WO2010043432A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen eines widerstandswerts - Google Patents
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- WO2010043432A1 WO2010043432A1 PCT/EP2009/060479 EP2009060479W WO2010043432A1 WO 2010043432 A1 WO2010043432 A1 WO 2010043432A1 EP 2009060479 W EP2009060479 W EP 2009060479W WO 2010043432 A1 WO2010043432 A1 WO 2010043432A1
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- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
Definitions
- the present invention relates to an apparatus and a method for measuring the resistance value of an electrical resistance, in particular the resistance value of a sensor,
- variable resistance of a sensor combined with a capacitor to a resonant circuit and the resonant frequency of the resonant circuit is variable according to the resistance value of the sensor.
- This Ansat2 allows the detection of the resistance value or the value influencing the resistance by detecting the period of the oscillator.
- a significant factor limiting the accuracy of measurement is the capacitance of the capacitor. It may be subject to change due to aging or environmental temperature.
- the present invention provides a method and a device for measuring the resistance value of an electrical resistance, in particular a sensor, which detects one of the effects of interference such as aging and temperature dependence of the properties of circuit components. allow largely unaffected resistance measurement.
- a method for measuring the resistance value of an electrical resistance with the steps a) applying a first voltage to a first series circuit comprising the resistor to be measured and a capacitor, and detecting the time required to reach a first threshold voltage across the capacitor; b) applying a second voltage to a second series circuit comprising a reference resistor and the capacitor, and detecting the time required to reach a second threshold voltage ara capacitor; c) calculating the resistance value based on the times measured in steps a) and b).
- a change of the capacitor can be deduced and taken into account in the calculation of the resistance value, or the ratio of the two times, which is independent of the capacitance of the capacitor, can be evaluated.
- the first voltage on the first series circuit is preferably switched off and on when the first threshold voltage is reached the second voltage is switched on at the second series circuit, and when the second threshold voltage is reached, the second voltage at the second series circuit is switched off and the first voltage at the first series circuit is switched on.
- the two times can be measured repeatedly, and it can be detected a change in the resistance value or by averaging the measurement accuracy, can be improved
- the second series connection also contains the resistance to be measured; in this case, the resistance value is preferably determined according to where t 2 is the time measured in step a), t i is the time measured in step b) and K A is the resistance value of the reference resistor.
- the first series connection contains the resistance to be measured, which has the advantage that during step b) no current flows through the resistance to be measured and very rapid heat which could influence the resistance of the EU measuring resistance , only during step a) is released.
- the resistance value is preferably according to calculated.
- Resistor and a capacitor Resistor and a capacitor, a second series circuit comprising the capacitor and a reference resistor,
- Circuit means for applying a first voltage to the first series circuit or a second one
- this switching span may be the time of application of the first voltage to the first series circuit, the time of application of the second voltage to the second series circuit, or, in the case of periodic operation, the switching period of the circuit means.
- the second series circuit further includes the resistor to be measured.
- the first and the second series circuit together form a star connection.
- the circuit means may comprise two koraparatoren and a voltage divider, of which a first tap is connected to an inverting input of the first comparator and a second tap to a non-inverting input of the second comparator; the other two inputs of the comparators are connected to the voltage drop across the capacitor.
- the circuit means may comprise a comparator, an inverting input of which is connected to the center of the star connection and a non-inverting input is connected to a source of hysteresis reference potential.
- a voltage divider and a resistor connected between a tap of the voltage divider and the output of the comparator are preferably provided.
- Each series circuit may further include a switch controlled by the comparator output, the first series switch being always off when the second series switch is conductive, and the second series switch being off whenever the first series switch is low - te ⁇ d, so that always through at most one of the two series circuits can flow current.
- the apparatus can have a plurality of parallel first series circuits.
- a logic gate for combining the output signal of the comparator with a selection signal between the input of the comparator and a control input of each switch of a first series circuit is expediently inserted.
- Fig. 1 shows a block diagram of a device according to a first embodiment of the invention Phyg;
- Fig. 2 shows a block diagram according to a second embodiment, - and
- Fig. 3 shows a further development of the second
- FIG. 1 shows a circuit diagram of a measuring device according to a first embodiment of the invention.
- the device is implemented using a timer module LMC555 marketed by National Semiconductor, but the components shown in the figure may also be constructed discretely or using other types of integrated circuits.
- the timer module denoted by 10 has eight terminals on a housing, which are selected according to the conventional convention of semiconductor integrated circuits from 1 to 8. Supply connections for a ground potential or a positive supply voltage VCC are denoted by 1 and 8, respectively. Between the positive supply terminal 8 and ground, the module 10 contains a voltage divider comprising three identical series-connected resistors RI, R2, R3. Taps 16, 17 of the voltage divider between Rl and R2 and.
