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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Impedanz-zu-Spannungs-wandler
und ein assoziiertes Umwandlungs-Verfahren, die zu einer hoch-akkuraten
Wandlung einer Impedanz in eine Spannung unter Verwendung eines
Operationsverstärkers
in einem imaginären
Kurzschlusszustand in der Lage sind.
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STAND DER
TECHNIK
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1 illustriert
allgemein die Konfiguration eines statischen Kapazität-zu-Spannungswandlers, der
in der Japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 61-14578 beschrieben
ist. Dieser statische Kapazität-zu-Spannungswandler
ist vorgeschlagen worden, um ein Problem des Standes der Technik
zu lösen,
der an der Unfähigkeit
genauer Spannungswandlung aufgrund der Tatsache leidet, dass eine Streukapazität eines
Kabels, das verwendet wird, um mit einer unbekannten statischen
Kapazität
verbunden zu werden, der unbekannten statischen Kapazität überlagert
wird, und dass diese statischen Kapazitäten aufgrund von Bewegungen
und Biegungen des Kabels und dergleichen variieren können. Wie
in 1 illustriert, sind ein Wechselstrom (AC)-Signalgenerator OS
und ein Operationsverstärker
OP mit einer unbekannten Kapazität
Cx verbunden, deren Kabel mit Schirmleitungen s abgedeckt sind,
um den Einfluss von Streukapazitäten
Cs1, Cs2, Cs3 zu vermindern. Spezifisch sind ein Ausgang und ein
invertierender Eingang des Operationsverstärkers OP mit einer aus einer
Parallelschaltung einschließlich
eines Widerstandes Rf und eines Kondensators Cf geformten Rückkopplungsschaltung
verbunden. Die unbekannte Kapazität Cx ist an einem Ende mit
dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers OP über eine Schirmleitung s verbunden und mit dem anderen
Ende mit dem AC-Signalgenerator OS über eine andere Schirmleitung s verbunden. Beide Schirmleitungen s und ein nicht-invertierender Eingang
des Operationsverstärkers
OP sind geerdet.
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Bei
der oben beschriebenen Konfiguration wird, da im Wesentlichen keine
Potenzialdifferenz zwischen den zwei Eingängen des Operationsverstärkers OP
auftritt, die Streukapazität
Cs2 nicht geladen. Da die Streukapazität Cs3 als eine Kupplungskapazität beider
Schirmleitungen s betrachtet
wird, kann die Streukapazität
Cs3 auch durch Erden der Schirmleitungen s eliminiert werden. Auf diese Weise wird
der durch die Streukapazitäten
der Kabel zum Verbinden der unbekannten Kapazität Cx ausgeübten Einfluss unter Verwendung
der Schirmleitungen s vermindert,
so dass in den Ladungen gleich der induzierten, auf der unbekannten
statischen Kapazität
Cx in auf dem Kondensator Cs der Rückkopplungsschaltung induziert
wird, was zu einer Ausgabe proportional zur unbekannten statischen
Kapazität
Cx führt, die
vom Operationsverstärker
OP produziert wird. Anders ausgedrückt, annehmend, dass eine Ausgangsspannung
des AC-Signalgenerators
OC Vi ist, wird eine Ausgangsspannung Vo des Operationsverstärkers OP
durch –(Cx/Cf)Vi
ausgedrückt,
so dass der Wandler von 1 verwendet werden kann, um die
unbekannte statische Kapazität
Cx in die Spannung Vo zu wandeln, aus der die unbekannte statische
Kapazität
Cx zusammen mit den bekannten werten Cf und Vi abgeleitet werden
kann.
