sensoren. In diesem Fall ist eine Elektrode 6₂ des Kapazitätselements Cx geerdet, auf eine geeignete Vorspannung eingestellt, oder im freien Raum belassen. "Kapazitive Sensoren", bei denen die Erfindung angewendet werden kann, enthalten beliebige kapazitive Sensoren, wie einen Beschleunigungssensor, ein Seismometer, einen Drucksensor, einen Versatzsensor, einen Versatzmesser, einen Annäherungssensor, einen Berührungssensor, einen Ionensensor, einen Luftfeuchtigkeitssensor, einen Regentropfensensor, einen Schneesensor, einen Blitzschlagsensor, einen Ausrichtungssensor, einen Sensor für fehlende Berührung, einen Formsensor, einen Entpunkterfassungssensor, einen Vibrationssensor, einen Ultraschallsensor, einen Winkelgeschwindigkeitssensor, einen Flusssensor, einen Gassensor, einen Infrarotsensor, einen Strahlungssensor, einen Niveausensor, einen Frostsensor, einen Feuchtigkeitssensor, einen Vibrationsmesser, einen Ladungssensor usw.
Die Erfindung kann ebenso bei einer Leiterplattenprüfvorrichtung angewendet werden. Es wird insbesondere für eine Leiterplatte eine Bestimmung durchgeführt, ob diese hinsichtlich der Größenordnung, Einheitlichkeit usw. von parasitären, elektrostatischen Kapazitäten auf der Platte verwendbar ist, oder nicht. Wird das Ziel als jeder Ab schnitt behandelt, in dem die Elektrode 6₁ die Platte berührt, dann kann eine dem elektrostatischen Kapazitätswert Cx entsprechende Spannung bei dem Abschnitt von dem Operationsverstärker 1 erzeugt werden, wodurch es ermöglicht wird, zu bestimmen, ob die Platte verwendbar ist, oder nicht. In diesem Fall kann ein Block 9, der durch eine Strichpunktlinie gemäß 2, 4 und 6 umgeben ist und der die Elektrode 6₁ , die Signalleitung 5, die Abschirmung 7 oder innere Abschirmung 7₁ und äußere Abschirmung 7₂ den Operationsverstärker 1, die Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 und eine Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 enthält, ebenso einen elektrostatischen Kapazität-zu-Spannungs-Umwandler zum Ausgeben einer Spannung Vo bilden, die abhängig von der elektrostatischen Kapazität Cx variiert. Es kann außerdem eine elektrostatische Kapazitätserfassungsvorrichtung zum Herleiten des Kapazitätswerts Cx durch Kombinieren des Blocks 9 mit einer Einrichtung zum Verarbeiten der Ausgangsspannung Vo implementiert werden.
Es ist bevorzugt, dass eine Kapazität als die Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 verwendet wird, wenn das Ziel 6 eine kapazitive Komponente darstellt, ein Widerstand oder eine Kapazität als die Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 verwendet wird, wenn das Ziel 6 eine resistive Komponente darstellt, und eine Induktivität, ein Widerstand oder eine Kapazität, die/der das beste Signal-/Rauschverhältnis zeigt, als die Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 verwendet wird, wenn das Ziel 6 eine induktive Komponente darstellt. Durch Bereitstellung einer Rückkopplungsimpedanzschaltung 3, die die gleichen Impedanzmerkmale wie die Zielkomponente 6 aufweist, kann mehr Rauschen verringert werden.
Es versteht sich jedoch von selbst, dass ein ein verschiedenes Impedanzmerkmal aufweisendes Element mit der Zielkomponente 6 kombiniert werden kann. Es kann beispielsweise wie gemäß 7 gezeigt ein Widerstand als Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 verwendet werden, wenn das Ziel 6 eine kapazitive Komponente Cx darstellt. Die Verwendung eines Widerstands als die Rückkopplungsimpedanzschaltung erleichtert das Bilden des Operationsverstärkers 1 und des Rückkopplungswiderstands 3 in einem Chip. In diesem Fall kann die Ausgangsspannung Vo unter der Annahme, dass der Ausgang der Wechselspannungssignalerzeugungseinrichtung 4 eine Kreisfrequenz ω aufweist, und der Widerstandswert des Rückkopplungswiderstands 3 Rf beträgt, aus der Gleichung (2) wie folgt ausgedrückt werden: Vo = Vi(1+jωRfCx) (2)
Es können alternativ eine Parallelschaltung eines Widerstands und einer Kapazität oder dergleichen als die Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 verwendet werden. Ferner sind alternativ jedwede Kombinationen möglich.
