NL8402314A

NL8402314A - RECORDER OR CONVERTER.

Info

Publication number: NL8402314A
Application number: NL8402314A
Authority: NL
Original assignee: Stichting Ct Voor Micro Elektr
Priority date: 1984-07-20
Filing date: 1984-07-20
Publication date: 1986-02-17
Also published as: EP0187808A1; WO1986001056A1

Description

ï r Ca ' Lx 845096/Mm/dwï r Ca 'Lx 845096 / Mm / dw

Opnemer of omzetter 4Sensor or converter 4

Er bestaan opnemers of omzetters voor zeer veel grootheden, waarmede de te meten grootheid in een andere grootheid, meestal een elektrische stroom of spanning, kan worden omgezet, welke laatste geschikt is om te worden afgevoerd en voor weergave of berekening te worden 5 verwerkt.There are sensors or transducers for very many quantities with which the quantity to be measured can be converted into another quantity, usually an electric current or voltage, the latter being suitable for removal and for processing or display.

Een bezwaar van dergelijke opnemers is, dat de omzetting analoog geschiedt, terwijl voor verwerking een digitale vorm de voorkeur verdient, en dat de gevoeligheid dikwijls onvoldoende is.A drawback of such sensors is that the conversion takes place analogously, while a digital form is preferred for processing, and the sensitivity is often insufficient.

De uitvinding beoogt deze nadelen op te heffen, en verschaft 10 een opnemer, die wordt gekenmerkt door een bistabiele trap met een voor de te meten grootheid gevoelig onderdeel, door middelen voor het periodiek in een metastabiele toestand brengen van deze bistabiele trap, door met tenminste een uitgang van deze trap verbonden middelen voor het gedurende een bepaalde tijd tellen van het aantal omslagen vanuit de 15 metastabiele toestand naar de ene of de andere zijde, en door middelen voor het aangeven van deze teluitkomst.The object of the invention is to eliminate these drawbacks and to provide a sensor, which is characterized by a bistable stage with a component sensitive to the quantity to be measured, by means for periodically bringing this bistable stage into a metastable state, by an output of this stage connected means for counting the number of turns from the metastable state to one side or the other for a certain period of time, and by means for indicating this counting result.

In de metastabiele toestand wordt de omslag, wanneer de keten zuiver symmetrisch is, bepaald door de steeds aanwezige ruis, zodat, daar ruis een toevalsverschijnsel is, over een voldoende lange meetperio-20 de het aantal omslagen naar de ene zijde gelijk zal zijn aan dat naar de andere zijde. Zodra een asymmetrie ontstaat, bijvoorbeeld doordat het gevoelige onderdeel van deze keten door een uitwendige invloed een verandering ondergaat, zal de verdeling van de omslagen van de 0,5 : 0,5-verhouding afwijken, totdat bij een bepaalde sterkte van de 25 uitwendige invloed de 1 : 0-verhouding is bereikt, zodat dan de opnemer verzadigd is. Dit verloop is van de sterkte van de uitwendige invloed afhankelijk. Wanneer het verband door ijking is vastgelegd, kan uit de telling van de omslagen de grootte van de te meten grootheid, die deze invloed uitoefent, worden bepaald. Naarmate het aantal omslagen 30 groter is, zal ook de nauwkeurigheid van de meting groter worden.In the metastable state, when the chain is purely symmetrical, the cover is determined by the ever-present noise, so that, since noise is a random phenomenon, over a sufficiently long measurement period the number of turns to one side will be equal to that to the other side. As soon as an asymmetry arises, for example because the sensitive part of this chain undergoes a change by an external influence, the distribution of the covers will deviate from the 0.5: 0.5 ratio, until at a certain strength of the external influence the 1: 0 ratio has been reached, so that the sensor is then saturated. This course depends on the strength of the external influence. When the relationship has been established by calibration, the magnitude of the quantity to be measured which exerts this influence can be determined from the counting of the covers. As the number of covers 30 increases, the accuracy of the measurement will also increase.

Hoewel er bistabièle ketens met een enkele tak bekend zijn, wordt meestal de voorkeur gegeven aan bistabiele ketens met twee takken, die met een gemeenschappelijke voeding zijn verbonden, daar zulke ketens zü|ver symmetrisch kunnen worden gemaakt.Although single branch bistable chains are known, bistable two branch chains which are connected to a common feed are usually preferred, since such chains can be made symmetrical.