- R2 and R3 are each connected to an input of a comparator 11 and 12 respectively.
- a constant voltage 2/3 VCC is applied to the inverting input of the comparator 11 and a voltage 1/3 VCC to the non-inverting input of the comparator 12.
- connection 5 connected to the tap 15 is unconnected outside the module 10.
- the non-inverting input of the comparator 11 and the Inverting input of the comparator 12 are connected via terminals 2 and 6 with each other and via an external capacitor C to ground and via a series connection of a measuring resistor R 8 and a reference resistor R ⁇ with the supply voltage VCC.
- the outputs of the koraparatoren 11, 12 are connected to inputs of an RS flip-flop 13, the negated content Q on the one hand, again negated by an inverter 14, can be tapped at an output terminal 3 and on the other hand controls an internal switching transistor 15 of the block 10 ,
- This switching transistor 15 connects, when it is conductive, interconnected terminals of the resistors R A and R B to ground.
- both comparators 11, 12 output gullet signal, and the status of flip-flop 13 does not change. If at this time the content of the Fiipflops
- the duration of the charging phase is here in each case and that is the unloading phase resulting in a total period of time results.
- the times ti, t 2 or T can be measured directly by a microprocessor connected to the output 3 of the timer module 10 by counting the same level at the output 3 in many consecutive instruction cycles Ratio ti / t 2 , the resistance value of the measuring resistor is obtained in relation to that of the reference resistor R B : off follows
- the detected resistance R B is therefore independent of the capacitance of the capacitor C, that is to say it is not influenced by dependencies of the capacitance on the temperature or other ambient variables, aging of the capacitor, etc.
- circuit of Fig. 1 is constructed of discrete components, instead of the voltage divider with the three identical resistors Rl, R2, R3 and a series circuit may be used, whose average resistance R2 differs from the two other Rl, R3.
- a is a function of the resistance values R1, R2. Since the external resistors Rl, R3 of the voltage divider are still identical, the difference between each threshold voltage and its adjacent supply voltage, zero or VCC, is the same, and the same factor a is applicable for charge and discharge times, so that the relationship (3) also applies here.
- a center of the star connection is connected to the inverting input of a grain comparator 22, whose non-inverting input is connected on the one hand to a center tap of a voltage divider connected between the positive voltage VCC and ground of two identical resistors R'l, R '2 and, on the other hand is connected via a resistor R '3 to the output of Kompara- sector 22.
- a voltage deviates upward or downward from 1/2 VCC by a value ⁇ lf depending on the resistors R'l, R'2, R '3 and the internal resistance of the corapator 22, as the case may be whether the output signal of the comparator 22 is 1 or 0.
- a NAND gate 23 To the output of the comparator 22, an input of a NAND gate 23 is also connected, whose other input is connected from the outside with a selection signal.
- the output of the nand gate 23 in turn is connected to the gates of two switching transistors, a p-MOSFET M2, which is connected between the positive supply voltage VCC and the reference REN resistor R A is connected, and an n-MOSFET MIa, which is connected between the measuring resistor R B and ground.
- the output of the NAND gate goes to logic zero so that the switching transistor MIa is off and the switching transistor M2 is conductive. Consequently, a charging current flows through the switching transistor M2 and the series connection of the reference resistor R A and the capacitor C. The capacitor is charged until the voltage at point 21 exceeds the voltage applied to the non-inverting input of the comparator 22 voltage 1/2 VCC + - ⁇ U. At this moment, the output of the comparator goes to zero, the output of the NAND gate 23 switches to 1, the
- Switching transistor MIa becomes conductive, and switching transistor M2 blocks. Now the capacitor C is discharged via the measuring resistor R B and the switching transistor MIa. At the same time, the voltage at the non-inverting input of the comparator 22 switches to 1/2 VCC - ⁇ U. If this voltage value is also undershot at the inverting input, the output of the comparator 22 again restores its state, and the capacitor C is charged again.
- the duration of the loading phase is which is the unloading phase where a is a function of the voltage .DELTA.U, thus the resistors R'l to R '3 and the internal resistance of the comparator 22 is.
- the components of the measuring device surrounded by a dashed frame in FIG. 2 are implemented in a common integrated circuit. Only the star connection of reference resistor R A , measuring resistor R B and capacitor C is not part of the integrated circuit.
- FIG. 2 The concept shown in FIG. 2 is easily transferable to a device for measuring the resistance values of multiple sensors in the time division multiplex, as shown in FIG.
- the surrounded in Fig. 2 of the dashed frame scarf processing parts are substantially the same as in Fig. 2. Only the nand gate 23 is replaced by an And-gate 24a and an inverter 25 arranged between the output of the comparator 22 and the And-gate 24a. This change has no influence on the behavior of the switching transistors MIa and M2.
