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Schaltwnsanordnun, zur Messen von Spannungen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung
von Spannungen mit einer Integriereinrichtung zur Aufladung eines Kondensators unter
einer Neßspannung während einer vorgegebenen Zeit und Aus zählung der zur Entladung
des Kondensators unter einer Referenzspannung no-twendigen Zeit.
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Derartige Schaltungsanordnungen sind als wichtigster Bestandteil von
Digitalvoltmetern nach dem Dual-Slope-Prinzip allgemein bekannt.
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Soll ein derartiges Digitalvoltmeter zur Messung von Widerst-;nden
herangezogen werden, so kann dazu der unbekannte Widerstand mit einem bekannten
Referenzwiderstand RRef als Spannung teiler geschaltet werden, an den eine bekannte
Eingangsspannung URef gelegt wird. Zwischen dem dann am unbekannten Widerstand zu
zu messenden Spannungsabfall Ux und dem Widerstandswert des unbekannten Widerstandes
R besteht jedoch ein nichtlinearer Zusammenhang, der aus einer Figur 1 der Zeichnung
abzuleiten ist:
Ein Digitalvoltmeter, das die Spannung Ux mißt, müßte eine aufwendige Linearisierungsschaltung
enthalten, um den Widerstandswert direkt anzeigen zu können.
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Andernfalls muß die Spannung Ux gemessen und der unbekannte lfiders-tandswert
X durch Rechnung ermittelt werden.
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Die direk-te Anzeige von Rx wird möglich, wenn ein bekannter Strom
dem unbekannten Widerstand eingeprägt und die am vriderstand abfallende Spannung
Ux gemessen wird. Es ergibt sich dann ein linearer Zusammenhang zwischen der gemessenen
Spannung Ux und dem gesuchten Widerstandswert Rx, der wie folgt lautet:
Eine Schaltung, mit der dieser Zusammenhang hergestellt werden kann, ist in einer
Figur 2 der Zeichnung dargestellt. Um aus einer Referenzspannung einen eingeprigten
Strom abzuleiten, sind besondere Eir.richtungen erforderlich, beispielsweise ein
Spannungs-Strom-Wandler.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Schaltungsanordnung
so umzuwandeln, daß mit ihr direkte 1idelstandsmessungen vorgenommen werden können,
ohne daß dazu aufwendige Schaltungseinheiten, wie Spannungs-S-trom-ssrancller oder
Linearisierungsschaltungen, notwendig werden. Eine Schaltungsanordnung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 ist gel..äß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß
zur Messung eines an Eingangsklemmen angeschlossenen Widers-tandes zur Entladung
des Kondensators anstelle der Referenzspannung die Differenz ZWischen Referenzspannung
und Spannungsabfall an dem ein Glied eines an der Referenzspannung liegenden Spannungsteilers
bildenden Widerstand dient.
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Wie später nachgewiesen werden wird, ist der gesuchte Widerstandswert
linear abhängig von der Entladezeit des Kondensators, die als Impulsanzahl aus einer
Impulsfolge bekannter Frequenz gemessen wird.
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Zur Differenzbildung wird zweckmäßig ein Operationsversterker verwendet,
der in der Schaltungsanordnung, wenn diese zur Spannungsmessung gebraucht wird,
als Inverter für die Referenzspannung dient.
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Mit Vorteil wird als Referenzwiderstand ein Spannungsteiler eingesetzt,
der bei der Spannungsmessung als Meßbereichwähler dient.
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Die Erfindung wird an drei Figuren erläutert.
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Figur 1 stellt die bekannte Spannungsteilerschaltung dar.
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In Figur 2 ist eine bekannte Schaltung eines Spannungs-Strom-Wandlers
gezeigt.
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Figur 3 zeigt als Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In Figur 1 bildet ein unbekannter Widerstand X zusammen mit einem
bekannten Widerstand RRef einen Spannungsteiler, an dem die bekannte Spannung URef
liegt. Ein am unbekannten Widerstand X abgreifbarer Spannungsabfall Ux ist vom unbekannten
Widerstand Rx nach der in Gleichung (1) niedergelegten Formel abhängig.
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In Figur 2 ist ein gegengekoppelter Verstärker V dargestellt, an dessen
Eingangsklemmen über den bekannten Widerstand RRef die bekannte Referenzspannung
URef liegt. Die niclitinvertierende Eingangsklemme des Verstärkers V ist mit Masse
verbunden. Die invertierende Eingangsklemme des Verstärkers, an der auch der bekannte
Widerstand RRef angeschlossen ist, ist über den unbekannten Widerstand Rx mit der
Ausgangsklemme des Verstärkers V verbunden. An der Ausgangsklemme kann die Spannung
Ux abgenommen werden, die nach der Gleichung (2) von dem unbekannten Widerstand
Rx abhängt. Diese Schaltung, bei der ein der Eingangsspannung URef proportional
verlaufender Strom dem Widerstand Rx eingeprägt wird, ist als Saugschaltung bekanntgeworden.