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JP
09-280806 offenbart ein Verdschiebungsmessgerät vom statischen Kapazitätstyp, bei
dem ein Operationsverstärker
in einem imaginären
Kurzschlusszustand zwischen seinen Eingangsanschlüssen platziert
ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Der
bekannte statische Kapazität-zu-Spannungswandler,
wie oben beschrieben, impliziert jedoch das Problem, dass, wenn
eine unbekannte statische Kapazität Cx kleiner ist, der Einfluss
von Streukapazitäten
prominent wird, so dass die statische Kapazität Cx nicht akkurat in eine
Spannung gewandelt werden kann. Zusätzlich sind, da die Rückkopplungsschaltung
des Operationsverstärkers
OP aus einer Parallelschaltung einschließlich des Widerstandes RF und
des Kondensators Cf gebildet ist, separate Schritte erforderlich,
um einen Widerstand und einen Kondensator auszubilden, um tatsächlich die
notwendigen Komponenten in einen Wandler in einer Ein-Chip-Form
zu integrieren, was Nachteile eines komplizierten Herstellprozesses
und vergrößerter Chip-Größe verursacht.
Da der Kondensator nicht mit einem AC-Signal beschickt werden kann,
wenn eine Elektrode der statischen Kapazität Cx bei einem gewissen Potenzial
vorgespannt ist, kann außerdem eine
Wandlung der statischen Kapazität
Cx in eine Spannung nicht durchgeführt werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist vorgeschlagen worden, um die oben erwähnten Probleme
zu lösen, und
es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Impedanz-zu-Spannungswandler
und ein assoziiertes Wandlungsverfahren bereitzustellen, die dazu
in der Lage sind, hochgenaue Wandlung einer Impedanz in eine Spannung
vorzunehmen, unter Verwendung eines Operationsverstärkers in
einem imaginären
Kurzschlusszustand, um den Einfluss von Streukapazitäten zwischen
einer mit einem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbundenen
Leitung und einer Schirmleitung, welche die Leitung umgibt, zu eliminieren.
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Um
die obige Aufgabe zu lösen,
stellt die vorliegende Erfindung einen Impedanz-zu-Spannungs-Wandler
bereit, der umfasst:
einen Operationsverstärker mit einem invertierenden Eingang,
einem nicht-invertierenden Eingang und einem Ausgang, wobei der
Operationsverstärker
in einem imaginären
Kurzschlusszustand zwischen dem invertierenden Eingang und dem nicht-invertierenden Eingang
platziert ist;
ein Impedanz-Element mit einer unbekannten statischen
Impedanz, das zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang
verbunden ist, der eine Verbindungsleitung mit einem Ende mit dem
Impedanz-Element verbunden aufweist, wobei das andere Ende mit dem
invertierenden Eingang verbunden ist;
ein Schaltungselement
mit einer bekannten Impedanz;
eine Signalleitung, deren eines
Ende mit dem invertierenden Eingang und deren anderes Ende mit dem Schaltungselement
verbunden ist;
eine Schirmung, die zumindest einen Teil der
Signalleitung oder die Signal- und Verbindungsleitungen umgibt,
wobei die Schirmung mit dem nicht-invertierenden Eingang verbunden
ist; und
einen Wechselstromgenerator, der eine konstante Frequenz
und Amplitudenspannung bereitstellt, und der mit dem nicht-invertierenden Eingang
verbunden ist, wobei der Operationsverstärker ein Signal ausgibt, das
einen zu einem von dem Wechselstromgenerator angelegten Wechselstromsignal
proportionalen Wert enthält.
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Auch
stellt zur Erzielung der obigen Aufgabe die vorliegende Erfindung
ein Verfahren zum Wandeln einer Impedanz in eine Spannung bereit,
um eine Wechselstromspannung entsprechend der Änderung der Impedanz eines
Impedanz-Elementes zu erzeugen, wobei das Impedanz-Element eine
unbekannte, statische Impedanz aufweist, umfassend die Schritte:
Bereitstellen
eines Operationsverstärkers
mit einem invertierenden Eingang, einem nicht-invertierenden Eingang
und einem Ausgang;
Verbinden eines Impedanzelements zwischen
dem invertierenden Eingang und dem Ausgang;
Verbinden eines
Schaltungselementes mit einer bekannten Impedanz mit dem invertierenden
Eingang;
Bereitstellen einer Schirmung zum Umgeben zumindest
eines Teils einer Verbindungsleitung, die zwischen dem Impedanzelement
und dem invertierenden Eingang verbunden ist oder sowohl der Verbindungsleitung
als auch einer Signalleitung, die zwischen dem Schaltungselement
und dem invertierenden Eingang verbunden ist;
Verbinden der
Abschirmung und des nicht-invertierenden Eingangs;
Anlegen
am nicht-invertierenden Eingang einer Wechselstromspannung konstanter
Frequenz und Amplitude, wobei der Operationsverstärker ein
Signal ausgibt, das einen Wert proportional zu einem vom Wechselstromspannungsgenerator
angelegten Wechselstromsignal enthält.