- the output of this AND gate is also 0, and the switching transistor MIa, MIb or MIc controlled via this gate remains closed.
- the capacitor C can only be discharged via those measuring resistor etc. whose AND gate receives a selection signal with value I.
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Messung des Widerstandswerts eines elektrischen Widerstandes umfasst eine erste Reihenschaltung, die den zu messenden Widerstand (RB, RBb, RBc,...) und einen Kondensator (C) umfasst, eine zweite Reihenschaltung, die den Kondensator (C) und einen Referenzwiderstand (RA) umfasst, Schaltungsmittel (10; 22, 23, M1a,. M2; 22, 24, 25, M1a, M1b,..., M2) zum Anlegen einer ersten Spannung (0) an die erste Reihenschaltung oder einer zweiten Spannung (VCC) an die zweite Reihenschaltung, und einen Zeitmesser zum Erfassen einer Schaltzeitspanne (t1, t2, T) der Schaltungsmittel.
Description
ROBERT BOSCH GMBH, 70442 STUTTGART
R, 322352
Vorrichtung und Verfahren zum Messen eines Wider-
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des Widerstandswerts eines elektrischen Widerstandes, insbesondere des Widerstandswerts eines Sensors,
Zahlreiche Typen von Sensoren reagieren auf eine Änderung ihrer Messgröße durch eine entsprechende Veränderung ihres Widerstandswerts. Um aus dem Wi- derstandswert eine im Rahmen eines digitalen Schaltungssystems, insbesondere eines Mikrocontroiler- systems, handhabbare digitale Größe zu erhalten, ist es gebräuchlich, einen solchen Sensor in einer Spannungsteileranordnung zu montieren und eine ent- sprechend der erfassten Größe veränderliche, an dem Sensor abfallende Spannung von einem Ausganσsari- schluss des Spannungsteilers abzugreifen und in einem Analog-Digital -Wandler zu digitalisieren.
Neben der inhärenten Ungenauigkeit des Sensors selber sind Ursachen für Messfehler eines solchen Systems die Uhgεnauigkeit des Analog-Digital -Wandlers
sowie Toleranz und Drift einer Spannungsreferenz, an die der Spannungsteiler angeschlossen ist, und des in dem Spannungsteiler mit dem Sensor in Reihe geschalteten Teilervαrwiderstsndes. Bei Mehrkanal - Systemen, die einen AD-Wandler in Zeitnτultiplex zum Digitalisieren der Messgrößen mehrerer Sensoren einsetzen, kommen weitere Ungenauigkeiten durch Analogschalter und Vorwiderstände hinzu,
Des Weiteren sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen der veränderliche Widerstand eines Sensors mit einem Kondensator zu einem Schwingkreis kombiniert ist und die Resonanzfrequenz des Schwingkreises entsprechend dem Widerstandswert des Sensors veränderlich ist. Dieser Ansat2 ermöglicht die Erfassung des Widerstandswerts beziehungsweise der den Widerstandswert beeinflussenden Messgröße durch Erfassen der Periode des Oszillators. Ein wesentlicher die Messgenauigkeit begrenzender Faktor ist hier die Kapazität des Kondensators. Sie kann Änderungen aufgrund von Alterung oder in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur unterliegen.
Vorteile der Erfindung
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren beziehungsweise eine Vorrichtung zur Messung des Widerstandswerts eines elektrischen Widerstandes, insbesondere eines Sensors, geschaffen, die eine von Stδreinflüssen wie Alterung und Temperaturabhängigkeit der Eigenschaften von Schaltungskompo-
nenten weitgehend unbeeinflusste Widerstandsmessung ermöglichen .
Dies wird einem ersten Aspekt der Erfindung zufolge erreicht durch ein Verfahren zur Messung des Widerstandswerts eines elektrischen Widerstandes mit den Schritten; a) Anlegen einer ersten Spannung an eine erste Reihenschaltung, die den zu messenden Widerstand und einen Kondensator umfasst, und Erfassen der bis zum Erreichen einer ersten Schwellenspannung am Kondensator erforderlichen Zeit; b) Anlegen einer zweiten Spannung an eine zweite Reihenschaltung, die einen Referenzwiderstandes und den Kondensator umfasst, und Erfassen der bis zum Erreichen einer zweiten Schwellenspannung ara Kondensator erforderlichen Zeit; c) Berechnen des Widerstandswerts anhand der in Schritt a) und b) gemessenen Zeiten.
