NL8902422A

NL8902422A - Meetinrichting.

Info

Publication number: NL8902422A
Application number: NL8902422A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1991-04-16
Also published as: DE69007729T2; EP0420342A1; US5136192A; EP0420342B1; JPH03123816A; DE69007729D1; JP2928814B2

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven. Meetinrichting.

FIELD OF THE INVENTION

De uitvinding heeft betrekking op een meetinrichting bevattende een opnemer voor een te meten grootheid x, welke opnemer is ingericht. om twee meetsignalen I1 en I2 te produceren, die met de te meten grootheid x samenhangen volgens de formule x = (I1-I2)/(I1+I2)1 welke inrichting verder voorzien is van een bewerkingsschakeling voor het omzetten van de meetsignalen en I2 in een uitgangssignaal U(x), waarvan de waarde afhangt van de te meten grootheid x.

BACKGROUND OF THE INVENTION

Een voorbeeld van een dergelijke inrichting js beschreven in Technisches Messen tm, 53 nr. 7/8, blz. 286-292, zie in het bijzonder figuur 6 met bijbehorende beschrijving. In dit voorbeeld is de opnemer een plaat.sgevoelige detector (PSD) die als meetsignalen twee stromen II en I2 levert.. De bewerkingsschakeling bevat een aftrekschakeling en een optelschakeling, die signalen leveren, welke evenredig zijn met respectievelijk het. verschil I-j-^ en <*e som I1+I2 van meetsignalen. De uitgangen van deze schakelingen zijn verbonden met de ingangen van een analoge deler die een met (1^-12)/(1^+12) evenredig uitgangssignaal levert. Deze en soortgelijke bewerkingsschakelingen blijken goed te voldoen indien geen bijzonder hoge eisen gesteld worden aan de snelheid en het dynamisch bereik van het. meetsysteem.

SUMMARY OF THE INVENTION

De uitvinding heeft tot doel, een meetinrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, die wat snelheid en dynamisch bereik betreft kan voldoen aan zeer hoge eisen. De inrichting volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk, dat de bewerkingsschakeling een eerste en een tweede logarithmische omzetter bevat, waarvan de ingangen zijn ingericht voor het ontvangen van respectievelijk een eerste en een tweede ingangssignaal die evenredig zijn met respectievelijk het eerste meetsignaal I1 en het tweede meetsignaal I2 en waarvan de uitgangen zijn verbonden met respectievelijk een eerste en een tweede ingang van een aftrekschakeling.

In de inrichting volgens de uitvinding worden van de meetsignalen (eventueel na een voorbewerking zoals een stroom-spanningsomzetting) direkt de logarithmes gevormd, waardoor de dynamiek van deze signalen sterk gereduceerd wordt. De logarithmische omzetters kunnen zeer snel werken en de relatief trage combinatie van een optelschakeling, een aftrekschakelinge en een analoge deler kan vervallen.

De op de logarithmische omzetters volgende aftrekschakeling levert zonder verder maatregelen een uitgangssignaal dat evenredig is met log((1+x)/(1-x)), waarbij x de te meten grootheid is. Voor betrekkelijk kleine waarden van x (bijvoorbeeld |x| < 0,6) geldt bij benadering:

Dit uitgangssignaal is dan ook in vele gevallen zonder meer bruikbaar.

In andere gevallen kan het echter gewenst zijn, over een uitgangssignaal te beschikken, dat ook voor grote waarden van x lineair van x afhangt. Een dergelijk uitgangssignaal wordt geleverd door een voorkeursuitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding, met het kenmerk, dat de aftrekschakeling is ingericht om de tangenshyperbolicus te bepalen van het verschil tussen de op zijn eerste en zijn tweede ingang aanwezige signalen.

Een verdere uitvoeringsvorm waarbij de tangenshyperbolicusfunctie in de aftrekschakeling op eenvoudige wijze tot stand gebracht is, heeft, het kenmerk, dat de aftrekschakeling een eerste en een tweede bipolaire transistor (T^, T2) bevat, die in een verschilversterkerconfiguratie geschakeld zijn, en waarvan de basisaansluitingen respectievelijk verbonden zijn met de eerste en de tweede ingang, welke transistoren thermisch verbonden zijn met een regelschakeling voor het op een constante waarde houden van hun temperatuur.

Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen nader worden toegelicht aan de hand van de tekening.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWING

Figuur 1 toont een blokschema van een uitvoeringsvoorbeeld van een meetinrichting volgens de uitvinding, Figuur 2 toont schematisch een voorbeeld van een opnemer die gebruikt kan worden in de in figuur 1 getoonde meetinrichting, Figuur 3 toont een principeschema van een uitvoeringsvoorbeeld van een stroom-spanningsomzetter,

Figuur 4 toont een volledig schema van een stroomspanningsomzetter die is opgebouwd volgens het in figuur 3 getoonde principe,

Figuur 5 toont een schema van het principe van een uitvoeringsvoorbeeld van een aftrekschakeling, en

Figuur 6 toont een volledig schema van een aftrekschakeling die is opgebouwd volgens het in figuur 4 getoonde principe.

DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENT

De meetinrichting waarvan in figuur 1 een blokschema getoond is, bevat een opnemer 1 voor een te meten grootheid x. De opnemer 1 kan bijvoorbeeld een plaatsgevoelige detector (position sensitive detector) zijn, zoals verderop aan de hand van figuur 2 nader beschreven zal worden. Andere voorbeelden zijn een tweevoudige fotocel (duocel) en een optische magneetveldopnemer zoals beschreven is in EP-A 0 216 163. De opnemer 1 produceert twee meetsignalen 1^ en I2 die met de te meten grootheid x samenhangen volgens de formule: x = (I1-I2)/(I1+I2) (1)

Bij een plaatsgevoelige detector zijn de meetsignalen 1^ en I2 elektrische stromen. Deze meetstromen worden toegevoerd aan een bewerkingsschakeling 3 voor het omzetten ervan in een uitgangssignaal U(x) waarvan de waarde afhangt van de te meten grootheid x.

De bewerkingsschakeling 3 bevat een eerste stroomspanningsomzetter 5 die de eerste meet.stroom omzet in een eerste meetspanning en een tweede stroom-spanningsomzetter 7 die de tweede meetstroom I2 omzet in een tweede meetspanning V2. De meetspanningen en V2 zijn evenredig met de stromen I.,, respectievelijk I2. De meetspanningen en V2 worden toegevoerd aan de ingangen van respectievelijk een eerste logarithmische omzetter 9 en een tweede logarithmische omzetter 11 die aan hun uitgangen spanningen leveren die evenredig zijn met respectievelijk log en log V2. Deze uitgangen zijn verbonden met de eerste ingang 12A, respectievelijk de tweede ingang 12B van een aftrekschakeling 13.

De aftrekschakeling 13 kan een eenvoudige, op zichzelf bekende, analoge aftrekschakeling zijn, die het verschil bepaalt tussen de beide op zijn ingangen 12A, 12B aanwezige signalen. Aangezien de meetspanning en V2 evenredig zijn met de meetstromen I, en I2 is in dat geval het door de aftrekschakeling 13 aan zijn uitgang 14 geproduceerde uitgangssignaal gelijk aan:

(2)

De waarde van het uitgangssignaal ü (x) hangt dus logarithmisch samen met de te meten grootheid x, waarbij A een evenredigheidsfactor is. Voor veel toepassingen in dit logarithmische verband tussen (J(x) en x aanvaardbaar. Voor andere toepassingen zal men echter de voorkeur geven aan een lineair verband. In zulke gevallen kan het signaal U(x) door een (niet getekende) rekeneenheid worden omgerekend in een lineair met x samenhangend signaal, bijvoorbeeld met behulp van een opzoektabel (look-up table). Het is echter ook mogelijk, de aftrekschakeling 13 zo in te richten, dat het uitgangssignaal U(x) evenredig is met de tangenshyperbolicus van het verschil tussen de op zijn beide ingangen aanwezige signalen log V1 en log V2- Een voorbeeld van een dergelijke aftrekschakeling zal verderop worden beschreven aan de hand van figuur 4. Aangezien algemeen geldt:

(3) is in dit geval het uitgangssignaal U(x) recht evenredig met de te meten grootheid x.

Figuur 2 toont schematisch een plaatsgevoelige detector (PSD) die toegepast kan worden als opnemer in de aan de hand van figuur 1 beschreven meetschakeling. De PSD bestaat uit een plaatje 15 van puur silicium met een dikte van ongeveer 0,25 mm, waarin aan een zijde een p laag 17 en aan de tegenoverliggende zijde een n-laag 19 is gevormd, zodat een p-i-n structuur is ontstaan. De PSD is aan de zijde van de p-laag voorzien van twee meetcontacten 21 en 23 om een plaatsafhankelijk signaal te verkrijgen. De n-laag is in dit voorbeeld voorzien van een enkel voedingscontact. 25. Er bestaan ook PSD's met twee of meer contacten aan een of aan beide zijden, zie bijvoorbeeld IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. SC-13, No. 3, blz. 392-399. Opgemerkt. wordt, dat in figuur 2 de afmetingen in vertikale richting sterk overdreven zijn.