Wie aus der Gleichung (1) ersichtlich, kann die Verbindungsposition der Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 durch jene des zu erfassenden Ziels 6 ersetzt werden. Das heißt, das Ziel 6 kann zwischen dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers verbunden sein, während eine bekannte Impedanzschaltung mit dem Ende der Signalleitung 5 verbunden sein kann. In diesem Fall muss eine Abschirmeinrichtung bereitgestellt sein, um zwei Leitungen zum Verbinden von zwei fühlenden Elektroden des Ziels 6 mit dem invertierenden Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 1 zu bedecken.
Die Rückkopplungsimpedanzschaltung 3 kann ebenso eine unbekannte Impedanzkomponente sowie das Ziel 6 darstellen. In diesem Fall stellt die Ausgangsspannung Vo eine von dem Verhältnis von Zx zu Zf (=Zf/Zx) abhängige Wechselspannung dar, da Zf und Zx auf der rechten Seite der Gleichung (1) beide unbekannte Werte sind. Als eine beispielhafte Anwendung eines derartigen Aufbaus, der zwei unbekannte Impedanzobjekte enthält, ist ein zweiachsiger Beschleunigungssensor gedacht. Der zweiachsige Beschleunigungssensor funktioniert derart, dass in dem Maße, in dem die Impedanz eines Sensors als Antwort auf eine anwachsende Beschleunigung größer wird, die Impedanz des anderen Sensors kleiner wird. Deshalb variiert der Wert des Impedanzverhältnisses beträchtlich, selbst wenn die jeweiligen Impedanzen kleine Änderungsbeträge zeigen. Da die Wechselausgangsspannung Vo entsprechend dem Impedanzverhältnis variiert, das selbst bei derartig leichten Änderungen in dem jeweiligen Impedanzwert beträchtlich variiert, ist es möglich, die Erfassungsempfindlichkeit des zweiachsigen Beschleunigungssensors deutlich zu verbessern.
In dem gemäß 7 gezeigten Z/V-Umwandler kann beispielsweise die Rückkopplungsimpedanzschaltung oder -Element 3 ebenso eine unbekannte resistive Komponente darstellen. Variieren die Impedanzen Zf = Rf und Zx = 1 durch ωCx der resistiven Komponente 3 und der kapazitiven Komponente 6 als Antwort auf eine Variante Y, wie Druck, Temperatur oder dergleichen, dann variiert der Wert des Verhältnisses Zf/Zx abhängig von der Variante Y, wodurch eine Ausgangsspannung Vo erzeugt wird, deren Amplitude als Antwort auf die Variante Y variiert.
Ebenso kann eine Kombination derartiger Impedanzkomponenten es der Ausgangsspannung Vo ermöglichen, ihre Amplitude als Antwort auf die Variante Y linear zu variieren, selbst wenn zwei unbekannte Impedanzkomponenten als Antwort auf eine bestimmte Variante Y nicht linear variieren. Im Gegensatz dazu kann die Ausgangsspannung dahingehend ausgelegt werden, nicht-linear zu variieren, selbst wenn jeweilige Impedanzkomponenten als Antwort auf eine Variante Y linear variieren.
Die vorstehend beschriebene Erfindung kann positive Effekte wie folgt erzeugen:

(1) Da sich eine mit einer Impedanzkomponente oder Zielkomponente unter Erfassung verbundene Signalleitung und eine dieselbe umgebende Abschirmung auf Grund des imaginären Kurzschlusses eines Operationsverstärkers auf derselben Spannung befinden, ist es möglich, eine Spannung, die lediglich von einem Impedanzwert der Zielkomponente ohne jedweden Einfluss einer parasitären Kapazität, die möglicherweise zwischen der Signalleitung und der Abschirmung gebildet ist, zu erzeugen. Deshalb kann eine Z/V-Umwandlung mit hoher Genauigkeit erreicht werden, selbst wenn lediglich ein sehr kleiner Impedanzwert zu erfassen ist.
(2) Selbst wenn eine Elektrode einer Zielkomponente auf eine bestimmte Spannung vorgespannt ist, ist es möglich, eine einem Impedanzwert der Zielkomponente entsprechende Spannung zu erzeugen.
