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Schaltungsanordnung zur Umwandlung einer Brückenverstimmung in eine
Frequenzänderung Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Umwandlung
einer Verstimmung einer aus einer Spannungsquelle gespeisten Widerstandsbrücke mit
vier Widerständen in eine Frequenzänderung eines RC-Oszillstors, wobei die Ausgangs
klemmen der Brücken mit den Fingangaklemmen eines Wompensationsverstärkers verbunden
sind, dessen Ausgangsspannung einen steuerbaren Widerstand mittelbar oder unmittelbar
steuert, und eine der Ausgangsklemmen der Brücke außerdem über einen Widerstand
mit dem Zusammenschaltpunkt eines gegen Masse geschalteten Widerstandes und des
an die Spannungsquelle angeschlossenen steuerbaren Widerstandes verbunden ist, nach
Patent .... (Patentanmeldung P 19 24 783.7-35 Eine ähnliche Schaltung ist in dem
Aufsatz von D. MEYER : 'Präzisions-AR-Af-Umforner für frequensanaloges Messen mit
DMS', VDI Berichte 137, 1970, 5. 41 - 44, beschrichem. Darin liegen die variablen
Widerstände des Meßwertsufnehmers als
Brilckensehaltung in einem-
Regelkreis, der durch Veränderung eines etenerbaren Widerstandes die Verstimmung
der Brücke kompensiert. Da der steuerbare Widerstand gleichzeitig ein frequenzbestimnender
Bestandteil eines RO-Oszillstors ist, wird die Verstimmung der Brücke in eine Änderung
der Frequenz des Oszillators umgewandelt. Bei der in der genannten Literaturstelle
beschriebenen Schaltung ist der steuerbare Widerstand mit dem Eingang eines gegengekoppelten
Operations-Verstärkers verbunden. Dieser Verstärker kann ohne grundsätzliche Änderung
der Funktion auch durch einen gegen Masse geschalteten Widerstand ersetzt werden.
Der Wert des steuerbaren Widerstandes ist Jedoch stets im Kompensationsfall linear
abhängig von der Brückenverstimmung.
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In manchen Fällen ist es nun notwendig, daß die Brückenverstimmung
nicht in eine lineare Frequenzänderung umgewandelt wird, sondern daß die Umwandlung
möglichst genau einer nichtlinearen Funktion folgt. Dies ist z.B. der Fall bei der
Messung des Volwnendurchflusses nach dem DifferendruckprInzip, wo ein quadratischer
Zusammenhang zwischen zu messender Durchflußgeschwindigkeit und gemessenem 31 enden-Differenzdruck
besteht. Hier muß Zum Ausgleich die Umwandlung in eine Frequenz nach einer radizierenden
Kennlinie erfolgen.
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Dies kann z.B. durch einen Verstärker mit radizierender Kennlinie
und nachgeschaltetem Spannungs-Prequenz-Umfurner geschehen. Der Nachteil hierbei
ist aber ein großer technischer Aufwand besonders zur Realisierung der radizierenden
Kennlinie
mittels nichtlinearen Bauelementen, deren Temperaturgang außerden schwierig zu kompensieren
ist.
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Eine andere Möglichkeit ist aus der DOS 1 516 394 bekannt, wo im Gegenkopplungszweig
eines Verstärkers durch ein Magnetfeld gesteuerte Widerstände liegen und die Steuerung
der Frequenz eines RL-Oszilletors mittels durch dasselbe Magnetfeld gesteuerter
Widerstände erfolgt. Nachteilig ist hierbei, daß die Ungenauigkeiten in den Steuerkennlinien
der magnetfeldebhängigen Widerstände die Umformung beeinflussen.
