Schaltungsanordnung zum Übertragen elektrischer Signale über eine Messleitung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Übertragen elektrischer Signale, die von einem Geber, insbesondere von einem piezoelektrischen Messwertwandler erzeugt sind, über eine Messleitung, bei der der Ausgang des das Signal liefernden Gebers mit einem aktiven Schaltungselement verbunden ist, das ein Feldeffekt-Transistor ist.
Bei der Messung physikalischer Grössen wie Druck, Kraft und Beschleunigung mit Hilfe mechanisch-elektrischer Wandler, insbesondere bei der Durchführung von Messungen oder laufenden Betriebs überwachungen mit Hilfe von piezoelektrischen Messwertwandlern, tritt bekanntlich das Problem auf, verhältnismässig kleine Mess-Signale möglichst unverfälscht von der Messtelle an ein von dieser entfernt angeordnetes Auswertegerät weiterzuleiten. Zu diesem Zweck werden bei den bekannten Schaltungsanordnungen isolierte Verbindungsleitungen, meist Koaxialkabel, verwendet, die vom Signalgeber zu einem Verstärker führen, von dem das verstärkte Signal zum Auswertegerät weitergeleitet wird.
Bei den in der Praxis unvermeidlichen grösseren Leitungslängen führen die Isolationswiderstände, Leitungswiderstände und Leitungskapazitäten zu oft erheblichen Messfehlern, die insbesondere durch magnetische Wechselfelder, durch Störspannungen aufgrund von Erd- oder Masseströmen und durch andere elektrostatische Störeinflüsse verursacht werden, z. B. durch sogenannte Brummeinstreuungen.
Ferner sind am Empfangsort bei hohen Frequenzen des Mess-Signales störende Verzerrungen feststellbar.
Um diese Störeinflüsse möglichst klein zu halten, ist es bekannt, Impedanzwandler oder Ladungsverstärker direkt in das Gehäuse des Messgebers einzubauen, um dadurch die gegen Störeinflüsse empfindliche hochohmige Signalleitung möglichst kurz zu halten und eine relativ problemlose Verbindungsleitung zum Auswertegerät zu ermöglichen. Die bekannten Impedanzwandler bringen jedoch verschiedene Nachteile mit sich. Um durch sogenannte Brummeinstreuungen und Erd- oder Masseströme verursachte Störungen, die bei langen Kabeln und grossen Erdströmen die Grössenordnung des nur einige Volt betragenden Messignals erreichen können, zu vermeiden, müssen das Gebergehäuse und die Bezugspotentialleitung vom Messobjekt isoliert montiert werden. Ausserdem weisen die Impedanzwandler keine Spannungsverstärkung auf, so dass eine nachfolgende Signalverstärkung notwendig ist.
Ferner werden Messfehler infolge der Leitungswiderstände und Verzerrungen infolge von Kabelkapazitäten nicht sicher vermieden, und wenn für die Speisung und für das Signal die selbe Leitung verwendet wird, werden durch die Speisespannung weitere Störungen verursacht, zu deren Unterdrückung für den Impedanzwand ler besonders ausgeführte Transistoren erforderlich sind.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile durch eine Schaltungsanordnung, bei der der Ausgang des das Signal liefernden Gebers mit einem aktiven Schaltungselement in Form eines Feldeffekt-Transistors verbunden ist, dessen Steuereingang vom elektrischen Signal beaufschlagt ist, und die erfindungsgemäss darin besteht, dass die Source-Elektrode des Feldeffekt Transistors mit dem Kollektor eines Transistors verbunden ist, dessen Emitter über einen Drainwiderstand des Feldeffekt-Transistors und die Basis dieses Transistors unmittelbar mit der Drain-Elektrode des Feldeffekt-Transistors zusammengeschaltet sind, dass zwischen die Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors und dem Bezugspotential ein Widerstand geschaltet ist, der, zusammen mit den beiden Transistoren und dem Drainwiderstand, eine vom Geber-Signal gesteuerte Stromquelle bildet, an deren Ausgang sich eine Leitung anschliesst,
in der entweder ein Arbeitswiderstand und eine Speisespannungsquelle oder ein Operationsverstärker eingeschaltet sind.
Durch die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung wird das vom Messwertwandler abgegebene Signal in ein Stromsignal umgewandelt und eine Stromquelle mit hohem Innenwiderstand gebildet. Dadurch werden die Nachteile, die bei der Übertragung eines Signals in einem niederohmigen Stromkreis als Spannungssignal auftreten, durch die Vorteile einer Signalübertragung in einem hochohmigen Stromkreis als Stromsignal umgangen.