(3) Mit einer in einer Doppelnetzstruktur angelegten Abschirmung kann ein Signalentweichen aus einer Signalleitung und Einbringen von externem Rauschen in die Signalleitung verringert werden, während ein flexibles Koaxialkabel bereitgestellt wird, wodurch es ermöglicht wird, eine Z/V-Umwandlung mit hoher Genauigkeit zu realisieren.
(4) Wird eine Rückkopplungsimpedanz als eine zweite unbekannte Impedanzkomponente behandelt, dann kann eine einem Impedanzverhältnis der zwei Impedanzkomponenten entsprechende Ausgangsspannung ohne jedweden Einfluss einer parasitären Kapazität einer Signalleitung mit hoher Genauigkeit erzeugt werden.
(5) Selbst wenn eine Signalleitung vergleichsweise lang ist, ist es möglich, einen Impedanzwert eines Ziels genau zu erfassen, da Streukapazitäten zwischen der Signalleitung und der Abschirmeinrichtung nicht durch die Länge der Leitung beeinflusst werden, und somit ist es möglich, dies zu tun, falls ein Impedanzwert klein ist.

Während bevorzugte Ausführungsbeispiele vorstehend unter Verwendung spezifischer Ausdrücke beschrieben sind, dient eine derartige Beschreibung lediglich der Verdeutlichung, und es soll verstanden werden, dass Änderungen und Variationen durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen.

Claims

Impedanz-zu-Spannung-(Z/V)-Umwandlungsvorrichtung zur Umwandlung einer Impedanz (Zx) eines Ziels (6) in eine Spannung, mit einem Operationsverstärker (1), der eine zwischen einem Ausgangsanschluss und seinem invertierenden Eingangsanschluss verbundene Rückkopplungsimpedanzschaltung (3) aufweist, einer Signalleitung (5), deren eines Ende mit dem invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (1) und deren anderes Ende mit einer Elektrode (6₁ ) des Ziels (6) verbunden ist, und einer Abschirmung (7), die zumindest einen Abschnitt der Signalleitung (5) umgibt und mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (1) verbunden ist, wobei die Z/V-Umwandlungsvorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Z/V-Umwandlungsvorrichtung ferner eine Wechsel-(AC)-Spannungssignalerzeugungseinrichtung (4) umfasst, die mit einem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (1) und nicht mit der Elektrode (6₁ ) des Ziels (6) verbunden ist und die dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss und der Abschirmung (7) eine AC-Konstantamplitude und ein Frequenzspannungssignal (Vi) unabhängig bereitstellt.
Z/V-Umwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Abschirmung (7) eine abschirmende Schicht umfasst, die eine Netzstruktur oder eine Hülsenstruktur aufweist.
Z/V-Umwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Abschirmung (7) eine erste abschirmende Schicht (7₁ ) und eine zweite abschirmende Schicht (7₂ ), die die äußere Oberfläche der ersten abschirmenden Schicht (7₁ ) umgibt, umfasst.
Z/V-Umwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die erste und die zweite abschirmende Schicht (7₁ und 72) eine Netzstruktur oder eine Hülsenstruktur umfassen.
Z/V-Umwandlungsvorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die erste abschirmende Schicht (7₁ ) mit dem nicht-invertierenden Eingangsanschluss des Operationsverstärkers (1) verbunden ist und die zweite abschirmende Schicht (7₂ ) mit einer Referenzspannung (Massepotenzial) verbunden ist.
Z/V-Umwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Impedanzen des Ziels (6) und der Rückkopplungsschaltung (3) die aus resistiv, kapazitiv und induktiv ausgewählte, gleiche Eigenschaft aufweisen.
Z/V-Umwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Rückkopplungsimpedanzschaltung (3) des Operationsverstärkers (1) eine Impedanz (Zf) eines anderen Ziels umfasst, und wodurch die von der Z/V-Umwandlungsvorrichtung ausgegebene Spannung von dem Verhältnis der Impedanz (Zx) des ersten Ziels (6) und der Impedanz (Zf) des zweiten Ziels (3) abhängt.
Z/V-Umwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Rückkopplungsimpedanzschaltung (3) des Operationsverstärkers (1) ein Widerstand ist.
Z/V-Umwandlungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Impedanz (Zx) des Ziels (6) eine elektrostatische Kapazität ist.