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Eine Schaltungsanordnung, wie sie eingangs beschrieben wurde, arbeitet
mit einem Ladungsvergleich. Es wird ein Kondensator C mit einem Strom i1 der proportional
einer unbekannten Spannung Ux ist, während einer bestimmten Zeit t1 aufgeladen.
Die in ihm enthaltene Ladung entspricht dann Q1 = C Ux w ii tl (3)
Danach
wird der Kondensator C mit einem zweiten Strom i2, der proportional einer bekannten
Referenz URef ist, entladen. Die dafür benötigte Zeit t2 wird gemessen und stellt
ein Maß für die unbekannte Spannung tlx dar. Mit i1 = Ux/R und i2 = U?e/R, wobei
R als Proportionalitätsfaktor aufgefaßt werden kann, gilt für das mit der bekannten
Schaltungsanordnung durchführbare Dual-Slope-Verfahren:
Ux = k t2 (4) Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, wie bisher
üblich bei einer Schaltungsanordnung nach dem Dual-Slope-Prinzip während der Zeit
t1 den unbekannten Spannungsabftll Ux am Widerstand X zu integrieren. Für die nach
der Aufladung im Kondensator C enthaltene Ladungsmenge gilt:
Im Gegensatz zu einer Spannungsmessung wird jedoch die zu entladende Ladungsmenge
von der Spannungsdifferenz zwischen der Referenzspannung URef und vom Spannungsabfall
Ux' am unbekannten Widerstand Rx bestimmt. Es ist also
Weil die Ladungsmenge nach der Aufintegration Q1 gleich sein muß der Ladungsmenge
nach der Abintegration Q2, können die Gleichungen (5) und (6) zusammengefaßt werden
zu:
Wird nun für Ux' die eingangs erwähnte Spannungsteilerformel Gleichung (1) eingesetzt,
so ergibt sich aus Gleichung (7)
und daraus:
Der unbekannte Widerstand X ist also linear abhängig von der Entladungszeit des
Kondensators X = k . t2 Ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung ist in Figur
3 dargestellt. An zwei Eingangskleramen MP1 und MP2 liegt ein unbekannter Widerstand
Rx. An die Eingangsklemme MP1 angeschlossen ist ein Spannungsteiler aus mit ihren
Widerstandswenben bezeichneten Widerständen 9 Nil, 900 luA, 90 kQ, 9 kn und 1 ka.
Der Spannungsteiler dient zusammen mit Relaisschaltern rlsl, rls2, rls3, rls4, rls5
der Wahl des Meßbereiches. Die Gegenkontakte der Relaisschalter rls1 bis rls5 liegen
zusammen über einen Widerstand RS an der nichtinvertierenden Eingangsklemme eines
Vorverstärkers IC1. An der gleichen Klemme sind zwei entgegengesetzt gepolte Dioden
D1 und D2 angeschlossen. Die Ausgangsklemme des Vorverstärkers ICI ist über eine
Rückkopplungsschleife mit der invertierenden Eingangsklemme des Verstärkers verbunden.
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Weiter ist die Ausgangsklemme des Verstärkers IC1 über einen Analogschalter
S1 und einen ersten Widerstand R1 an die invertierende Eingangsklemme eines Integrationsverstärkers
IC3 gelegt. Der nichtinvertierende Eingang dieses Verstärkers ist mit Masse verbunden.
Der invertierende Eingang liegt noch über den Integrationskondensator C1 am Ausgang
des Verstärkers. Der Ausgang ist an den invertierenden Eingang eines Endverstärkers
IC4 angeschlossen, dessen nichtinvertierender Eingang ebenfalls an Masse liegt.
Der Ausgang des Endverstärkers IC4 steht mit einer Steuerlogik Stl in Verbindung,
die einen Zeittaktgenerator und einen Zähler einschließt. Der Fußpunkt des aus den
Widerständen 9 Nn bis 1 kn bestehenden Spannungsteilers ist über einen Relaisumschalter
rls6b mit zwei Gegenkontakten verbindbar, von denen der eine an Masse und der andere
über einen ersten Widerstand R2 am invertierenden Eingang eines Verstärkers IC2
liegt.