Da der Kondensator beide gemessenen Zeiten in gleicher Weise beeinflusst, kann z.B. aus der in Schritt b) erfassten Zeit auf eine Veränderung des Kondensators rückgeschlossen werden und diese bei der Berechnung des Widerstandswerts berücksichtigt werden, oder es kann das - von der Kapazität des Kondensators unabhängige - Verhältnis der beiden Zeiten ausgewertet werden.
Um eine Oszillation anzuregen, wird vorzugsweise bei Erreichen der ersten Schwellenspannung die erste Spannung an der ersten Reihenschaltung aus- und
die zweite Spannung an der zweiten Reihenschaltung- eingeschaltet, und bei Erreichen der zweiten Schwellenspannung wird die zweite Spannung an der zweiten Reihenschaltung aus- und die erste Spannung an der ersten Reihenschaltung eingeschaltet. So können die beiden Zeiten wiederholt gemessen werden, und es kann eine Änderung des Widerstandswertes erfasst oder durch Mittelwertbildung die Messgenauigkeit, verbessert werden,
Einer ersten Variante des Verfahrens zufolge enthält die zweite Reihenschaltung auch den zu messenden Widerstand; in diesem Fall wird der Wider- standswert vorzugsweise gemäß
berechnet, wobei t2 die in Schritt a) gemessene Zeit, ti die in Schritt b) gemessene Zeit und KA den Widerstandswert des Referenzwiderstandes bezeichnet .
Einer zweiten Variante des Verfahrens 2ufolge enthält nur die erste Reihenschaltung den zu messenden Widerstand, was den Vorteil hat, dass während des Schritts b) kein Strom durch den zu messenden Wi- derstand fließt und ohrasche Wärme, die den Widerstandswert des EU messenden Widerstandes beeinflussen könnte, nur während des Schritts a) freigesetzt wird. In diesem Fall wird der Widerstandswert vorzugsweise gemäß
berechnet .
Einem zweiten Aspekt der Erfindung zufolge werden die oben genannten Vorteile erreicht durch eine
Vorrichtung zur Messung des Widerstandswerts eines elektrischen Widerstandes mit einer' ersten Reihenschaltung, die den zu messenden
Widerstand und einen Kondensator umfasst, einer zweiten Reihenschaltung, die den Kondensator und einen Referenzwiderstand umfasst ,
Schaltungsmitteln zum Anlegen einer ersten Spannung an die erste Reihenschaltung oder einer zweiten
Spannung an die zweite Reihenschaltung, und einem Zeitmesser zum Ex-fassen einer Schaltzeitspan- πe der Schaltungsmittel .
Bei dieser Schaltseitspanne kann es sich insbesondere um die Zeitspanne des Anlegens der ersten Spannung an die erste Reihenschaltung, die Zeitspanne des Anlegens der zweiten Spannung an die zweite Reihenschaltung oder, im Falle eines periodischen Betriebs, die Schaltperiode der Schaltungs- mittel handeln.
Analog zu dem oben beschriebenen Verfahren kann einer ersten Ausgestaltung zufolge die zweite Reihenschaltung ferner den zu messenden Widerstand enthalten.
Einer zweiten Ausgestaltung zufolge bilden die erste und die zweite Reihenschaltung zusammen eine Sternschaltung .
Die Schaltungsmittel können zwei Koraparatoren und einen Spannungsteiler umfassen, von dem ein erster Abgriff mit einem invertierenden Eingang des ersten Komparators und ein zweiter Abgriff mit einem nichtinvertierenden Eingang des zweiten Komparators verbunden ist; die beiden übrigen Eingänge der Kom- paratoren sind mit der an dem Kondensator abfallenden Spannung beschaltet.
Alternativ können die Schaltungsmittel einen Kompa- rator umfassen, von dem ein invertierender Eingang mit dem Mittelpunkt der Sternschaltung verbunden ist und ein nichtinvertierender Eingang mit einer Quelle eines hysteresebehafteten Referenzpotentials verbunden ist .
Als diese Quelle sind vorzugsweise ein Spannungsteiler sowie ein zwischen einen Abgriff des Spannungsteilers und dem Ausgang des Komparators geschalteter Widerstand vorgesehen.
Jede Reihenschaltung kann ferner einen vom Ausgangssignal des Komparators gesteuerten Schalter enthalten, wobei der Schalter der ersten Reihenschaltung immer sperrend ist, wenn der Schalter der zweiten Reihenschaltung leitend ist,, und der Schalter der zweiten Reihenschaltung immer sperrend ist, wenn der Schalter der ersten Reihenschaltung lei-
teπd ist, so dass immer durch höchstens eine der beiden Reihenschaltungen Strom fließen kann.
um mehrere Widerstände zu überwachen beziehungswei- se veränderliche Widerstandswerte mehrerer Sensoren im Zeitmultiplex zu erfassen, kann die Vorrichtung mehrere parallele erste Reihenschaltungen aufweisen.