35 In de praktijk zalmeestal met een elektrische bistabiele keten 84 02 3 1 4- ’ 5i ' .<£ -2- worden gewerkt, die bij voorkeur als een geïntegreerde keten is uitge-voerd, daar dan de beide takken nauwkeurig symmetrisch kunnen worden gemaakt. Wanneer met een grote schakelfrequentie wordt gewerkt, zal binnen een korte tijd een zodanige meetstatistiek worden verkregen, 5 dat een nauwkeurige meting mogelijk wordt. Frequenties van de orde van grootte van 0,1 MHz zijn mogelijk gebleken, hetgeen een voldoende grondslag voor een betrouwbare statistiek vormt. Deze frequentie wordt daarbij beperkt door de omschakeltijd van de bistabiele trap.In practice, an electrical bistable chain 84 02 3 1 4- '5i' <2 -2 will usually be used, which is preferably designed as an integrated circuit, since the two branches can then be made precisely symmetrical . When working with a large switching frequency, such a measurement statistic will be obtained within a short time that an accurate measurement is possible. Frequencies of the order of 0.1 MHz have been found to be possible, providing a sufficient basis for reliable statistics. This frequency is limited by the switching time of the bistable stage.

Het. is voorts mogelijk door het toevoeren van een hulpstroom 10 of dergelijke in de zin van een evenwichtverstoring te beïnvloeden, hetzij om het evenwicht in te stellen, hetzij om een verschuiving op te heffen, dan wel op een als een voorinstelling dienende evenwichts-verschuiving teweeg te brengen, teneinde aldus de gewenste meetomstan-digheden te verkrijgen.It. is furthermore possible by influencing the supply of an auxiliary current 10 or the like in the sense of an equilibrium disturbance, either to adjust the equilibrium, or to cancel a displacement, or to effect an equilibrium shift serving as a preset so as to obtain the desired measurement conditions.

15 Een metastabiele toestand kan op verschillende wijzen tot stand worden gebracht, zoals door de voeding van de bistabiele trap kortstondig uit te schakelen, of door aan de of elke instelingang signalen van een bepaalde sterkte en duur aan te leggen.A metastable state can be achieved in various ways, such as by briefly turning off the power to the bistable stage, or by applying signals of a certain strength and duration to the or each setting input.

Voor het benutte omslagversehijnsel vanuit de metastabiele toe-20 stand is een toevallige storing nodig, die door de steeds aanwezige ruis wordt verschaft. Wanneer deze ruis onvoldoende is, kan ook een kunstmatige ruis worden toegevoerd, bijvoorbeeld in de vorm van een sinus- of zaagtandstroom, waarvan de frequentie uiteraard zodanig ten opzichte van de omslagfrequentie moet zijn gekozen, dat een statistisch 25 betrouwbare uitkomst wordt verkregen.The utilized wrap-around phenomenon from the metastable state requires an accidental interference provided by the ever-present noise. If this noise is insufficient, an artificial noise can also be supplied, for instance in the form of a sine or sawtooth current, the frequency of which must of course be chosen relative to the turnover frequency, so that a statistically reliable result is obtained.

Een aantal opnemers van deze soort kan tot een samenstel worden verenigd, dat is ingericht om de te meten grootheid in verschillende punten te bepalen, waarbij dan de in- en uitgangen van de bistabiele trappen in de vorm van een register zijn geschakeld, waarbij middelen 50 aanwezig zijn om de door de-standen van deze trappen voorgestelde getallen op geschikte tijdstippen uit te voeren.A number of sensors of this type can be combined into an assembly which is adapted to determine the quantity to be measured in various points, the inputs and outputs of the bistable stages then being connected in the form of a register, wherein means 50 are present to output the numbers represented by the positions of these steps at appropriate times.

Een dergelijk samenstel kan in het bijzonder worden gebruikt voor het vaststellen van de verdeling van een grootheid, waarbij elke trap al dan niet in de verzadiging wordt gedreven, waardoor een tweetallige 35 voorstelling van de verdeling wordt verkregen. De bistabiele trappen kunnen dan in het bijzonder in de vorm van een schuifregister met elkaar zijn verbonden.Such an assembly can be used in particular for determining the distribution of a quantity, each stage being driven into saturation or not, thereby obtaining a binary representation of the distribution. The bistable stages can then be interconnected in particular in the form of a shift register.

8402314 Sé -3-8402314 Sé -3-

Oe uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht aan de hand"van een tekening; hierin toont: fig. 1 een schematische voorstelling van een bistabiele elektrische keten; en 5 fig. 2 een blokschema var. een volledige opnemerketen volgens de uitvinding.The invention will be explained in more detail below with reference to a drawing, in which: Fig. 1 shows a schematic representation of a bistable electrical circuit; and Fig. 2 shows a block diagram of a complete sensor circuit according to the invention.

