DE2844121A1

DE2844121A1 - Verfahren zur messung von kleinen kapazitanzen

Info

Publication number: DE2844121A1
Application number: DE19782844121
Authority: DE
Inventors: Jorma Ponkala
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1977-10-14
Filing date: 1978-10-10
Publication date: 1979-04-19
Also published as: JPS5498696A; GB2006442A; FI773063A; IT1100121B; GB2006442B; FR2410280B1; AU523345B2; FI57319C; FR2410280A1; DE2844121C2; AU4067578A; CA1128129A; JPS62201074U; ZA785694B; JPH056544Y2; BR7806786A; IT7828692A0; FI57319B

Description

DH. BERG OiP L.-ING. STAPF DIPL -IMG. ίν-.ΟΚ^'ί ;>E ':ΐ.^ΓΉ. SAWOf/.AiR

i'ftl .. {1 ΓΛΝ-.vi.f. \-^:
8 MÜNCHEN 80 · M AU ERK1RCHERSTR. 45

-3- 28U121

Anwaltsakte: 29 5^7 10. Oktoter 1978

Vaisala Oy
Helsinki/Finnland

Verfahren zur Messung von kleinen Kapazitanzen

909816/0887

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von kleinen Kapazitanzen in der Art, daß sich der Einfluß von Streukapazitanzen eliminieren läßt, wobei im Verfahren ein RC-Oszillatorkreis verwendet wird, dessen Ausgangsfrequenz zweckmäßig in umgekehrtem Verhältnis abhängig von einer zu messenden Kapazitanz ist.

Bei der Messung von kleinen Kapazitanzen sind insbesondere deshalb Schwierigkeiten aufgetreten, weil das Meßergebnis bei Verwendung bisher bekannter Verfahren durch Meßkabelkapazitanzen und Streukapazitanzen beeinträchtigt wird, die von ihrer Größenordnung her genauso groß sein können wie die zu messenden kleinen Kapazitanzen.

Die vorliegende Erfindung soll ein Verfahren schaffen, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden und kleine Kapazitanzen in der Art gemessen werden können, daß der Einfluß der Streukapazitanzen eliminiert werden kann. Es soll auch ein Verfahren geschaffen werden, bei dem kleine Schwankungen der Einspeisungsspannung keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit haben.

Außerdem soll die Erfindung ein Verfahren schaffen, das für Telemeteranwendung z. B. in Radiosonden geeignet ist. Sie soll weiterhin ein Verfahren schaffen, das mit einfachen und preiswerten Vorrichtungsausführungen zu verwirklichen ist.

Zur Erreichung der genannten und später erklärten Ziele ist für die Erfindung im wesentlichen charakteristisch, daß in dem Verfahren eine zu messende Kapazitanz zwischen einem Generator kleiner Impedanz und einem nur Strom messenden Kreis, z. B. zwischen den Eingang und den Ausgang eines

909816/0887

28U121 invertierenden Verstärkers geschaltet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für
Telemeteranwendung bestimmt, wo mehrere zu messende Kapazitanzen sind, die der Reihe nach mit einem elektronischen Umschalter an einen Meßkreis geschaltet werden. Erfindungsgemäß wird dabei als elektronischer Umschalter zweckmäßig eine CMOS-Differ entialver Stärkergruppe oder dergleichen verwendet, von deren einzelnen Verstärkerausgängen jeder an eine zu
messende Kapazitanz und die Eingänge an einen Schrittkreis
angeschlossen sind, wobei das zu messende Signal von der
Spannungseinspeisung der CMOS-Gruppe oder dergleichen zum
Ausgang des Meßkreises geleitet wird.

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf das in den Figuren der beigefügten Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel ausführlich .beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Kreisausführung, die das erfindungsgemäße Verfahren anwendet.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der eine zu messende Kapazitanz mit H±lfe zweier Koaxialkabel vom Meßkreis ent— fernt angeschlossen ist.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der mehrere zu messende Kapazitanzen der Reihe nach mit einem besonderen erfin-

dungsgemäßen Umschalter an den Meßkreis

geschaltet sind.