Um sicher zu stellen, dass jederzeit nur eine der ersten Reihenschaltungen aktiv ist, ist zweckmäßigerweise ein Logikgatter zum Verknüpfen des Ausgangssignals des Komparators mit einem Auswahlsignal zwischen den Eingang des Komparators und einen Steuereingang jedes Schalters einer ersten Reihenschaltung eingefügt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh- rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfin- düng;
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm gemäß einer zweiten Ausgesta11ung ,- und
Fig. 3 zeigt eine Weiterentwicklung der zweiten
Ausgestaltung, die die Erfassung von Mess-
werten mehrerer Sensoren im Zeitmultiplex ermöglicht ,
Fig. 1 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Messvor- richtung gemäß, einer ersten Ausgestaltung dex- Erfindung. Die Vorrichtung ist implementiert unter Verwendung eines Timer-Bausteins LMC555, der von der Firma National Seπiiconductor vertrieben wird, doch können die in der Fig. gezeigten Komponenten auch diskret oder unter Verwendung anderer Typen von integrierten Schaltungen aufgebaut sein. Der mit 10 bezeichnete Timer-Baustein hat an einem Gehäuse acht Anschlüsse, die nach der für integrierte Halbleiterschaltungen üblichen Konvention von 1 bis 8 durehnurnmeriert sind. Versorgungsanschlüsse für ein Massepotenzial beziehungsweise eine positive Versorgungsspannung VCC sind mit 1 beziehungsweise 8 bezeichnet . Zwischen dem positiven Versorgungsan- schluss 8 und Masse enthält der Baustein 10 einen Spannungsteiler aus drei identischen, in Reihe geschalteten Widerständen RI, R2 , R3. Abgriffe 16, 17 des Spannungsteilers zwischen Rl und R2 bzw. .zwischen R2 und R3 sind jeweils mit einem Eingang eines Komparators 11 beziehungsweise 12 verbunden. So liegt eine konstante Spannung 2/3 VCC am invertierenden Eingang des Komparators 11 und eine Spannung 1/3 VCC am nicht invertierenden Eingang des Komparators 12 an.
Der mit dem Abgriff 15 verbundene Anschluss 5 ist außerhalb des Bausteins 10 unbeschaltet . Der nicht invertierende Eingang des Komparators 11 und der
invertierende Eingang des Komparators 12 sind über •die Anschlüsse 2 und 6 miteinander sowie über einen externen Kondensator C mit Masse und über eine Reihenschaltung eines Messwiderstandes R8 und eines Referenzwiderstandes RÄ mit der Versorgungsspannung VCC verbunden.
Innerhalb des Bausteins 10 sind die Ausgänge der Koraparatoren 11, 12 an Eingänge eines RS-Flipflops 13 angeschlossen, dessen negierter Inhalt Q einerseits, über einen Inverter 14 abermals negiert, an einem Äusgabeanschluss 3 abgreifbar ist und andererseits einen internen Schalttransistor 15 des Bausteins 10 steuert. Dieser Schalttransistor 15 verbindet, wenn er leitend ist, miteinander verbundene Anschlüsse der Widerstände RA und RB mit Masse.
Wenn die Spannung am Kondensator C in etwa 1/2 VCC beträgt, geben beide Komparatoren 11, 12 Mullsignal aus, und der Status des Flipflops 13 ändert sich nicht. Wenn zu dieser Zeit der Inhalt des Fiipflops
Null ist, ist das Ausgangssignal Q gleich 1, der* Schalttransistor 15 ist leitend, und der Kondensa- tor C entlädt sich über den Messwiderstand RB und den Schalttraπsistαr 15 zu Masse. Infolge dessen nimmt die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Komparators 11 und am invertierenden Eingang des Komparators 12 ab. Sobald sie unter 1/3 VCC ab- fällt, ändert sich das Ausgangssignal des Komparators 12, und das Flipflop 13 wird gesetzt. Dadurch
wird das Ausgangssignal Q zu Null, der Schalttransistor 15 sperrt^ und der Kondensator C wird über die Reihenschaltung der Widerstände RÄ, RB geladen. Wenn die Kondensatorspannung wieder ansteigt, wird das Ausgangssignal des Komparators 12 sofort wieder Null, was den Zustand des Flipflops 13 jedoch nicht verändert. Sobald die Spannung am Kondensator C 2/3 VCC überschreitet, schaltet das Ausgangssignal des Komparators 11 auf I, wodurch das Flipflop 13 zu- rückgesetzt wird. Q wird wieder zu 1, und das Entladen des Kondensators beginnt von neuem.