In fig. 1 is een elektrische bistabiele keten in veralgemeende vorm voorgesteld. Deze omvat twee schakelonderdelen la en lb, in het bijzonder, zoals afgebeeld, transistoren, waarbij niet is aangegeven 10 waar de emissoren en collectoren zijn gelegen, daar dit van de aard van de transistoren afhangt, terwijl eventueel ook veldeffecttransistoren kunnen worden gebruikt.In Fig. 1, an electric bistable circuit is shown in generalized form. It comprises two switching parts 1a and 1b, in particular, as shown, transistors, where it is not indicated where the emissors and collectors are located, since this depends on the nature of the transistors, while field effect transistors may also be used.

Deze transistoren zijn elk tussen twee voedingsklemmen 2a en 3a resp. 2b en 3b geschakeld, welke klemmenparen met een op de gewenste 13 wijze gepoolde stroombron zijn verbonden, waarbij uiteraaard de klemmen 2 resp. 3 van de beide takkeionderling kunnen worden gekoppeld. Weerstanden 4a, 5a resp. 4b, 5b zijn tussen deze klemmen en de transistor la resp, lb aangebracht, welke weerstanden voor de geschikte spanningen aan de transistoren zorgen, waarbij overigens elk van de weerstanden, 20 behalve de weerstanden 4a en 4b, desgewenst kan worden gelaten.These transistors are each between two supply terminals 2a and 3a, respectively. 2b and 3b, which terminal pairs are connected to a current source poled in the desired manner, with terminals 2 and 2, of course, being connected. 3 of the two twins can be coupled. Resistors 4a, 5a resp. 4b, 5b are disposed between these terminals and the transistor 1a and 1b, respectively, which resistors provide the appropriate voltages to the transistors, leaving any of the resistors, except resistors 4a and 4b, optional, if desired.

Bijkomende weerstanden 6a en 6b zijn elk met de basis van de bijbehorende transistor la resp. lb verbonden, en zijndn een desbetreffende kruisverbinding opgenomen, die met een van de elektroden van de andere transistor is verbonden. Zonodig zijn weerstanden 7a en 7b aangebracht 25 om de basisspanning in te stellen, welke weerstanden anderzijds met klemmen 8 resp. 8b zijn verbonden, die bijvoorbeeld onderling of met de :klem 3a resp. 3b kunnen worden verbonden, afhankelijk van de optredende spanningsverdelingen.Additional resistors 6a and 6b are each with the base of the associated transistor 1a and 1, respectively. 1b are connected, and a corresponding cross connection is included, which is connected to one of the electrodes of the other transistor. If necessary, resistors 7a and 7b are provided to adjust the base voltage, which resistors, on the other hand, are provided with terminals 8 and 8, respectively. 8b which, for example, are mutually connected or to the terminal 3a or 3b can be connected depending on the occurring voltage distributions.

Bijkomende aansluitingen 9a en 9b kunnen dienen voor het vaststel-30 len van de toestand van de bistabiele keten, en eventueel voor het toevoeren van een omslagsignaal.Additional connections 9a and 9b can serve to determine the state of the bistable chain, and optionally for supplying a changeover signal.

De werking van een dergelijke ketenis bekend, en behoeft niet uitvoerig te worden beschreven. In de stabiele toestand is een van de transistortoren 1 geleidend, waarbij de spanningsval over de bijbehorende 35 weerstand 4 de basisovergang van de andere transistor 1 ondubbelzinnig in het kerende gebied houdt, terwijl bij omslag van de toestand de verandering van deze spanningen het omslaan ondersteunt.The operation of such a chain is known and does not need to be described in detail. In the steady state, one of the transistors 1 is conductive, the voltage drop across the associated resistor 4 keeping the base transition of the other transistor 1 unambiguously in the reversing region, while upon change of state the change of these voltages supports reversal.

8402314 -4- 1 * ' *.8402314 -4-1 * '*.

Wanneer de keten zich echter in een metastabiele toestand bevindt,However, when the chain is in a metastable state,