Fig. 4 zeigt im Detail den prinzipiellen Aufbau der in Fig. 3 dargestellten CMOS-DifferentialverStärkergruppe.

9 0 9816/0887

-S-

Nach Fig. 1, 2 und 3 gehört zu dem das erfindungsgemäße Verfahren anwendenden Meßkreis 10 zwischen den Punkten A und B ein invertierender Verstärker 1. Der invertierende Verstärker ist über einen Widerstand R an den Eingang C eines bistabilen Oszillationskreis 4 geschaltet. Der bistabile Oszillationskreis 4 wird den Figuren entsprechend aus zwei invertierenden Verstärkern 2 und 3 gebildet und sein Ausgang D ist mit einem Widerstand R₃ an seinen Eingang rückgekoppelt. Betreffender bistabiler Kreis 4 ist z. B. ein Schmitt-Trigger, für dessen Funktion bekanntlich zwei Spannungsebenen und die Hysterese zwischen diesen charakteristisch sind.

Die zu messende Kapazitanz C„ ist zwischen Ausgang A und Eingang B an den invertierenden Verstärker 1 geschaltet. Am Ausgang D des bistabilen Kreises 4 wird eine Frequenz f" = 1/T erhalten, die ein Maß für die zu messende Kapaz;itanz C_M ist, zweckmäßig in der Art, daß sieh die Ausgangsfreqtienz f des betreffenden RC-Oszillatorkreises umgekehrt zur zu messenden Kapazitanz C„ verhält. Eine wesentliche Eigenschaft der das erfindungsgemäße Verfahren anwendenden Kreisausführung ist, daß der Ausgang D des bistabilen Kreises 4 widerstandsmäßig über einen Widerstand R₂ mit dem Ausgang A des invertierenden Verstärkers 1 rückgekoppelt ist. Wichtig ist auch, daß der Ausgang A des invertierenden Verstärkers 1 ausreichend klar von seinem Ausgang B getrennt ist (kleine Kapazitanz). Weiterhin wichtig ist eine ausreichend große resistive Eingangsimpedanz im Punkt A.

Die Funktion der vorher beschriebenen Schaltung ist folgende. Es wird angenommen, daß der Punkt D anfangs auf der positiven Seite der Einspexsungsspannung liegt. Damit ist der Strom des Widerstandes R_ bestrebt, die Spannung im Punkt A zu steigern. Da der Verstärker 1 invertiert, wirkt das Steigerungsbestreben der Spannung des Punktes A auf die

80S816/0887

—*7 —

28U121 Spannung im Punkt B absenkend und über die zu messende Kapazitanz C auch absenkend auf die Spannung im Punkt A. Endergebnis ist, daß sich die Spannung im Punkt A im Idealfall überhaupt nicht ändert. Damit wird die zu messende Kapazitanz CL. mit konstantem Strom aufgeladen, dessen Größe von der Resistanz R„ und der Spannung zwischen den Punkten D und A bestimmt wird. Wenn die Spannung im Punkt B auf ein niedrigeres Auslösungsniveau des bistabilen Kreises, in den Figuren Schmitt-Trigger 4, gesunken ist, wechselt damit der bistabi-Ie Kreis seinen Zustand und die Spannung des Punktes D fällt plötzlich auf die negative Seite der Einspeisungsspannung, womit die Arbeit des Kreises auf die vorher beschriebene Weise fortgesetzt wird, jedoch in der Art, daß die Ströme gegenüber dem vorher beschriebenen entgegengesetzte Richtung 5 haben.

Wichtig ist in dem vorher beschriebenen zu erkennen, daß sich die Spannung im Punkt A während der Arbeitsperiode in keiner Phase verändert hat. Hieraus ist eine wichtige Folge, daß sich die vom Punkt A an Masse schaltende, in beigefügter Fig. 3 durch die gestrichelte Linie dargestellte Streukapazitanz C₁₁₁ gerade deshalb die Ausgangsfrequenz f nicht beeinflußt, weil sich die Spannung im Punkt A nicht

ändert und die Streukapazitanz C_^ nicht ge- und nicht entöl

laden wird. Ebenso verhält es sich, wenn an den Punkt B eine Streukapazitanz geschaltet wird, auch dann ändert sich die Ausgangsfrequenz f nicht, da der invertierende Verstärker 1 im Idealfall in der Lage ist, einen ausreichend großen Strom so abzugeben oder aufzunehmen, daß er neben seiner anderen Funktion die betreffende Streukapazitanz C„_o auf- oder entladen kann.