Wanneer op een punt tussen de beide meetcontacten 21 en 23 een lichtbundel 27 valt, worden paren ladingsdragers 29 genereerd, die via de p- en de n-laag de meetcontacten 21, 23 respectievelijk het voedingscontact 25 bereiken. Wanneer tussen het voedingscontact 25 en een referentiepunt 31 een spanningsbron 33 met de juiste polariteit wordt aangesloten en de meetcontacten 21 en 23 via stroommeters 35 en 37 met het referentiepunt 31 worden verbonden, veroorzaken de genereerde ladingsdragers 29 een fotostroom Ιρ^ van de positieve pool van de spanningsbron 33 naar het voedingscontract 25. Deze fotostroom verdeelt zich tussen de meetcontacten 21 en 23 zodat de stroommeters 35 en 37 respectievelijk meetstromen 1^, en I2 registreren, waarbij I1+I2 = Iplr De grootte van de meetstromen 1^, en I2 hangt af van de plaats, waar de lichtbundel 27 de laag 17 treft. De meetcontacten 21 en 23 bevinden zich op een afstand L van het midden M van de PSD en de lichtbundel 27 treft de laag 17 op een afstand d van het midden, waarbij d kan variëren van +L (de lichtbundel treft de PSD nabij het linker meetcontact 21) tot -L (de lichtbundel treft de PDS nabij het rechter meetcontacat 23. De meetstromen 1^ en I2 zijn dan gelijk aan: I·) = Iph (1+d/L)/2 (4) I2 = Iph (1-d/L)/2 (5)

Door het verschil van de vergelijkelingen (4) en (5) te delen door hun som ontstaat de vergelijking (1) met d/L = x.

Uit. het bovenstaande volgt, dat de werking van de PSD analoog is aan die van een potentiometer, waarvan de loper verbonden is met. een stroombron en de beide vaste contacten met. een referentiepunt.

De positie van de loper kan afhankelijk gemaakt worden van een te meten grootheid (bijvoorbeeld een druk of temperatuur) en de potentiometer kan als opnemer 1 in de in figuur getoonde meetinrichting worden opgenomen. De PSD kan op een soortgelijke wijze als opnemer toegepast worden, bijvoorbeeld in een afstandsmeter zoals beschreven is in het reeds genoemde artikel in Technisch Messen tm, 53, nr. 7/8.

Wanneer de meetsignalen 1^ en I2 meetstromen zijn, zoals bij een PSD, is het in algemeen wenselijk, deze signalen voor de verder bewerking om te zetten in meetspanningen en V2. Daartoe dienen de stroomspanningsomzetters 5 en 7 die bijvoorbeeld kunnen bestaan uit een teruggekoppelde operationele versterker warbij de meetstroom aan de inverterende ingang wordt toegevoerd (zie bijvoorbeeld ATM, Blatt Z 6343-9 (juli 1973), blz. 137, figuur 1). Een bezwaar van deze oplossing is, dat door de parasitaire capaciteit van de terugkoppelweerstand de bandbreedte beperkt is tot enkele MHz. Daarom wordt bij voorkeur gebruik gemaakt van een stroomversterker met lage ruis, zoals bijvoorbeeld beschreven is in Electronica 83/20 (21 oktober 1983), blz. 39-49. De principiële opbouw van de schakeling is getoond in figuur 3. Wanneer de versterking van de versterker 39 oneindig groot is en wanner Z1 >> Zq, geldt: Iu = Z^/Zq.I^. Wanner Iu door een geschikte weerstand geleid wordt, verkrijgt men een spanning die evenredig is met Iu en dus met 1^.

Figuur 4 toont een volledig schema van een uitvoeringsvoorbeeld van de eerste stroomspanningsomzetter 5, die volgens het in figuur 3 getoonde principe is opgebouwd. Z^ is de parallelschakeling van R35, Cj2 en de parasitaire capaciteit van R35 die ongeveer 0,2 pF bedraagt. Zq is het netwerk bestaande uit R46' r47' r48 en C24' waarkU R4g en R48 klein zijn ten opzichte van R47, zodat Zq in hoofdzaak bepaald wordt, door R47 en C24- Uit het genoemde artikel in Electronics blijkt, dat de stroomverst.erking van de schakeling nagenoeg onafhankelijk van de frequentie is, wanneer de verhouding Z^/Zq (in de schakeling volgens figuur 3) reëel is. Dit is het geval, wanneer de RC-producten van deze beide impedanties aan elkaar gelijk zijn. In de schakeling volgens figuur 4 is R35 gelijk aan 100 kQ en C2 gelijk aan 1 pF zodat het RC-product. van Z^ (rekening houdend met de parasitaire capaciteit van 0,2 pF) gelijk is aan 1,2 x 10~^. R47 is gelijk aan 1 kQ en C24 is gelijk aan 120 pF zodat het RC-product van Zq eveneens gelijk is aan -7 1,2 x 10 De verhouding Z-j/Zq is dan gelijk aan C24/(C2+0'2 pF) = 100·

De waarden, respectievelijk de typenummers van de in een praktisch uitvoeringsvoorbeeld van in figuur 4 getoonde schakeling toegepaste onderdelen zijn:

R31: 22 5 : 220 nF

R32: 270 Ω C12 : 1 pF

R33: 100 Ω C13 : 220 nF

R34: 1 ΜΩ C14 : 25 pF

R35: 100 kQ : 10 nF

R36: 1 ΜΩ C16 : 100 nF

R37: 4,7 kQ C17 : 10 nF

R3g: 75 Q C^g :33 nF

Rgg: 1 kQ : 100 nF

R40: 33 kQ C2Q : 100 nF

R41: 470 Q C21 : 220 nF

R42: 2,7 kQ C22 : 220 nF

R43: 4,7 kQ C23 : 100 nF

R44: 10 kQ C24 : 120 pF

R4g: 820 Q ^25' ^26" 2,2 ^*F

R46: 33 Q Tn : SST 4416 R47: 1 kQ T12 : BF 840 R48: 51 Q T13 : BF 550 D1 : BZX 79C15 T-,4, T1g: BC 856 A1 : AD 548 T15 : BC 846

De opnemer 1 is samen met , R34, C^2, R3g en (niet getekende) overeenkomstige onderdelen van de tweede stroomspanningsomzetter 7 op een eerste paneel 41 met gedrukte bedrading ondergebracht en de verdere onderdelen van de eerste stroomspanningsomzetter 5 zijn op een tweede paneel 43 ondergebracht. Voor de tweede stroomspanningsomzetter 7 is een met het paneel 43 overeenkomend tweede paneel aanwezig (niet getekend). De uitgangsstroom Iu van de schakeling (zie figuur 3) wordt door de weerstand R48 omgezet in een uitgangsspanning die aan de eerste logarithmische omzetter 9 wordt toegevoerd.

In deze configuratie bedraagt het ruisniveau in een bandbreedte van 20 MHz 8 nA. De maximale ingangsstroom I is gelijk aan 800 μΑ, zodat het totale dynamische bereik gelijk is aan 100 dB.

Elk van de logarithmische omzetters 9 en 11 kan bestaan uit een op zichzelf bekende schakeling met als belangrijkste onderdeel een logarithmische versterker (bijvoorbeeld van het type AD 640 van Analog Devices) of een cascadeschakeling van twee van zulke versterkers.

Figuur 5 toont een schema van de principiële opbouw van een schakeling die in de aftrekschakeling 13 toegepast kan worden om deze aftrekschakeling geschikt te maken voor het bepalen van de tangenshyperbolicus van het verschil tussen de op zijn eerste en zijn tweede ingangen 12A, 12B aanwezige signalen. De schakeling bevat twee indentieke bipolaire transistoren T1 en T2 die in een verschilversterkerconfiguratie geschakeld zijn. De transistoren en T2 worden op dezelfde constante temperatuur gehouden. Aan de basisaansluitingen worden spanningen V'^ respectievelijk V'2 toegevoerd, die evenredig zijn met de logarithmen van de meetspanningen , respectievelijk De emitteraansluitingen zijn gezamenlijk verbonden met een stroombron 53 ter grootte IQ. De werking is als volgt:

Voor een bipolaire transistor geldt algemeen:

(6)

Hierin is:

Ic de collectorstroom is een met het emitteroppervlak evenredige lekstroom, q de eenheidslading, k de constante van Boltzmann, T de absolute temperatuur,

Vg£ de basis-emitterspanning.

Aangezien is en T voor de beide transistoren T-| en T2 gelijk zijn en aangezien volgt, uit (6):

(7)

Hierin verwijzen de suffixen 1 en 2 respectievelijk naar de transistoren en Ϊ2- Aangezien verder Iq = ïci+JC2 volgt uit (7):

Derhalve is:

Icf'c! = I0.ta»h(]#(V'rV'2)) (8)

Uit (8) en (3) volgt, dat de collectorverschilstroom Ic<j-Ic2 in de in figuur 4 weergegeven schakeling evenredig is met de te meten grootheid x.