JJ

bijvoorbeeld onmiddellijk nadat de voedingsspanning is aangelegd,of nadat door het aanleggen van geschikte spanningen aan de klemmen 9 de beide transistoren geleidend of kerend zijn gemaakt, en deze spanningen 5 vervolgens worden weggenomen, zal onmiddellijk daarna de keten naar een van de stabiele toestanden omslaan. Dit kan een gevolg zijn van een asymmetrie in de keten, terwijl bij een volkomen symmetrie ruisverschijnselen de omslag teweeg zullen brengen. In het laatste geval bestaat er geen voorkeur voor de ene of de andere toestand, zodat bij 10 een groot aantal omslagen 50 % van de omslagen naar de ene, en 50 ?ó ervan naar de andere zijde zullen optreden. In het eerste geval hangt het van de grootte van de asymmetrie en van de sterkte van de ruis af hoeveel omslagen naar de ene of naar de andere zijde zullen plaatsvinden. Vanaf een bepaalde asymmetrie speelt de ruis geen:rol meer, en zal steeds 15 omslag naar de ene zijde optreden.for example, immediately after the supply voltage has been applied, or after the application of suitable voltages to the terminals 9, the two transistors have been made conducting or reversing, and these voltages 5 have subsequently been removed, the circuit will immediately switch to one of the stable states. This can be the result of an asymmetry in the chain, while with a complete symmetry noise phenomena will cause the reversal. In the latter case, there is no preference for one or the other, so that in a large number of envelopes 50% of the envelopes will occur to one side, and 50% of them to the other side. In the first case, how many turns will take place to one side or the other depends on the magnitude of the asymmetry and the strength of the noise. From a certain asymmetry, the noise no longer plays a role, and will always occur 15 turns to one side.

Hiervan wordt nu volgens de uitvinding gebruik gemaakt. Er wordt bijvoorbeeld uitgegaan van een volledig symmetrische halfgeleiderketen, in het bijzonder een geïntegreerde keten. De voedingsspanning wordt een groot aantal malen uit- en ingeschakeld, en het aantal omslagen wordt 20 geteld. Fig. 2 toont een voorbeeld van een beginselschema, waarbij de aansluitingen 9a en 9b van een bistabiele keten 10 met telingangen 11a resp. 11b van een verschilteller 12 zijn verbonden. De bereikte telstand kan bij 13 worden afgenomen. Een voedingsingang 2 van de keten 10 is met een wisselstroombron 14 verbonden, bijvoorbeeld een hoogfrequent-25 bron^l die de voeding een groot aantal malen uit en in kan schakelen, bijvoorbeeld met een frequentie van de orde van grootte van 0,1 MHz, zodat in een korte tijd een.voldoende groot aantal omslagen kan worden bereikt om een betrouwbare statistiek te verkrijgen. Wanneer geen 0,5 : 0.,5-verdeling wordt verkregen, kan door het bijstellen van een 50 zijde, bijvoorbeeld met behulp van een hulpstroombron, deze evenwichtstoestand worden ingesteld, waarbij de totaaltelling nul is.This is now used according to the invention. For example, it is assumed that a fully symmetrical semiconductor circuit, in particular an integrated circuit. The supply voltage is switched off and on a large number of times, and the number of covers is counted 20. Fig. 2 shows an example of a principle diagram, in which the connections 9a and 9b of a bistable circuit 10 with counting inputs 11a, respectively. 11b of a difference counter 12 are connected. The achieved count can be decreased at 13. A power supply input 2 of the circuit 10 is connected to an alternating current source 14, for example a high-frequency 25 source which can switch the power on and off a large number of times, for example at a frequency of the order of 0.1 MHz, so that a sufficient number of covers can be reached in a short time to obtain reliable statistics. When a 0.5: 0.5 distribution is not obtained, by adjusting an 50 side, for example using an auxiliary power source, this equilibrium state can be set, the total count being zero.

Wanneer nu een van de onderdelen 1, 4, 5, 6 en 7 voor een te meten verschijnsel gevoelig is, zoals bijvoorbeeld warmte, straling, elektrische of magnetische velden e.d., of een of meer bijkomende onder-55 delen in de keten zijn aartgebracht, die onder invloed van een dergelijk verschijnsel een stroom of spanning kunnen afgeven, zal bij het optreden van een dergelijk verschijnsel de symmetrie worden verstoord. Dit leidt tot een verschiltelling aan de uitgang 13, die een maat is voor de sterkte 8402314 * ïi Sc -5- van het verschijnsel. Het .verband tussen deze sterkte en de teluitkomst ✓ is niet noodzakelijkerwijs lineair, doch kan door ijking worden bepaald.Now if one of the parts 1, 4, 5, 6 and 7 is sensitive to a phenomenon to be measured, such as for instance heat, radiation, electric or magnetic fields, etc., or if one or more additional parts are placed in the chain, which can emit a current or voltage under the influence of such a phenomenon, the symmetry will be disturbed when such a phenomenon occurs. This leads to a difference count at output 13, which is a measure of the strength 8402314 * ii Sc -5- of the phenomenon. The relationship between this strength and the counting result ✓ is not necessarily linear, but can be determined by calibration.