Das im vorstehenden Beschriebene beruht darauf, daß die zu messende Kapazitanz C nach Fig. 2 z. B. mit Hilfe zweier Koaxialkabel 5a und 5b relativ weit entfernt vom

909816/0887

eigentlichen Meßkreis angeordnet werden kann. Dies ist in der Praxis ein sehr großer Vorteil, denn z. B. in Radiosonden zu messende Kapazitanzen sind voneinander getrennt angeordnet und bei Anwendung der Erfindung können die einzelnen Kapazitanzen z. B. mit Koaxialkabeln an den betreffenden Meßkreis angeschlossen werden, ohne daß die Meßgenauigkeit beeinträchtigt wird. Bei den bisher bekannten Verfahren zur Messung kleiner Kapazitanzen war eine derartige Anordnung völlig unmöglich.

Ein Vorteil der Erfindung ist auch der, daß bei ihrer Anwendung mit einem Umschalter, der ein mechanischer oder elektronischer Schalter ist, die zu messende Kapazitanz gegen andere Kapazitanzen, die z. B. Referenzen sein können, ausgetauscht werden kann, ohne daß auch die Streukapazitanzen des Umschalters die Meßergebnisse beeinflussen.

In Fig. 3 und 4 ist ein günstiger elektronischer Umschalter für den betreffenden Einsatz dargestellt. Nach Fig.

3 hat der Umschalter eine Differentialverstärkergruppe, die sechs Verstärkereinheiten 7_τ·.'.7_ντ hat. In dem erfindungsgemäßen elektronischen Umschalter ist charakteristisch und neu, daß die Verstärker "falschherum" geschaltet sind in der Art, daß die Ausgänge b* bis b_ der Verstärker 7 bis 7_V_ an die zu messenden Kapazitanzen C_M1 bis C_Mfi und die Eingänge a₁ bis a_fi an einen ansich bekannten Schrittkreis 8 angeschlossen sind, der über einen mit dem Pfeil 9 gekennzeichneten Einflußweg abwechselnd an jeden der Eingangspole a.. bis a_g der Verstärkergruppe 6 einen Impuls P₁ gibt.

Aus Fig. 4 geht genauer ein Beispiel für den Aufbau eines CMOS-Differentialverstärkers in seiner einfachsten Form hervor, danach setzt sich dieser aus zwei Transistoren T und T zusammen, von denen T_p ein P-channel-MOS-Transistor und T„ - N-channel-MOS-Transistor ist. Der Widerstand hat im N

909816/0887

leitfähigen Transistor T , T eine Größenordnung von 500_Ω_ und ist im nicht leitfähigen Transistor T , T einige Dekaden größer. Nach Fig. 3 befinden sich sechs der vorher beschriebenen Verstärker in einer Gruppe 7 und alle VDD's dieser Verstärker sind zusammengeschaltet ebenso wie alle VSS untereinander.

Das wesentliche des vorher beschriebenen erfxndungsgemäßen Umschalters ist erstens, wie vorher festgestellt, daß die Verstärker 7 "falschherum" geschaltet sind und daß das zu messende Signal von der Spannungseinspeisung der CMÖS-Gruppe 6, z. B. von deren VDD, zum vorher beschriebenen Meßkreis geleitet wird. Nach Fig. 3 geschieht dies so, daß der Widerstand R. die Betriebsspannung +U zum Umschalter bringt und genannte Spannung durch die Kapazitanz C₁ von dem erfxndungsgemäßen RCr-Oszillatorkreis getrennt ist. Der Widerstand R. hat zweckmäßig eine Größenordnung von 150Xl.und die Kapazitanz C. eine Größenordnung von 10 nF. Genannte Kapazitanz C₁ muß naturgemäß ausreichend groß sein, damit ihr Anteil an der zu messenden Frequenz f verschwindend klein ist. Die vorher genannte Größe von 1OnF ist geeignet, wenn die Größenordnung der zu messenden Kapazitanzen C„ von einigen pF bis zu mehreren zehn pF beträgt. Für die Funktion des vorher beschriebenen elektronischen Umschalters ist charakteristisch·, daß die übrigen Kapazitanzen an Masse geschaltet werden, wenn jede der Kapazitanzen C_M1 bis Cg nach Art der Fig. 3 der Reihe nach an den Meßkreis geschaltet wird.