Auf diese Weise wird bei der Übertragung des Messsignals eine weitgehende Störsignalunterdrückung erzielt, u.zw. bleiben Störsignale durch Erdströme oder magnetische Einstreuungen praktisch ohne Einfluss auf das Messsignal und wird auch bei extremen Kabelkapazitäten der Frequenzgang des zu übertragenden Messignals nach höheren Frequenzen hin nicht beeinflusst, weil Spannungsänderungen zwischen der das Messignal übertragenden Leitung und dem Bezugspotential praktisch keinen Einfluss auf das eingeprägte Stromsignal in der Messleitung haben. Eine gegen das Erd- oder Massepotential isolierte Montage des Gebers kann daher wegfallen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass eine gemeinsame Leitung zur Speisung und zur Signalübertragung verwendet werden kann.
Die Stromquelle kann bei geeigneter Wahl der Transistoren unmittelbar in das Gehäuse des Gebers eingebaut und über einen verhältnismässig grossen Temperaturbereich, etwa von -40 bis ungefähr -rl50 "C, funktionsfähig gehalten werden, so dass eine Verbindungsleitung zwischen, dem Geber und der Stromquelle praktisch zur Gänze wegfällt. Mit Hilfe der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung können somit die Messignale eines Messwertwandlers, z. B.
eines piezoelektrischen Gebers, auf verhältnismässig einfache Weise über beliebig lange Messleitungen unverfälscht übertragen werden.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, welches in der Zeichnung dargestellt ist.
In dem in der Zeichnung gezeigten Schaltbild ist der das Eingangssignal der Schaltungsanordnung liefernde Messgeber mit 1 bezeichnet. Der Messgeber 1, der beispielsweise aus einem piezoelektrischen Druckoder Beschleunigungsgeber bestehen kann, ist zwischen eine geerdete oder an Masse liegende Bezugsleitung 2 und eine Signalleitung 3 geschaltet, die zum Steuereingang (Gate oder Gitterelektrode) eines Feldeffekt Transistors 4 führt. Parallel zum Ausgang des Messgebers 1 sind zwischen die Bezugsleitung 2 und die Signalleitung 3 eine Eingangskapazität 9 und ein Ableitwiderstand 10 eingeschaltet, wodurch das vom piezoelektrischen Messgeber 1 abgegebene Signal als Spannungssignal am Steuereingang des Feldeffekt Transistors 4 erscheint.
Der Feldeffekt-Transistor 4 ist mit einem PNP-Transistor 11 zu einer Schaltungskombination zusammengeschaltet: Die Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 4 ist mit dem Kollektor des Transistors 11 und die Drain-Elektrode des Feldeffekt Transistors 4 mit der Basis des Transistors 11 verbunden, während der Emitter des Transistors 11 über einen Drainwiderstand 12 des Feldeffekt-Transistors 4 an die Verbindung zwischen dessen Drain-Elektrode und der Basis des Transistors 11 angeschlossen ist. Als Feldeffekt-Transistor 4 wird vorteilhaft ein sogenannter Depletion-Typ MOSFET oder ein Junction-Typ FET verwendet.
In den Stromkreis der durch die beiden Transistoren 4 und 11 gebildeten Schaltungskombination ist zwischen der Source-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 4 und der Bezugsleitung 2 ein Widerstand 7 und ein mit ihm in Serie liegender temperaturabhängiger Widerstand 13 eingeschaltet. An die Ausgangsseite der Schaltungskombination schliesst sich an den Verbindungspunkt des Emitters des Transistors 11 und des Drainwiderstandes 12 die mit 5 bezeichnete Messleitung an, die eine beliebige Länge aufweisen kann. Die Messleitung 5 ist durch eine Last abgeschlossen, die aus einem Operationsverstärker 15 oder aus einem Arbeitswiderstand 14 und einer mit ihm in Serie geschalteten Speisespannungsquelle 8 bestehen kann.
Parallel zu dieser Serienschaltung oder wahlweise am Ausgang des Operationslverstärkers 15 ist über Leitungen 16 und 17 ein Auswertegerät 6 geschaltet.
Das durch den Messgeber 1 abgegebene Signal lädt die Eingangskapazität 9 auf und wirkt als Spannungssignal, welches über die Leitungen 2 und 3 dem Eingang des Feldeffekt-Transistors 4 zugeführt wird. Dieses Signal steuert den Stromdurchgang durch die aus den Transistoren 4 und 11 bestehende Schaltungskombination. Der zwischen Emitter und Basis des Transistors 11 liegende Widerstand 12 lässt einen durch ihn und die Emitter-Basis-Spannung bestimmten Kollektorstrom durch den Transistor 11 und dadurch einen bestimmten Drain-Strom durch den Feldeffekt-Transistor 4 fliessen. Der Widerstand 10 leitet den Gate-Leckstrom auf die Bezugsleitung 2 ab.