Het voordeel van deze wijze van werken is, dat zeer geringe sterkten met een grote nauwkeurigheid kunnen worden gemeten. Het meet-5 gebied wordt daarbij begrensd door die sterkte, die tot 100 % omslag in de ene zin leidt (verzadiging).The advantage of this mode of operation is that very small strengths can be measured with great accuracy. The measuring-5 area is then limited by that strength, which leads to 100% wrap in one sense (saturation).

In plaats van het bepalen van een telverschil kan ook een hulp-stroom door de ene helft van de bistabiele keten worden gezonden, die de evenwichtsverstoring opheft, en tot een verschiltelling nul leidt.Instead of determining a counting difference, an auxiliary current can also be sent through one half of the bistable chain, which eliminates the imbalance and leads to a zero difference count.

10 De sterkte van deze stroom is dan een maat voor de sterkte van het gemeten verschijnsel, terwijl de telling rond het nulpunt het gevoeligst is.The strength of this current is then a measure of the strength of the measured phenomenon, while the count around the zero point is the most sensitive.

Het is ook mogelijk in plaats van de natuurlijke ruis een kunstmatige ruis met een geschikte frequentie en sterkte in de keten in te 15 voeren, waarmede het meetgebied kan worden vergroot, doch uiteraard ten koste van de gevoeligheid.It is also possible, instead of introducing the natural noise, into the circuit an artificial noise with a suitable frequency and strength, with which the measuring range can be increased, but of course at the expense of the sensitivity.

Het is ook mogelijk een dergelijke keten als een geheugenonder-deel te gebruiken, dat door het verschijnsel tot verzadiging wordt gebracht, wanneer de keten zich in de andere stand bevindt, zodat uit 20 het al dan niet optreden van een omslag de bereikte stand kan worden vastgesteld.It is also possible to use such a chain as a memory part, which is saturated by the phenomenon when the chain is in the other position, so that the position reached can be determined from the occurrence of a cover. established.

In het bijzonder kan een stel van dergelijke ketens in verschillende punten naast elkaar worden opgesteld, zodat dan de toestandver-andering in de verschillende punten in digitale vorm kan worden weerge-25 geven, en bij het terugstellen van de verschillende ketens als zodanig wordt uitgevoerd. Een dergelijk samenstel kan ook in matrixvorm worden uitgevoerd, en bijvoorbeeld worden gebruikt als een beeldgeheugen.In particular, a set of such chains can be arranged next to each other at different points, so that the state change at the different points can then be displayed in digital form, and is carried out as such when the different chains are reset. Such an assembly can also be in matrix form, and for example be used as an image memory.

In het geval van een tot verzadiging te brengen bistabiele trap is de symmetrie niet meer van belang, en kan ook met andere bistabiele 30 ketens dan die van de in fig. 1 afgebeelde symmetrische soort worden gewerkt.In the case of a bistable stage to be saturated, the symmetry is no longer important, and it is also possible to work with bistable chains other than those of the symmetrical type shown in Fig. 1.

35 840231435 8402314

Claims

1. Transducer or converter for a quantity to be measured, characterized by a bistable stage with a component sensitive to the quantity to be measured, by means for periodically bringing this bistable stage into a metastable state, by at least one output of means connected to this stage for counting the number of turns from the metastable state to one side or the other for a certain period of time, and by means for indicating this counting result.

1 3 * ^ /

2. A sensor according to claim 1, characterized in that the bistable stage is a symmetrical bistable chain with two branches which are connected to a common power supply.

Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the bistable stage is an electrical bistable circuit, which is in particular designed as an integrated circuit.

Sensor as claimed in claim 3, characterized in that it is adapted for operation with a large switching frequency, in particular. on the order of 0.1 MHz.

Sensor according to claim 3 or 4, characterized by means for supplying an auxiliary current or voltage in the sense of an imbalance.

6. A sensor according to any one of claims 1..5, characterized in that the metastable state is brought about by briefly switching off the power supply of the bistable stage.

7. A sensor according to any one of claims 1..5, characterized in that the metastable state is achieved by applying signals of a certain strength and duration to the or each adjustment input.

Sensor according to any one of claims 1..7, characterized by means for supplying an artificial noise.

9. Assembly of sensors according to one of claims 1..8, adapted to determine the quantity to be measured in different points.

10. Assembly as claimed in claim 9, characterized in that the inputs and outputs of the bistable stages are connected in the form of a register, wherein means are present for the numbers represented by the positions of these stages at suitable time. -2- l *? · -Φ dots.

11. A carriage set according to claim 9 or 10, characterized in that the different bistable stages are arranged to be driven into the saturated state. 8402314