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Das
Impedanz-Element kann irgendeiner einer Vielzahl von Sensoren sein,
einschließlich
eines Dehnungssensors, eines geomagnetischen Sensors, eines kapazitiven
Sensors usw. und die Impedanz eines solchen Impedanz-Elements kann
zumindest eine von Resistenz, Induktanz, Kapazität und Konduktanz eines Transistors
sein.
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Die
Schirmung umgibt vorzugsweise die gesamte Signalleitung und die
Verbindungsleitung.
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In
der vorliegenden Erfindung kann der Wechselstrom-Spannungsausgang auf dem Operationsverstärker integriert
sein, um eine Ausgabe einer Gleichstromspannung auszugeben, die
für die
Impedanz des Impedanz-Elementes repräsentativ ist.
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Da
der Operationsverstärker
in einem imaginären
Kurzschlusszustand zwischen dem invertierenden Eingang und dem nicht-invertierenden
Eingang ist, ist es möglich,
eine Streukapazität
zwischen der Verbindungsleitung zum Verbinden eines Impedanz-Elements
mit dem invertierenden Eingang und der die Verbindungsleitung umgebenden
Abschirmung, und eine zwischen der Signalleitung und der die Signalleitung
umgebenden Abschirmung gebildete Streukapazität zu eliminieren. Daher wird
eine der Impedanz des Impedanz-Elements
entsprechende Wechselstromspannung aus dem Operationsverstärker ausgegeben,
ohne an Streukapazitäten
zwischen der Verbindungsleitung, der Signalleitung und der Abschirmung
zu leiden, wie lang diese auch immer sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel eines statischen
Kapazitäts-zu-Spannungswandlers
des Standes der Technik illustriert; und
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2 ist
ein Schaltungsdiagramm, das allgemein eine Ausführungsform eines Impedanz-zu-Spannungswandlers
gemäß der vorliegenden
Erfindung illustriert.
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3 zeigt
ein experimentelles Ergebnis eines Beispiels eines Impedanz-zu-Spannungswandlers
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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4 zeigt
ein experimentelles Ergebnis eines anderen Beispiels eines Impedanz-zu-Spannungswandlers
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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BESTER MODUS
ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend im Detail in Verbindung mit
einer Ausführungsform derselben
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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2 ist
ein Schaltungsdiagramm, das allgemeine eine Ausführungsform eines Impedanz-zu-Spannungswandlers
gemäß der vorliegenden
Erfindung illustriert. Unter spezifischer Bezugnahme auf 2 umfasst
der Impedanz-zu-Spannungs-Wandler
einen Operationsverstärker 1.
Der Operationsverstärker 1 hat
einen Spannungsgewinn, der extrem viel größer ist als ein Geschlossen-Schleifen-Gewinn.
Es ist ein Impedanz-Element 3 zwischen einem Ausgang 2 und
einem invertierenden Eingang (–)
des Operationsverstärkers 1 eingebunden,
um eine negative Rückkopplung
für den
Operationsverstärker 1 zu
bilden. Eine Verbindungsleitung 4 zum Verbinden zwischen
einem Ende des Impedanz-Elements 3 und dem invertierenden
Eingang (–)
des Operationsverstärkers 1 ist
von einer Schirmungsleitung 5 umgeben, um zu verhindern,
dass unerwünschte
Signale wie etwa Rauschen, von Außen induziert werden. Die Schirmungsleitung 5 ist
nicht geerdet, sondern stattdessen mit einem nicht-invertierenden
Eingang (+) des Operationsverstärkers 1 verbunden.