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Aus dem Aufsatz von L.E. Mac Hattie, "Transistor RC~oszillator with
single-element tuning", IEEE Trans. IN (1965) Seite 204-208, ist ein RC-Oszillator
bekannt, dessen Frequenz durch den Leitwert des einen Widerstandes mit radisiedender
Kennlinie gesteuert Ird. Dazu ist jedoch ein Widerstands-Meßwertaufnehmer mit großer
Widerstandsvariation notwendig, der zudem mit beiden Enden innerhalb des Oszillators
angeschlossen werden muBs Aufgabe der Erfindung ist es, eine Umformerschaltung anzugeben,
mittels der eine kleine Verstimmung einer-Widerstandebrücke über eine möglichst
genau radizierende Kennlinie in eine große Frequenzänderung eines Oszillators umzuformen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den Zusammenschaltpunkt
ferner der Eingang einer Kettensenaltung aus zwei Integratoren und eines Inverters
angeschlossen ist und der A'usgang des Inverters
die Spannungsquelle
darstellt Eine derartige Oszillatorschaltung ist an sich bekannt aus dem Buch von
G.A. Korn und T.M. Korn, "Electronic analog and hybrid computoro", Mc Graw Hill,
1964', Seite 358, Fig. 9-15. Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird aber nicht
die gesamte Ausgangsspannung auf den Eingang übertragen, sondern nur ein Bruchteil
entsprechend dem Übertregungsfaktor aus dem steuerbaren Widerstand und dem gegen
Masse geschalteten Widerstand. Die Frequenz des Oszillators ist dann eine radizierende
Funktion des Ubertragungsfaktors, wie später erläutert wird. Andererseits bectimmt
der Übertragungsfektor aber auch die Kompensationsspannung für die verstimmte Brücke,
so daß auf diese Weise der gewünschte Zusammenhang zwischen der Oszillatorfrequenz
und der Brückenverstimmung zwangsläufig erreicht wird.
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Die Integratoren bestehen zweckmäßig Jeweils aus einem Operationaverstärker,
der durch einen Kondensator überbrückt ist und dessen Eingang ein ohmscher Widerstand
vorgeschaltet ist. Da die Verstärkung des Inverters in der Kette unabhängig von
der Frequenz nahezu gleich eins ist, ist vor dem Inverter die invertierte Ausgangsspennung
des Oszillators vorhanden, so daß der Fußpunkt der Brficke zweckmäßig damit verbunden
wird, um die Empfindlichkeit der Brücke zu erhb'hen.
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Der steuerbare Widerstand kann ein Fcldeffekt-ransistor o<4er ein
lurch eine lichtemittierende Diode gesteuerter Fotowiderstand
sein.
Der steuerbare Widerstand und der gegen Masse geschaltete Widerstand können auch
zusammengefaßt und durch ein Potentiometer realisiert werden. Dieses Potentiomoter
ist zweckmäßig eine elektronische Nultiplizierschaltung, die auf einfache Weise
elektrisch gesteuert werden kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.
Deren einzige Figur zeigt eine Brückenschaltung aus vier Widerständen RBI, R32-,
RB3 und R34, von denen mindestens zwei Meßaufnehmer, z.B. Dehnwngsmeßstreifen-Aufnehmer
sind. Diese Widerstendsbrücke wird an einem Punkt mit der Oszillstorausgangsspannung
Us gespeist. Der disgonsl gegenüberliegends Fußpunkt der Widerstandsbrücke wird
hier mit einer gegenphasigen Spnnung -U gespeist, die aufgrund des Aufbaues des
Oszillators hier ohnehin vorhanden ist. Die se symmetrische Speisung bewirkt vor
allem eine bessere Symmetrie der Brückenausgangsklemmen sowie eine Erhöhung der
Brükkenempfindlichkeit gegenüber dem Falls daß der Fußpunkt der Widerstandsbrücke
mit Nasse verbunden ist. Die anderen beiden Punkte der Widerstandsbrücke stellen
deren Ausgang dar und sind mit einen Kompensationsverstärker K verbunden. Bei einer
Verstimmung der Widerstandsbrücke entsteht zwischen deren Ansgängeneine Spannung,
die am Ausgang des Kompensationsverstärkers K eine entsprechend verstärkte Ausgangs
spannung erzeugt. Diese Ausgangsspannung erstellt ein Potentiometer P solange, bis
die Kompensationsspannung 1 am Ausgang des Potentlometers über den Kompensationswiderstand
Rk einen derartigen Strom in eine der Brückenausgänge erzeugt, daß
die
Spannung zwischen den Brückenausgängen wieder werschwindet. Die Kempennstionsspannung
ist d-ie mit dem Übertragungsfakter k des Potentiometers multiplizierte Ausgangsapennung
Us des Oszillators OS, und sie ist proportional der BrAckenverstimmung.