Der in der Source Leitung eingeschaltete Widerstand 7 bestimmt, zusammen mit der sich durch den bestimmten Drain-Strom an ihm abfallenden Gate-Source-Spannung, den ohne Eingangssignal durch die Transistorschaltungskombination hindurchgehenden Dauerstrom. Durch ein der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Transistors 4 zugeführtes Eingangssignal wird dieser Strom verändert, so dass das der Schaltungskombination zugeführte Spannungssignal als eingeprägtes Stromsignal am Ausgang der Schaltungskombination erscheint.
Die Empfindlichkeit der Schaltungskombination bezogen auf das vom Messgeber 1 gelieferte Signal, d. h. der Einfluss einer Signaländerung auf die Grösse des durch die Schaltungskombination fliessenden Stromes, hängt von der Grösse der Eingangskapazität 9 und der Grösse des Widerstandes 7 ab. Da die Steilheit durch den hohen Stromgegenkopplungsfaktor, bewirkt durch den Widerstand 7, praktisch nur vom Wert dieses Widerstandes abhängt, ist der Innenwiderstand der Schaltungskombination sehr hoch. Die Transistoren 4 und 11 bilden somit zusammen mit dem Widerstand 7 eine durch das Signal des Messgebers 1 gesteuerte Stromquelle mit hohem Innenwiderstand. Das von dieser Stromquelle abgegebene Stromsignal fliesst über die Messleitung 5 zum Arbeitswiderstand 14, an dem das Stromsignal wieder in ein Spannungssignal umgewandelt und über die Leitungen 16 und 17 dem Auswertegerät 6 zugeführt wird.
Die am Arbeitswiderstand 14 auftretende Spannungsänderung wird durch folgende Gleichung bestimmt: -Ue.S.Ri.Ra
AUa =
Ri+Ra wobei Ue die Eingangsspannung am Feldeffekt-Transistor 4, Ri den Innenwiderstand und S die Stromsteilheit in mA/V der durch die Transistoren 4 und 11 gebildeten Stromquelle der Messleitung 5 und Ra die Grösse des Arbeitswiderstandes 14 bedeuten. Da der Widerstand Ri sehr hoch ist, in der Praxis ungefähr tausendmal grösser als der Arbeitswiderstand Ra, gilt die Näherung AUa=-Ue.S.Ra.
Somit kann durch Wahl der Grösse des Arbeitswiderstandes 14 jede beliebige Spannungsverstärkung zwischen 0 und ungefähr 10 mit einer Linearität von einigen Promillen für 80 O/o des Aussteuerbereiches eingestellt werden. Die Stromsteilheit der Schaltung wird durch den Widerstand 7 bestimmt. Mit einer praktisch ausgeführten Schaltung, die bei einer Stromsteilheit von 3 mA/V einen Ausgangswiderstand von 1 Mm im mittleren Aussteuerbereich besass, wurde mittels eines Arbeitswiderstandes Ru=3,33 kr eine Verstärkung von 9,98 (anstatt 9,99) erzielt.
Aufgrund des hohen Innenwiderstandes der durch die Transistoren 4 und 11 gebildeten Stromquelle werden Messfehler durch Störeinflüsse auf die als Messrückleitung für das Stromsignal dienende Bezugsleitung 2 praktisch zur Gänze ausgeschaltet. Eine von der Messleitung 5 aufgenommene Störspannung wird bei einem Innenwiderstand von 1 MQ der Stromquelle ungefähr um den Faktor 3000 unterdrückt, solange sie etwa + 5 V nicht überschreitet. Aus dem gleichen Grund ergeben Leitungswiderstände von einigen 100 Ohm Fehler von weniger als 1 Promill. Am Auswertegerät 6 wird dadurch eine weitgehend unverfälschte Wiedergabe des durch den Messgeber 1 aufgenommenen Signals erzielt.
Wenn als Arbeitswiderstand 14 ein Operationsverstärker 15 mit einem niederohmigen Ausgang verwendet wird, wird der Frequenzgang der Schaltung auch bei höheren Frequenzen durch extreme Kabelkapazitäten nicht beeinflusst.
Der in den Stromkreis noch eingeschaltete temperaturabhängige Widerstand 13 hat die Aufgabe, den Temperaturkoeffizienten des Messgebers 1 und der Eingangskapazität 9 zu kompensieren. Diese Massnahme ist vor allem dann sinnvoll, wenn der Widerstand 13 zusammen mit den Transistoren 4 und 11 und den Widerständen 7 und 12 in das Gehäuse des Messgebers 1 eingebaut ist, was bei geeigneter Wahl der Bauteile ohne weiteres möglich ist. Dabei fällt ferner die hochohmige Signalleitung 3 zwischen dem Messgeber 1 und dem Steuereingang des Feldeffekt Transistors 4 praktisch zur Gänze weg.