909816/0887

Claims

Patentansprüche

ί 1 ./Verfahren zur Messung von kleinen Kapazitanzen in der Art, daß sich der Einfluß von Streukapazitanzen eliminieren läßt, wobei im Verfahren ein RC-Oszillatorkreis verwendet wird, dessen Ausgangsfrequenz zweckmäßig in umgekehrtem Verhältnis abhängig von einer zu messenden Kapazitanz ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Verfahren eine zu messende Kapazitanz (C„) zwischen einen Generator kleiner Impedanz und einen nur Strom messenden Kreis, z. B. zwischen den Eingang (A) und den Ausgang (B) eines invertierenden Verstärkers (1) geschaltet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang eines invertierenden Verstärkers (1) an den Eingang (C) eines bistabilen Oszillatorkreises (4) geschaltet wird und daß der Ausgang (D) des bistabilen Oszillatorkreises (4), von dem die als Maß für die zu messende Kapazitanz (C..) dienende Frequenz (f) erhalten wird, widerstandsmäßig (R_) mit dem Eingang (A) des genannten invertierenden Verstärkers (1) rückgekoppelt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als bistabiler Oszillatorkreis ein Schmitt-Trigger (2,3, R₃) verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem sich die zu messende Kapazitanz vom Meßkreis (1, R-, 4, R₂) entfernt befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Kapazitanz (C ) zwischen den Eingang (A) und den Ausgang (B) eines invertierenden Verstärkers (T) mittels zweier Koaxialkabel (5a, 5b) angeschlossen ist, deren anderer Pol an Masse geschaltet ist.
5» Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, insbesondere für

909816/0887

Telemeteranwendung in Sonden_f mit mehreren zu messenden Ka-

pazitanzen (C_M- , C_M~ CL·), die der Reihe nach mit einem

elektronischen Umschalter (6, 8) an einen Meßkreis (1, R₁, 4, R-) geschaltet werden, dadurch gekennzeichnet, daß als elektronischer Umschalter eine CMOS-Differentialverstärkergruppe oder dergleichen (6_r 7-..,.7-J.) verwendet wird, von

deren Ausgängen Cb₁ b ) der Verstärker (7.....7 ) jeder an

eine zu messende Impedanz (C ... ..C-. ) und die Eingänge (a.j...a^ an einen Schrittkreis (&) angeschlossen sind und daß das zu messende Signal (C^₁..„C^J von der Spannungseinspeisung (VDD; VSS) der CMOS-Gruppe (6) oder dergleichen zum Ausgang des Meßkreises geleitet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Pole der zu messenden Kapazitanzen (C,,.... —C_M~) gemeinsam an den einen Eingang (B) des Meßkreises und die anderen Pole der Reihe nach mit dem in Anspruch 5 definierten elektronischen Umschalter (6, 7, 8) an den anderen Eingang (A) des Meßkreises geschaltet werden. 20
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Spannungseinspeisung (VSS) einer CMOS-Gruppe (6) oder dergleichen an Masse geschaltet ist und die andere Spannungseinspeisung (VDD) über eine um mehrere Dekaden als die zu messenden Kapazitanzen (C,.) größere Kapazitanz (C-) an den Eingang (A) eines Meßkreises geschaltet ist und daß letztgenannte Spannungseinspeisung (VDD) über einen großen Widerstand (R₄) mit einer zweckmäßigen Größenordnung von 100 k -&- an eine Einspeisespannung (+U) angeschlossen ist.

0 9 8 16/0887