Figuur 5 toont een volledig schema van een uitvoeringsvoorbeeld van de aftrekschakeling waarin het in figuur 4 getoonde principe is toegepast. De in een verschilversterkerconfiguratie geschakelde transistoren zijn ook in figuur 5 met en T2 aangegeven, De eerste ingang 12A wordt verbonden met de uitgang van de eerste logarithmische omzetter 9 en de tweede ingang 12B met de uitgang van de tweede logarithmische omzetter 11. De collectorverschilstroom van de transistoren en T2 wordt door mi del van de met IC2 en IC3 aangeduide operationele versterkers omgezet in een tussen 0 en 2 volt variërende uitgangsspanning u(x) die evenredig is roet de te meten grootheid x. De emitterspanning van de transistoren T1 en T2 is evenredig met de logarithme van de som van de meetsignalen I-j en I2 en dus met Ιρ^ indien de opnemer 1 een PSD is zoals aan de hand van figuur 2 beschreven is. Deze emitterspanning wordt versterkt door middel van de operationele versterker JC5 en is beschikbaar via een tweede uitgang 14' van de aftrekschakeling 13 als een tweede uitgangsspanning u(i).

De temperatuur van de beschreven aftrekschakeling 13 wordt op een constante waarde (ongeveer 50°C) gehouden door een thermisch met de aftrekschakeling verbonden regelschakeling 55. Deze regelschakeling bevat een als temperatuursensor werkende transistor T3 waarvan het uitgangssignaal versterkt wordt door de operationele versterker IC4 die de als verwarmingselementen werkende transistoren T4 en T5 bestuurt. De regelschakeling 55 is bij voorkeur samen met de aftrekschakeling in een omhulling ondergebracht. De waarden, respectievelijk de typenummers van de in een praktisch uitvoeringsvoorbeeld van de in figuur 5 getoonde schakelingen toegepaste onderdelen zijn: R1rR2 : 33 Q R21: 1 kö T1 t/m T5:CA3127

R3,R4 : 16,2 Q R22: 50 Q Ίς,ΐ-j :BF256A

R5,R6 :100 kQ P1 : 5 kQ

R7 : 1 HQ P2 : 2 kQ

Rg : 10 kQ P3 :100 kQ

R9 : 7,5 kQ P4 : 5 kQ

R10 :100 kQ P5 :500 Q

R^ t/m R14: 1 kQ C1 : 10 nF

R15 :470 Q C2 : 1 nF

R16f R17 ’ ^ ^3 · 22 nF

R18 : 50 Q C4 : 2,2 nF

R19 : 3 kQ

R20 :100 Q

Claims

1. Meetinrichting bevattende een opnemer (1) voor een te meten grootheid x, welke opnemer is ingericht. om twee meetsignalen I1 en I2 te produceren, die met de te meten grootheid x samenhangen volgens de formule x = (1^12)/(1^+12)1 welke inrichting verder voorzien is van een bewerkingsschakeling (3) voor het omzetten van de meetsignalen I.j en I2 in een uitgangssignaal U(x), waarvan de waarde afhangt van de te meten grootheid x, met het kenmerk, dat de bewerkingsschakeling (3) een eerste en een tweede logarithmische omzetter (9, 11) bevat, waarvan de ingangen zijn ingericht voor het ontvangen van respectievelijk een eerste en een tweede ingangssignaal die evenredig zijn met respectievelijk het. eerste meetsignaal .1^ en het tweede meetsignaal I2 en waarvan de uitgangen zijn verbonden met respectievelijk een eerste en een tweede ingang (12A, 12B) van een aftrekschakeling (13).

2. Meetinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de aftrekschakeling (13) is ingericht om de tangenshyperbolicus te bepalen van het verschil tussen de op zijn eerste en zijn tweede ingang (12A, 12B) aanwezige signalen.

3. Meetinrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de aftrekschakeling (13) een eerste en een tweede bipolaire transistor (T.j, T2) bevat, die in een verschilversterkerconfiguratie geschakeld zijn, en waarvan de basisaansluitingen respectievelijk verbonden zijn met de eerste en de tweede ingang (12A, 12B), welke transistoren thermisch verbonden zijn met een regelschakeling (55) voor het op een constante waarde houden van hun temperatuur.