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Es
sollte angemerkt werden, dass eine Verbindungsleitung 4' zum Verbinden
zwischen dem anderen Ende des Impedanz-Elementes 3 und dem Ausgang 2 des
Operationsverstärkers 1 nicht
notwendigerweise geschirmt sein muss, sondern eine nackte Leitung
sein kann. Falls jedoch das Impedanz-Element 3 um einen
bestimmten Abstand oder weiter vom Operationsverstärker 1 weg
positioniert wird, wird die Verbindungsleitung 4' vorzugsweise
mit einer geerdeten Schirmungsleitung abgeschirmt.
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Der
Operationsverstärker 1 ist
mit einem Wechselstromsignal von einem Wechselstrom-Signalgenerator 6 am
nicht-invertierenden
Eingang (+) versorgt und sein invertierender Eingang (–) ist mit dem
anderen Ende einer Signalleitung 7 verbunden. Das andere
Ende der Signalleitung 7 ist mit einem Ende eines Widerstandes 8 verbunden,
der einen bekannten Widerstandswert aufweist. Das andere Ende des
Widerstands 8 ist mit einer bekannten Gleichstrom (DC)-Spannung
vorgespannt.
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Die
Signalleitung 7 ist von einer Schirmleitung 9 umgeben,
um zu verhindern, dass unerwünschte
Signale wie etwa Rauschen oder dergleichen von Außen in der
Signalleitung 7 induziert werden. Die Schirmleitung 9 ist
nicht geerdet, sondern stattdessen mit dem nicht-invertierenden
Eingang (+) des Operationsverstärkers 1 verbunden.
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Wie
aus dem Vorstehenden verständlich, sind
Leitung 5 und Schirmleitung 9 auf dem selben Potenzial
wie der nicht-invertierende
Eingang (+) des Operationsverstärkers 1.
Tatsächlich
können,
wie in 2 illustriert, die Schirmleitung 5 und
die Schirmleitung 9 elektrisch miteinander verbunden sein,
wobei jeder Bereich derselben mit dem nicht-invertierenden Eingang
(+) verbunden ist.
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Der
Operationsverstärker 1 ist
mit einer negativen Rückkopplung über das
Impedanz-Element 3 gebildet und der Operationsverstärker 1 hat
einen Spannungsgewinn, der extrem viel größer ist, als Geschlossen-Schleifengewinn,
so dass der Operationsverstärker 1 in
einem imaginären
Kurzschlusszustand platziert ist. Anders ausgedrückt, ist eine Differenz in
der Spannung zwischen dem invertierenden Eingang (–) und dem
nicht-invertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 1 im
Wesentlichen Null. Somit liegen die Verbindungsleitung 4,
die Schirmleitung 5, die Signalleitung 7 und die
Schirmleitung 9 alle auf demselben Potenzial, was es möglich macht,
den Einfluss von Streukapazitäten,
die anderenfalls zwischen der Verbindungsleitung 4 und der
Schirmleitung 5 und zwischen der Signalleitung 7 und
der Schirmleitung 9 auftreten würden, zu eliminieren. Dies
gilt unabhängig
von den Längen
der Verbindungsleitung 4 und der Signalleitung 7 und
gilt auch unabhängig
von Bewegungen, Verbiegen, Falten usw. der Verbindungsleitung 4 und
der Signalleitung 7.
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Das
Impedanz-Element 3 in 2 kann jegliches
Element sein, wie etwa Widerstand, Induktivität, Kapazität, Konduktanz eines Transistors
usw., solange es eine beliebige Impedanz aufweist und kann beispielsweise
ein Widerstandssensor, wie etwa ein Dehnungsensor, ein Magnetsensor
wie etwa ein Geomagnetsensor und jeglicher willkürlicher kapazitive Sensor sein.
Spezifisch können
mögliche
kapazitive Sensoren alle Vorrichtungen zum Detektieren einer statischen
Kapazität
wie auch jeglichen bekannten kapazitiven Sensor, wie etwa einen Beschleunigungssensor,
Seismometer, Drucksensor, Verschiebungssensor, Verschiebungsmesser,
Näherungssensor,
Berührungssensor,
Ionensensor, Feuchtesensor, Regentropfensensor, Schneesensor, Erleichterungssensor,
Ausrichtungssensor, Berührungsversagensensor,
Formsensor, Endpunkt-Detektierungssensor, Vibrationssensor, Ultraschallsensor,
Winkelgeschwindigkeitssensor, Flüssigkeitsmengensensor,
Gassensor, Infrarotsensor, Strahlungssensor, Pegelmesser, Frostsensor,
Feuchtemesser, Vibrationsmesser, Ladungssensor und Schaltplatinentester
beinhalten.
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Man
nehme an, dass eine Signalspannungsausgabe aus dem AC-Signalgenerator 6 =
V ist; eine Winkelfrequenz der Signalspannung V ω ist, der Widerstand des Widerstands 8 Ro
ist, ein durch den Widerstand 8 fließender Strom i1 ist;
die Impedanz des Impedanz-Elements 3 Zs ist; ein durch
das Impedanz-Element 3 fließender Strom i2 ist;
eine Spannung am invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers 1 Vm
ist und eine Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1 Vout
ist, die Spannung Vm auf dem selben Potenzial liegt wie die Signalspannung
V, die aus dem AC-Signalgenerator 6 am invertierenden Eingang
(–) ausgegeben
wird, da der Operationsverstärker 1 in
einem imaginären
Kurzschlusszustand ist, wie oben erwähnt. Das heißt, die folgende
Gleichung ist erfüllt: V = Vm
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Zusätzlich sind
auch die folgenden Gleichungen erfüllt: i1 = –Vm/Ro (1) i2 =
(Vm – Vout)/Zs (2)
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Da
i1 = i2 ist, ist
die folgende Gleichung erfüllt, wenn
die Ausgangsspannung Vout des Operationsverstärkers 1 unter Verwendung
der Gleichungen (1) und (2) gelöst
wird: Vout = V(1
+ Zs/Ro) (3)
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Die
Gleichung (3) bedeutet, dass eine zur Impedanz Zs korrespondierende
Spannung des Impedanz-Elements 3 am Ausgang 2 des
Operationsverstärkers 1 erzeugt
wird.
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Wie
oben beschrieben, gibt der Impedanz-zu-Spannungswandler, der in 2 illustriert ist,
eine zu einer Impedanz eines Impedanz-Elementes, das zwischen Ausgang
und invertierendem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, korrespondierende
Spannung aus, so dass sie als ein Impedanz-Detektor verwendet werden kann. Zusätzlich kann
beim Impedanz-zu-Spannungswandler von 2, da die
Ausgangsspannung Vout des Operationsverstärkers 1 in Entsprechung
zu einer variierenden Impedanz-Elements 3 variiert, gesehen
werden, dass der Impedanz-zu-Spannungswandler
von 2 auch als eine Vorrichtung zum Detektieren einer
Impedanz-Änderung
eines Impedanz-Elements verwendet werden kann.
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Weiterhin
kann, da die Signalspannung V und der Widerstand Ro in der Gleichung
(3) bekannt sind, die Impedanz Zs des Impedanz-Elements 3 aus der
Gleichung (3) durch Messen einer Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 1,
wenn eine Gleichstromspannung am nicht-invertierenden Eingang (+)
des Operationsverstärkers 1 angelegt
wird, und einer Ausgangsspannung Vout aus dem Operationsverstärker 1,
wenn die Signalspannung V aus dem Wechselstrom-Signalgenerator 6 am
nicht-invertierenden Eingang (+) angelegt wird, und Berechnen der
Differenz zwischen diesen Ausgangsspannungen, abgeleitet werden.