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Der gleiche Gegenkontakt ist mit einer Referenzspannungsquelle +URef
verbunden. Die Referenzspannungsquelle ist über einen
Analogschalter
S3 und einen zweiten Widerstand R1 an die invcrtierende Eingangsklemme des Integrationsverstärkers
IC3 angeschlossen. Die nichtinvertierende Eingangsklemme des Verst.irkers IC2 steht
mit einem zweiten Widerstand ll2 mit einem Relaisumschal-ter rls6a in Verbindung,
der für die Widerstandsmessung diese Eingangsklemme des Verstärkers IC2 mit dem
Ausgang des Verstärkers IC1 verbindet. Für die Spannungsmessung liegt die nichtinvertierende
Eingangsklemme des Verstärkers IC2 über den zweiten Widerstand R2 an Masse. Eine
dauernde Masseverbindung der nichtinvertierenden Eingangsklemme des Verstärkers
IC2 ist über einen dritten Widerstand R2 hergestellt. Die Ausgangsklemme des Verstärkers
IC2 ist über einen Analogschalter S2 und einen dritten Widerstand R1 mit der invertierenden
Eingangsklemme des Integrationsverstärkers IC3 verbunden. Weiter steht die Ausgangsklemme
über einen vierten Widerstand R2 mit der ir.-vertierenden Eingangsklemme des Verstärkers
IC2 in Verbindung.
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Die Steuerelektroden der Analogschalter S1, S2 und S3 werden von der
Steuerlogik Stl angesteuert. An die Steuerlogik angeschlossen ist eine Anzeigeeinheit
AE.
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Die Funktionsweise der Schaltung wird im folgenden beschrieben.
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Sind die Relaisumschalter rls6a bzw. rls6b in der Schalt stellung
Masse, so arbeitet die Schaltungsanordnung als ein Spannungsmeßgerät nach dem bekannten
Dual-Slope-Prinzip. Dabei kann r,lit den Relais rlsl bis rls5 eine Teilspannung
einer unbekannten Spannung Ux an den Eingang des Vorverstärkers IC1 gelegt wer(1eIl.
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Der Fußpunkt des Spannungsteilers liegt dabei am Masse Bezugspotential.
Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers IC2 liegt ebenfalls an Masse. Deshalb
ist die Ausgangsspannung des Verstärkers IC2 die negative Referenzspannung -URef.
Diese Spannung bestimmt die Entladung während der Abintegrationsphase beim Vorliegen
einer positiven Meßspannung Ux.
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Soll die Schaltung zur Widerstandsmessung dienen, so müssen lediglich
die Relaisumschalter rls6a und rls6b betätigt werden.
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Der Fußpunkt des Eingangsspannungsteilers liegt dann an der positiven
Referenzspannung +URef. Zusätzlich wird der Relaisschalter rlsl geschlossen. Durch
Anlegen des unbekannten iderstandes an die Eingangsklemmen MP1 und MP2 entsteht
dann ein Spannungsteiler. Der Eingang des Verstärkers IC1 ist hochohmig,
so
daß der Spannungsabfall Ux' an dem unbekannten riderstand nicht verfälscht wird.
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Bei dieser Eetriebsweise wird der Verstärker IC2 als Differenzbildner
verwendet. Seine Ausgangs spannung ist die Differenz zwischen der Referenzspannung
URef und dem Spannungsabfall Ux' am unbekannten Widerstand X . Dieser Spannungsabfall
UX' ist wegen der positiven Referenzspannung Uflef ebenfalls positiv, die Spannungsdifferenz
muß deshalb negativ werden. Dies ist durch die externe Beschaltung des Verstärkers
IC2 mit den .iderständen R2 sichergestellt. Die Steuerlogik Stl sorgt für den richtigen
Ablauf des Meßzyklus, insbesondere auch für dic Zählung von während den Auf- und
Abinte--ra-tionszeiten anfallenden Zähltaktimpulsen.
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Die Schaltungsanordnung kann sowohl mit diskreten Bauteilen als auch
mit vollintegrierten Bausteinen aufgebaut werden. Bei den integrierten Bausteinen
muß die Möglichkeit vorgesehen sein, eine positive und eine negative Referenzspannung
extern anzuschließen. In der nachfolgenden Tabelle sind für die einzelnen Meßbereiche
die bei der Spannungs- und Widerstandsmessung zu aktivierenden Relaisschalter aufgeschlüsselt.
| aktivierte Relais |
| Spannungsmessung Widerstandsmessung |
| 1 V rls 1 1 k# rls 1, 5, 6 |
| 10 V rls 2 10 kn rls 1, 4, 6 |
| 100 V rls 3 100 kn rls 1, 3, 6 |
| 1000 V rls 4 1 M# rls 1, 2, 6 |
| 10 Mn rls 1, 6 |