Die Zeitdauer der Ladephase beträgt hier jeweils
und die der Entladephase ist
woraus sich eine Gesamtperiodendauer
ergibt. Die Zeiten ti, t2 odeϊ" T können von einem an den Ausgang 3 des Timer-Bausteins 10 angeschlossenen Mikroprozessor direkt gemessen werden, indem dieser zählt , in viel aufeinander folgenden Be- fehlszyklen ein gleicher Pegel an dem Ausgang 3 anliegt. Durch Bilden des Verhältnisses ti/t2 wird der Widerstandswert des Messwiderstandes im Verhältnis zu dem des Referenzwiderstandes RB erhalten: aus
folgt
(3)
Der srfasste Widerstandswert RB ist somit unabhängig von der Kapazität des Kondensators C, das heißt er wird durch Abhängigkeiten der" Kapazität von der Temperatur oder anderen Umgebungsgrößen, Alterung des Kondensators etc. nicht beeinflusst .
Wenn die Schaltung der Fig. 1 aus diskreten Komponenten aufgebaut ist, kann anstelle des Spannungsteilers mit den drei identischen Widerständen Rl, R2 , R3 auch eine Reihenschaltung verwendet werden, deren mittlerer Widerstand R2 von den zwei anderen Rl, R3 abweicht. Dadurch ändern sich die Werte der Schwellenspannungen, bei denen die Kαrαparatoren 11, 12 umschalten, und die Lade- und Sntladezeiten sind allgemein gegeben durch
beziehungsweise
wobei a eine Funktion der Widerstandswerte Rl, R2 ist. Da die äußeren Widerstände Rl, R3 des Spannungsteilers nach wie vor identisch sind, ist die Differenz zwischen jeder Schwellenspannung und der ihr benachbarten Versorgungsspannung, Null oder VCC, gleich, und der gleiche Faktor a ist für Lade- und Entladezeiten anwendbar, so dass die Beziehung (3) auch hier gilt.
Da bei der Vorrichtung der Fig. 1 sowohl Lade- als auch Entladeströme des Kondensators C über den Messwiderstand RB fließen, kann in dem Messwiderstand RB freigesetzte ohmsche Wärme dessen Widerstandwert beeinflussen. Es ist daher wünschenswert,
den Stromfluss durch den Messwiderstand RB möglichst niedrig zu halten.. Die Ausgestaltung der Fig. 2 genügt dieser Anfcrderung, indem sie die Reihenschaltung der Widerstände ~&nά des Ron-
densators C aus Fig. 1 durch eine Sternschaltung ersetzt, in der Lade- und Entladeströroe über jeweils nur einen der beiden Widerstände flie
ßen.
Ein mit 21 bezeichneter Mittelpunkt der Sternschaltung ist mit dem invertierenden Eingang eines Korn- parators 22 verbunden, dessen nicht invertierender Hingang einerseits mit einein Mittenabgriff eines zwischen die positive Versσrgungsspannung VCC und Masse geschalteten Spannungsteilers aus zwei identischen Widerständen R'l, R' 2 und andererseits über einen Widerstand R' 3 mit dem Ausgang des Kompara- tors 22 verbunden ist. So ergibt sich am nicht invertierenden Eingang eine Spannung, die von 1/2 VCC um einen von den Widerständen R'l, R'2, R' 3 und dem Innenwiderstand des Koraparators 22 abhängigen Wert Δlf nach oben oder nach unten abweicht, je nachdem, ob das Ausgangssignal des Komparators 22 1 oder 0 ist.
An den Ausgang des Komparators 22 ist ferner ein Eingang eines Nand-Gatters 23 angeschlossen, dessen anderer Eingang von außen mit einem Auswahl signal beschaltet ist. Der Ausgang des Nand-Gatters 23 wiederum ist mit den Gates von zwei Schalttransistoren verbunden, einem p-MOSFET M2 , der zwischen die positive Versorgungsspannung VCC und den Refe-
renzwiderstand RA geschaltet ist, und einem n- MOSFET MIa, der zwischen den Messwiderstand RB und Masse geschaltet ist .
Wenn man annimmt, dass, zum Beispiel im Augenblick der Inbetriebnahme der Schaltimg der Fig. 2 der Kondensator C entladen ist, liegt Massepotenzial am invertierenden Eingang des Komparators 22 an. Da die Spannung am nichtinvertierenden Eingang nur hö- her sein kann, nimmt der Ausgang des Komparators 22 den Pegel logisch 1 an.
Wenn gleichzeitig das am Nand-Gatter 23 anliegende Auswahl signal den Pegel logisch I hat, geht der Aiαsgang des Nand-Gatters auf logisch Null, so dass der Schalttransistor MIa sperrend und der Schalt - transistor M2 leitend ist. Folglich fließt ein Ladestrom durch den Schalttransistor M2 und die Reihenschaltung des Referenzwiderstandes RA und des Kondensators C. Der Kondensator wird aufgeladen, bis die Spannung am Punkt 21 die am nicht invertierenden Eingang des Komparators 22 anliegende Spannung 1/2 VCC +- ΔU überschreitet. In diesem Moment geht der Ausgang des Komparators auf Null, der Äus- gang des Nand-Gatters 23 schaltet auf 1, der
Schalttransistor MIa wird leitend, und der Schalt - transistor M2 sperrt . Nun wird der Kondensator C über den Messwiderstand RB und den Schalttransistor MIa entladen. Gleichzeitig schaltet die Spannung am nicht invertierenden Eingang des Komparators 22 um auf 1/2 VCC - ΔU. Wenn dieser Spannungswert auch am invertierenden Eingang unterschritten wird, wech-
selfc der Ausgang des Komparators 22 erneut seinen Zustand, und der Kondensator C wird von neuem geladen. Die Dauer der Ladephase ist
die der Entladephase ist
wobei a eine Funktion des Spannungshubs ΔU, mithin also der Widerstände R'l bis R' 3 und des Innenwiderstandes des Komparators 22, ist. Da das Verhält - nis der Lade- und Ξntladezeiten ti/t2 von a unabhängig ist, ist zur Berechnung des Messwiderstandes RB nur die Kenntnis des Referenzwiderstandes RA erforderlich, nicht aber die der Widerstände R'l, R' 2, R' 3 und der Kapazität des Kondensators C. Es gilt
Vorzugsweise sind die in Fig. 2 von einem gestrichelten Rahmen umgebenen Komponenten der- Messvorrichtung in einer geraeinsamen integrierten Schal- tung implementiert. Lediglich die Sternschaltung aus Referenzwiderstand RA, Messwiderstand RB und Kondensator C ist nicht Teil der integrierten Schaltung.
Das in Fig. 2 dargestellte Konzept ist leicht übertragbar auf eine Vorrichtung zum Messen der Widerstandswerte mehrerer Sensoren im Zeitrnultiplex, wie in Fig. 3 dargestellt. Die in Fig. 2 von dem gestrichelten Rahmen umgebenen Schal tungsteile sind im Wesentlichen dieselben wie in Fig. 2. Lediglich das Nand-Gatter 23 ist ersetzt durch ein And-Gatter
24a und einen zwischen dem Ausgang des Komparators 22 und dem And-Gatter 24a angeordneten Inverter 25. Diese Änderung hat keinen Einfluss auf das Verhalten der Schalttransistoren MIa und M2.
An den Ausgang des Inverters 25 sind parallel zum Änd-Gatter 24a weitere Änd-Gatter 24b, 24c etc. angeschlossen.
Solange das an einem der Änd-Gatter 24a, 24b? ... anliegende Auswahlsignal G ist, ist auch der Ausgang dieses And-Gatters 0, und der über dieses Gatter gesteuerte Schalttransistor MIa, MIb oder MIc bleibt geschlossen. Der Kondensator C kann nur über denjenigen Messwiderstand etc. entladen
werden, dessen And-Gatter ein Auswahl Signal mit Wert I empfängt. Indem zu jeder Zeit nur eines der Änd-Gatter mit einem solchen Signal beaufschlagt wird, wird der Messwiderstand ausgewählt, dessen Widerstandswert erfasst wird.
Claims
1. Verfahren zur Messung des Widerstandswerts eines elektrischen Widerstandes 
mit den Schritten: a) Anlegen einer ersten Spannung (0) an eine erste Reihenschaltung, die den zu messenden
Widerstand und einen Konden 
sator (C) umfasst, und Erfassen der bis zum Erreichen einer ersten Schwellenspannung (1/3 VCC; 1A VCC-AU) am Kondensator (C) erfordern - chen Zeit 
; b) Anlegen einer zweiten Spannung (VCC) an eine zweite Reihenschaltung, die einen Referenzwiderstand 
und den Kondensator (C) umfasst, und Erfassen der bis zum Erreichen einer zweiten Schwellenspannung (2/3 VCC; 
VCC+ΔU) am Kondensator (C) erforderlichen Zeit
c) Berechnen des Widerstandswerts anhand der in Schritt a) und b) gemessenen Zeiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,, dass bei Erreichen der ersten Schwellenspannung 
die erste Spannung (0) an der ersten Reihenschaltung aus- und die zweite Span 
nung (VCC) an der zweiten Reihenschaltung (RÄ, eingeschaltet wird und bei Er 
reichen der zweiten Schwellenspannung (2/3 
die zweite Spannung (VCC) an der zweiten Reihenschaltung aus- und die erste Spannung (0) an der ersten Reihenschaltung eingeschaltet, wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt c) ein Quotient der in Schritt a) bzw. Schritt b) gemessenen Zeiten berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reihenschaltung den zu messenden Widerstand (RB) enthält und dass der Widerstandswert gemäß bereσh- 
net wird, wobei t2 die in Schritt a) gemessene Zeit; ti die in Schritt b) gemessene Zeit und RA den Widerstandswert des Referenzwiderstands bezeichnet .
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass die zweite Reihenschaltung den zu messenden Widerstand nicht enthält und dass der Widerstandswert gemäß berechnet 
wird, wobei t2 die in Schritt a) gemessene Zeit, ti die in Schritt b) gemessene Zeit und RA, den Widerstandswert des Referenzwiderstands bezeichnet .
6. Vorrichtung zur Messung des Widerstandswerts eines elektrischen Widerstandes mit einer ersten Reihenschaltung, die den zu messenden Widerstand ...) und einen 
Konderisator (C) umfasst, einer zweiten Reihenschaltung, die den Kondensator (C) und einen Referenzwiderstand (RÄ) umfasst ,
Schaltungsmitteln (10; 22, 23, MIa, M2 ; 22, 24, 25, MIa, MIb, .„, M2) zum Anlegen einer ersten Spannung (0) an die erste Reihenschaltung oder einer zweiten Spannung (VCC) an die zweite Reihenschaltung, und einem Zeitmesser zum Er'fassen einer Schalt - Zeitspanne (t1, t2, T) der- Schaltungsmittel.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel (10; 22, 23, MIa, M2; 22, 24, 25, MIa, MIb, M2) eingerichtet sind, periodisch bei Erreichen der ersten Schwellenspannung (1/3 VCC; 1/3 VCC; Vz VCC-ΔU) die erste Spannung (0} an der ersten Reihenschaltung aus- und die zweite Spannung (VCC) an der zweiten Reihenschaltung einzuschalten und bei Erreichen der zweiten Schwellenspannung (2/3 VCC; 
VCC+ΔU) die swei- te Spannung (VCC) an der zweiten Reihenschaltung aus- und die erste Spannung (0) an der ersten Reihenschaltung einzuschalten,
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Reihenschal - tung den zu messenden Widerstand (R8) enthält .
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Reihenschaltung zusammen eine Sternschaltung bilden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmittel {10} zwei Komparatoren {11, 12) und einen Spannungsteiler (Rl, R2, R3) umfassen, von dem ein erster Abgriff (16) mit einem invertierenden Eingang des ersten Koraparators (11) und ein zweiter Abgriff (17) mit einem nicht- invertierenden Eingang des zweiten Koraparators (12) verbunden ist, und dass die beiden übri- gen Eingänge der Komparatoren (11, 12) mit der an dem Kondensator (C) abfallenden Spannung beschaltet sind,
11. Vorrichtung einem der Ansprüche 6 bis 9, da- durch gekennzeichnet, dass die Schaltungsmit- tel einen Komparator (22) umfassen,, von dem ein invertierender Eingang mit dem Mittelpunkt
(21) der Sternschaltung verbunden ist und ein nichtinvertierender Eingang mit einer Quelle (R' 1, R'2f R' 3} eines hysteresebehafteten Referenzpotentials 
VCC-rΔU) verbunden ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle einen Spannungstei- ler (R' 1, R' 2) und einen zwischen einen Abgriff des Spannungsteilers und den Ausgang des Komparators (22) geschalteten Widerstand (R' 3} umfasst .
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reihenschaltung ferner einen vorn Ausgangssignal des Komparators
(22) gesteuerten Schalter (MIa, MIb, ..., M2) enthält, und dass der Schalter (MIa, MIb, ..,) der ersten Reihenschaltung immer sperrend ist, wenn der Schalter (M2) der zweiten Reihenschaltung leitend ist und der Schalter (M2) der zweiten Reihenschaltung immer sperrend ist, wenn der Schalter (MIa, MIb, „.) der ersten Reihenschaltung leitend ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere pa- rallele erste Reihenschaltungen (RB, C; RBb, C; RBb, C; ...) aufweist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1.4, soweit auf Anspruch 13 rückbezogen, dadurch gekennzeichnet., dass ein Logikgatter (23; 24} aum Verknüpfen des Ausgangssignals des Komparators (22) mit einem Auswahlsignal zwischen den Ausgang des Komparators {22} und einen Steuereingang jedes Schalters (MIa, MIb, ...) einer ersten Reihen- Schaltung eingefügt ist.
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| CN109188095A (zh) * | 2018-10-11 | 2019-01-11 | 深圳和而泰智能控制股份有限公司 | 一种电阻测量电路、方法及环境参数测量装置 |
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