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Da
ein Gleichstrom in Proportion zur Impedanz Zs des Impedanz-Elements 3 durch
Integrieren der Ausgangsspannung Vout des Operationsverstärkers 1 erhalten
werden kann, ist es auch möglich, eine
Impedanz-Messvorrichtung herzustellen, die den Impedanz-zu-Spannungs-Wandler
von 2 einsetzt.
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Für den Zweck
des Verifizierens des Vorgangs der vorliegenden Erfindung sind zwei
Beispiele eines Impedanz-zu-Spannungswandlers
gemäß der vorliegenden
Erfindung strukturiert worden.
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Eines
der Beispiele eines Impedanz-zu-Spannungswandlers umfasst das Impedanz-Element 3,
das ein Widerstand mit einem variablen Widerstand Rf (k∧) ist, der
Widerstand 8, der einen Widerstand R1 gleich 1 MΩ aufweist,
und den Wechselstrom-Signalgenerator 6,
der ein 1 kHz Wechselstromsignal mit einer Amplitude von 2 V bei einer
Versatzspannung von 1 V ausgibt. Wenn die Ausgangsspannung Vout
detektiert wird, während der
Wert von Rf verändert
wird, wird ein in 3 gezeigter Graph erhalten. 3 zeigt
klar, dass die Ausgangsspannung Vout in direktem Verhältnis zu Rf/Ri
steht.
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Das
andere Beispiel des Impedanz-zu-Spannungs-Wandlers umfasst das Impedanz-Element 3, das
ein Kondensator mit einer variablen Kapazität Cf (fF) ist, und den Wechselstrom-Signalgenerator 6, der
ein 1 kHz-Wechselstromsignal mit einer Amplitude von 0,1 V bei einer
Nullspannung von 2,5 V ausgibt. In diesem Beispiel ist anzumerken,
dass ein Kondensator mit einer Kapazität Ci, die gleich 1 pF ist,
anstelle des in 2 gezeigten Widerstands 8 verwendet
wird. Wenn die Ausgangsspannung Vout detektiert wird, während der
Wert von Cf verändert wird,
wird ein in 4 gezeigter Graph erhalten. 4 zeigt
an, dass die Ausgangsspannung Vout in direkter Proportion zu Ci/Cf
steht.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsform
ersichtlich ist, erzeugt die vorliegende Erfindung einmalige Effekte,
wie folgt:
- (1) Als Ergebnis der Verwendung
eines Operationsverstärkers
in einem imaginären
Kurzschlusszustand erscheinen Streukapazitäten, die zwischen einer Verbindungsleitung
1 und einer Signalleitung und Abschirmleitungen produziert werden,
nicht zwischen einem invertierenden Eingang und einem nicht-invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers.
Daher kann beispielsweise bei einem kapazitiven Impedanz-Element,
das mit dem Operationsverstärker
verbunden ist, selbst wenn seine Kapazität sehr klein ist, das heißt in der
Größenordnung
von Femtofarad (1/1000 von Picofarad), der Operationsverstärker eine
Spannung ausgeben, die exakt einer solchen sehr kleinen Impedanz
des Impedanz-Elementes, das gemessen wird, entspricht, ohne an Streukapazitäten zu leiden,
wie erwähnt,
wodurch es ermöglicht
wird, eine hochgenaue Wandlung der Impedanz zu einer Spannung durchzuführen.
- (2) Eine zu einer Impedanz eines beliebigen Impedanz-Elements korrespondierende
Spannung kann hochgenau in nur einer einfachen Schaltungskonfiguration
erhalten werden.
- (3) Da der Impedanz-zu-Spannungswandler der vorliegenden Erfindung
keinen Rückkopplungs-Kondensator
Cf verwenden muss, der bei konventionellen statischen Kapazität-zu-Spannungswandlern
erforderlich war, ist es möglich,
einen komplizierten Prozess der Herstellung des Wandlers in einer
Ein-Chip-integrierten Form und eine vergrößerte Größe des Chips zu vermeiden.