DE19500047A1 - Frequenzanaloge Sensorsignale auf der Basis von Kippschwingungen, spannungsanaloge Sensorsignale sowie Sensorsignale mit zwei stabilen Spannungszuständen in harmonischen Systemen und Einrichtung zum Durchführen und Nachweis der Verfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft zum einen ein Verfahren nach den Oberbegriffen des Anspruches 1 sowie eine Einrichtung zum Nachweis und Durchführen des Verfahrens und zum anderen ein Verfahren nach den Oberbegriffen des Anspruches 5 und 6.

Der Erfindung liegt zum einen die Aufgabe zugrunde, eine Konversion von elektrischen Größen in ein frequenzanaloges bzw. in ein spannungsanaloges Ausgangssignal zu realisieren.

Bekanntlich sind Ausgangssignale im Frequenzbereich besonders unempfind­ lich gegenüber Störeinflüsse auf dem Übertragungswege und können unter Einsatz von PLL-Regelreisen direkt

• - zur Regelungen der Meßgröße im Frequenzbereich mit den damit ver­ bundenen Vorteilen benutzt oder
• - mit Hilfe eines einfachen Zählers in ein digitales Signal bzw.
• - mit einem PLL-Demodulator in ein analoges Gleichsignal mit variablem Dynamikbereich umgewandelt werden.

Dabei lassen sich Ausgangssignale in einem relativ niedrigen Frequenzbe­ reich im allgemeinen einfacher und kostengünstiger verarbeiten als Signale im Hochfrequenzbereich.

Gleichsfromfreie Meßverfahren sind mit weniger statistischen Störquellen behaftet als gleichstrombehaftete, bei denen unter Umständen mit Schrot- und Funkelrauschen zu rechnen ist.

Halbleiter erfüllen i.a. die Forderungen nach schnellen Reaktionen, kleinen Bauformen, geringen Kosten und reagieren auf Umweltgrößen in vorher­ sagbarer Weise.

Diese Eigenschaften führen zu dem Konzept gleichstromfreier (Halbleiter-) Sensoren mit frequenzproportionalem Ausgangssignal im (Nieder-)Fre­ quenzbereich.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrens gelöst.

Der Erfindung liegt zum anderen die Aufgabe zugrunde, eine Konversion von elektrischen Größen in ein spannungsanaloges sowie ein digitales Aus­ gangssignal im Zeitbereich zu realisieren. Ausgangssignale im Zeitbereich sind nämlich dann unempfindlich gegenüber Störeinflüssen, wenn es sich um digitale Signale handelt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindungen ist in Zeichnungen dargestellt. Es wird im folgenden näher beschrieben:

2. Beschreibung

Viele Sensoren bestehen im einfachsten Fall aus einem Widerstand, einer Kapazität oder auch einer Induktivität, deren elektrische Eigenschaften von den jeweils zu messenden physikalischen, chemischen oder biologischen Eigenschaften abhängen. Die elektrischen Größen sind dabei ein Maß für die zu detektierenden physikalischen, chemischen oder biologischen Eigen­ schaften. Das zu lösende Problem besteht in einer gleichstromfreien Umset­ zung dieser elektrischen Eigenschaften in ein niederfrequentes Ausgangssignal.

Die klassische Lösung des Problems besteht darin, die Sensor-Elemente als frequenzbestimmende Bauteile in ein RC- oder LC- Schwingkreis einzuset­ zen. Niederfrequente Ausgangssignale mit hoher Frequenzvariation sind damit allerdings nur recht aufwendig zu erzeugen. Die im Verstärker zur Entdämpfung des Schwingkreises fließenden Gleichströme und unvermeid­ liche Schwankungen der Verstärkerparameter haben überdies einen uner­ wünschten Einfluß auf die Ausgangsfrequenz des Systems.

Bei der hier beschriebenden Erfindung werden gleichstromfreie Oszillatio­ nen (z. B. Oszillationen im Sperrbereich eines nichtlinearen Varaktors) ohne Verwendung eines externen Entdämpferverstärkers erzeugt. Dabei werden in Abhängigkeit von den Systemparametern drastische Frequenzänderun­ gen beobachtet.

Die Grundschaltung des Systems ist in Bild 1 dargestellt, Kennlinienbei­ spiele in den Bildern 4, 5, 6 und 9.

In Abhängigkeit vom Arbeitspunkt lassen sich mit der in Bild 2 dargestellten Anordnung spannungsanaloge Ausgangssignal erzeugen. In Abhängigkeit von den Systemparametern ändert sich die Ausgangsspannung drastisch. In den Bildern 7 und 10 sind Kennlinienbeispiele dargestellt.

Koppelt man zwei dieser Systeme, wie in Bild 3 dargestellt, erhält man von der Vorgeschichte des Systems abhängige zwei stabile Spannungszustände (± 0,5V). Die entsprechende prinzipielle Kennlinie ist in Bild 8 dargestellt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Frequenzkonversion einer Meßgröße, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß in einem nichtlinearen System, das durch eine erweiterte Duffing­ sche Differenzialgleichung beschrieben wird, bei geeigneter zusätzlicher Beschaltung Oszillationen (Kippschwingungen) entstehen,
daß die zur Aufrechterhaltung der Oszillationen notwendige Energie einem erregenden Wechselsignal entnommen wird,
daß die Eigenfrequenz der Kippschwingungen drastisch von den zu detektierenden elektrischen Größen bestimmt wird.

2. Einrichtung zum Nachweis und Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die technische Einrichtung aus einem Schwingkreis oder anderen resonanzfähigen Gebilde besteht,
daß dieses System durch eine erweiterte Duffingsche Differentialglei­ chung beschrieben wird
daß bei diesem System durch den gekrümmten Verlauf der Resonanz­ kurve bei geeigneter zusätzlicher Beschaltung Kippschwingungen ent­ stehen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Schwingkreis oder anderem resonanzfähigen Gebilde eine Halbleiter­ diode mit nichtlinearer Reaktanzkennlinie als nichtlineares reaktives Bauelement eingesetzt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz der Kippschwingungen von einer zu messenden (elektri­ schen) Größe bestimmt wird.

5. Verfahren zur Erzeugung von spannungsanalogen Sensorsignalen, da­ durch gekennzeichnet, daß in in harmonischen Systemen, die durch eine erweiterte Duffingsche Differentialgleichung beschrieben werden, bei geeigneter zusätzlicher Beschaltung ein spannungsanaloges Ausgangssignal entsteht, das von den zu detektierenden elektrischen Größen abhängt.

6. Verfahren zur Erzeugung von digitalen Sensorsignalen mit zwei Schaltzuständen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem gekoppelten nichtlinearen System, das durch zwei erwei­ terte Duffingsche Differentialgleichungen beschrieben wird, zwei stabile Spannungszustände erzeugt werden.