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Der Oszillator OS besteht aus einer Kettenschaltung von zwei Integratoren
und einem Inverter. Die Integratoren sind in bekannter Weise aus Jeweils einem Operetionaverstärker
V1 bzw.
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V2 gebildet, der durch einen Kondensator C1 bzw. C2 über drückt ist
und dessen Eingang ein ohmscher Widerstand R1 bzw.
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R2 vorgeschaltet ist. Der Inverter der Kette besteht ebenfalls aus
einem Operationsverstärker V3, der durch die Widerstände R3 und R4 gegengekoppelt
ist, um eine definierte Verstärkung su erreichen.
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Es wird nun nicht die volle Ausgangsspannung des Inverters, d.h. die
volle Ausgangsspannung Us des Oszillators OS auf den Eingang der Kette übertragen,
sondern nur ein Bruchteil entsprechend dem Übertragungsfaktor k des Potentiometers
P, der proportional der Brückenverstimmung ist, wie bereits beschrieben korde. Wenn
dem Widerstand R1 des ersten Integrators eine kleinere Spannung zugeführt wird,
wirkt dies aber ebenso, als würde der Wert des Widerstandes R1 vergrößert, d.h.
die Zeitkonstante des ersten Integrators und damit die Frequenz des Oszillstors
OS wird verändert. Da die scheinbare Veränderung der Zeitkonstante nur einen Integrator
betrifft, ist die Frequenz des Osziliators OS proportional der Wurzel aus dem Ubertrsgungsfaktor
k,
wie auch aus der Differentialgleichung des Oszillators hervorgeht, die man leicht
aus den Gleichungen für die beiden Integratoren und den Inverter mit anschließendem
Potentiometer erhält. Gleichzeitig geht aus der Oszillatorgleichung hervor, daß
der Oszillator be idealen Bauteilen keine Dämpfung besitzt, so daß die Einstellung
des Potentiometers P überraschenderweise nicht die Stabilität des Oszillators beeinflußt.
Da die Operstionsverstärker Vi und V2 nicht unendlich ist und die Kondensatoren
Ci und C2 gewisse Verluste besitzen, ist aus diesen Gründen doch eine Amplitudenregelung
des Oszillators notwendig, die z.B. durch die drei Widerstände R5, R6 und R7 gebildet
werden kann. Dabei ist der Widerstand R6 ein verlustleistungsabhängiger Widerstand
(NTC>, so daß an dem Zusammenschaltpunkt der drei Widerstände eine Spannung entsteht,
deren Amplitude abhängig von der Ausgangsamplitude des Oszillators ist und durch
Null geht und dabei die Phase wechselt, so daß der zweite Integrator abhängig von
der Amplitude derAusgangsspannung U6 des Oszillators entdämpft oder bedämpft wird.
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Das Potentiometer P kann z ß. durch die Reibenschaltung eines steuerbaren
Widerstandes und eines gegen tasse geschalteten Feetwiderstandes gebildet werden.
Es kann auch ohne weiteres durch eine elektronische Multiplizierschaltung ersetzt
werden, da es einseitig an Masse liegt, so daß eine schnelle elektronische Steuerung
des Übertragungsfaktors k möglich ist.
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Der Widerstand R'k von einem Brückenausgang gegen Masse kann vorgesehen
werden, um iche Unsymmetrien bei der Speisung der Brücke auszugleichen.
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Patentansprüche: