DE3413849A1

DE3413849A1 - Kapazitaets-messgeraet

Info

Publication number: DE3413849A1
Application number: DE19843413849
Authority: DE
Inventors: Dietrich 8891 Obergriesbach Lüderitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-02-21
Filing date: 1984-04-12
Publication date: 1985-08-22
Also published as: DE3413849C2

Description

Kapazitäts-Meßgerät
Die Erfindung betrifft ein Kapazitäts-Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechendes Kapazitäts-Meßgerät ist in Fig. 1 dargestellt. Mit dem Bezugszeichen Cx ist die zu messende unbekannte Kapazität bezeichnet, die zwischen Massepotential und einen Anschluß eines Schalters S1 geschaltet ist. Der Schalter S1 ist zwischen zwei Schaltstellungen periodisch umschaltbar und verbindet in derin Fig. 1 gezeigten Stellung die Kapazität Cx mit einem Anschluß des Meßyeräts, an dem eine konstante bekannte Spannung tiref anliegt, so daß sich die Kapazität Cx auf die Spaiinung Uref auflädt. Beim Ullschalten des Schalters S1 in die andere Schaltstellung wird die zu messende Kapazität Cx mit dem Eingang eines Integrators verbunden, der aus einem Operationsverstärker Al und einem diesem parallel geschalteten Kondensator Ci bekannter Größe besteht. In dieser Schaltstellung entlädt sich die zu vor auf die Bezugsspannung ref aufgeladene Kapazität Cx in den Integrator, wobei die in der Kapazität Cx gespeicherte Ladung auf den Kondensator Ci übergeht.
Zur Erhöhung der Genauigkeit und Auflösung wird dieser Meßschritt durch periodisches Umschalten des Schalters S1 n-mal wiederholt, so daß die am Ausgang des Integrators abgegriffene Spannung U den Wert annimmt. Parallel zum Kondensator Cj ist ein Schalter So geschaltet, der zu Beginn jedes aus n Mealschritten bestehenden Meßzyklus kurzzeitig geschlossen wird und eine vollständige Entladung des beispielsweise durch einen vorhergehenden Meßzyklus noch aufgeladenen Kondensators C. sicherstellt.
Bei einer derartigen .Meßmethode tritt allerdings das Problem auf, daß der zu messenden Kapazität Cx in aller Regel Störkapazitäten überlagert sind, die in Fig. 1 zu einer der Kapazität Cx parallel geschalteten Störkapazität Cs zusammengefaßt sind. Ist diese Störkapazität C konstant bzw. mitteln sich eventuell vorhandene Instabilitäten durch die Mittelwertbildung bei der -fachen Integration weitestgehend aus, so können die durch die Steirkapazität C hervorgerufenen teßfehl er durch eine einfache Eichmessung berücksictigt werden.
Die durch die Störkapazität Cs hervorgerufenen Meßfehler lassen sich jedoch dann ninicht mehr kompensieren, wenn die Störkapazität C5 relativ groß und instabil ist.
Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Meßort räumlich weit entfernt vom Schalter S1 liegt, da dann die Störkapazität Cs überwiegend durch die Kabelkapazität bestimmt ist, die bei eventuellen Kabel verbiegungen starken Schwankungen unterliegen kann. Solche Verhältnisse können z. B. vorliegen, wenn kapazitive Bauelemente während ihres Transports mittels eines Greifarms gemessen werden sollen. Insbesondere bei Bauelementen geringer Kapazität sind die Meßfehler in einem solchen Fall derart groß, daß keine zuverlässigen Meßergebnisse erzielbar sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kapazitäts-Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß eine zuverlässige Messung auch geringer Kapazitäten ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Kapazitäts-Meßgerät ist die zu messende Kapazität somit über die Schalteranordnung in Reihe zwischen die Bezugsspannungsquelle und den Integrator geschaltet, so daß die bei Betätigung der Schalteranordnung auftretenden Kapazitäts-Ladeströme durch den Integrator erfaßt werden. Da die Störkapazitäten nunmehr nicht länger parallel zu der zu messenden Kapazität liegen, sind ihre Auswirkungen drastisch verringert, so daß eine zuverlässige Kapazitätsmessung über einen sehr großen Kapazitätsbereich bis hin zu sehr geringen Kapazitäten ermöglicht ist.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
So ist beispielsweise mit den Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 2 und 3 sichergestellt, daß die zwischen den Anschlüssen der zu messenden Kapazität und lassen potential wirksamen Störkapazitäten über die Schalteranordnung zeitweilig kurz~eschlossen, d. h. vollständig entladen werden können.
Mit der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 4 wird eine völlige Neutralisierung der beispielsweise durch Kabelkapazitäten gebildeten Störkapazitäten erreicht.
Die Ausgestaltung des Kapazitäts-Meßgeräts gemäß Patentanspruch 5 stellt zudem sicher, daß nicht nur Störkapazitäten völlig neutralisiert sind, sondern auch gegebenenfalls vorhandene, parallel zur zu messenden Kapazität liegende Widerstände keinerlei Meßverfälschungen hervorrufen. Damit können nicht nur die Auswirkungen eines gegebenenfalls vorhandenen Isolationswiderstands vollständig unterdrückt werden, sondern es ist nunmehr auch eine Kapazitätsmessung bei mit Parallelwiderständen versehenen Schaltungen möglich.
Mit der Ausgestaltung des Kapazitäts-Meßgeräts nach Patentanspruch 6 wird erreicht, daß die Schaltvorgänge sehr rasch und zuverlässig bei sehr geringer Leistungsaufnahme erfolgen können, so daß in äußerst kurzer Zeit eine sehr große Anzahl von Messungen wiederholbar ist, d. h. äußerst rasch zuverlässige Meßergebnisse bereitgestellt sind.
Das erfindunqsgemäße Kapazitäts-Meßgerät ermöglicht bei geeigneter Wahl der Bezugsspannung, des Integrationskondensators und der Anzahl n der Messungen die Messungen von Kapazitäten im Bereich von 0,01 pF bis mehr als 10 pF mit einer Genauigkeit von 2 7> bei einer Meßzeit von weniger als 100 ms, selbst wenn Koaxial-Kabel von mehreren Metern Länge als Meßleitungen verwendet werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von nusführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Meßgeräts und Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Meßgeräts.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Meßgeräts ist die zu messende Kapazität Cx in Reihe zwischen eine die Bezugsspannung U ref bereitstellende, mit dem in Fig. 2 linksseitig dargestellten Eingangsanschlup verundene Bezugsspannungsquelle und den aus dem Operationsverstärker Al und dem zwischen dessen Eingang und Ausgang geschalteten Integrationskondensator Ci gebildeten Integrator geschaltet, an dessen Ausgang die Meßspannung Ua auftritt. Der dem Integrationskondensator Ci parallel geschaltete Schalter SO wird wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Meßgerät zu Beginn jedes Meßzyklus kurzzeitig geschlossen, um eine vollständige anfängliche Entladung des Integrationskondensators C sicherzustellen, und verbleibt nachfolgend für den gesamten Meßzyklus im geöffneten Zustand.
Die zu messende Kapazität Cx ist über einen Schalter S1 in dessen erster Schalterstellung mit der Bezugsspannungsquelle und in dessen zweiter Schalterstellung mit Massepotential sowie über einen Schalter S2.in dessen erster Schalterstellung mit dem Eingang des Integrators und in dessen zweiter Schalterstellung mit Massepotential verbindbar. Die eine Schalteranordnung bildenden Schalter S1 und S2 werden bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel synchron im (;leichtakt umgeschaltet, der- art, da vor Beginn der Messung beide Schalter S1, S2 auf Massepotential geschaltet sind. Damit sind nicht nur die zwischen die beiden Schalter S1, 52 geschaltete zu messende Kapazität Cx sondern in gleicher Weise auch die beispielsweise durch Kabelkapazitäten hervorgerufenen Störkapazitäten C51 und C s2 kurzgeschlossen, die zwischen den beiden Anschlüssen der Kapazität Cx und Masse störend auftreten.
Zu Beginn der Messung werden die beiden Schalter S1 und S2 synchron umgeschaltet, so daß die zu messende Kapazität Cx nunmehr in Reihe mit der Bezugsspannungsquelle und dem Integratoreingang liegt. Dabei wird der in seiner Größe bekannte 1 ntegrationskondensator Ci von dem durch die zu messende Kapazität Cx fließenden Ladestrom aufgeladen. Hierbei wirkt sich die Streu- bzw. Störkapazität C52 nicht störend aus, da sie parallel zum virtuell auf 0 liegenden Operationsverstärkereingang liegt.
Selbst wenn der Operationsverstärker Al nicht ausreichend rasch auf den Ladestromstoß reagieren kann, tritt die Störkapazität C52 nicht störend in Erscheinung, da sie dann zwar vorübergehend aufgeladen wird, ihre Ladung aber nach Einregelung des Operationsverstärkers Al wieder abgebaut wird. Damit wirkt die Störkapazität C s2 allenfalls vorübergehend als Zwischenspeicher, ohne die Messung zu verfälschen.
Der von.der Störkapazität C51 geführte Ladestrom fließt nach Masse ab und beeinflußt die Messung somit ebenfalls nicht.
Somit haben die vorhandene Streu- bzw. Störkapazitäten keinerlei Auswirkungen auf die Messung, so daß eine durch Störkapazitäten hervorgerufene Meßergebnisverfäl- schung zuverlässig vermeidbar, d. h. eine exakte Messung der Kapazität Cx sichergestellt ist.
Wird dieser Umschaltvorgang bei geöffnetem Schalter 50 n-mal wiederholt, so gilt für die Ausgangsspannung a folgende Beziehung: Die Ausgangsspannung a stellt folglich ein zuverlässiges Maß für die zu messende Kapazität Cx dar und kann in äußerst einfacher Weise nachfolgend auf bekannte Weise verarbeitet werden.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel können allerdings trotz sehr guter Störkapazitätsunterdrückung Meßveränderungen dann auftreten, wenn der zu messenden Kapazität Cx ein Widerstand R x parallel geschaltet ist.
Dieser Widerstand kann beispielsweisedurch einen Isolations- oder Leckwiderstand hervorgerufen werden oder aber z. B. bei der Messung von RC-Gliedern dei Parallelwiderstand entsprechen.
Bei Vorhandensein eines derartigen, der zu messenden Kapazität Cx parallel liegenden Widerstands R ergibt sich eine der folgenden Gleichung entsprechende veränderte Ausgangsspannung Ua: Hierbei bezeichnet ta die Ladezeit. Bei bekanntem Widerstand Rx läßt sich der widerstandsabhängige additive Spannungsterm zwar durch eine entsprechende Spannungs-oder Auswertungskompensation kompensieren, jedoch schei- tert dies bei unbekanntem Widerstand R Mit den in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Meßgeräts lassen sich nicht nur die Störkapazitäten, sondern auch die Auswirkungen eines derartagen Widerstands R Rx eliminieren. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in allen Einzelheiten mit der einzigen Ausnahme, daß die Schalter S1 und S2 synchron im Gegentakt, d. h.
gegenphasig angesteuert werden.
Die beiden Schalter S1 und S2 befinden sich vor Beginn des Meßzyklus in der in Fig. 3 gezeigten Stellung.
Zu Beginn der Messung werden die Schalter S1, S2 synchron umgeschaltet, so daß der in Fig. 3 links gezeigte Anschluß der Kapazität Cx mit der Bezugsspannung gespeist wird, während der andere Kapazitätsanschluß auf Masse liegt. Während dieser anfänglichen Ladephase liegen somit die zu messende Kapazität Cx der Widerstand Rx und die Störkapazität Csl. parallel zur Bezugsspannungsquelle, während die Störkapazität Cs2 kurz geschlossen ist. Dabei ist der durch den Widerstand R fließende Strom nicht störend, sondern stellt lediglich eine geringfügige Last für die Bezugsspannungsquelle dar. Während der durch anschließendes Umschalten der Schalter S1, S2 eingeleiteten Entladephase liegen die Kapazität Cx.der Widerstand R x und die Störkapazität C52 dann parallel zu dem virtuell auf Null liegenden Eingang des Operationsverstärkers Al während nunmehr die Störkapazität C51 kurz geschlossen ist. Der Widerstand R bewirkt hierbei keinerlei Meßverfälschungen, unter der in aller Regel erfüllten Vorraussetzung, daß der Widerstand R sehr viel größer ist als der virtuelle Operationsverstärkereingangswiderstand Virtuell Hierbei sind die Bezugsspannung Uref und die Ausgangsspannung Ua phasengleich. Werden die Schalter S1 und S2 n-mal bet"tigt, gilt Vorteilhafterweise sind die Schalter S1, 52 und S0 bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen durch MOS-Schalter, insbesondere durch MOS-Feldeffekttransistoren gebildet. Diese Schalter können in besonderer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft durch einen Mikroprozessor gesteuert werden, der auch die Auswertung übernimmt. Die bei n-facher Wiederholung der Messung erforderliche Integration kann auch durch andere geeignete Bauteile erfolgen.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel des Kapazitätstteßgeräts eignet sich insbesondere auch zur Messung von Chip-Schaltungen mit eingehautem Parallel-Widerstand, da derartige Parallel-Widerstände keinerlei störende Auswirkungen auf das Meßergebnis zeigen. Die Schalterbetätigung erfolgt vorzugsweise n-mal , so daß der periodische Ladestromstoß der zu messenden Kapazität Cx delll Eingang des tntegrators bzw. Integrator-Verstärkers n-fach zugeführt wird.
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Claims

Patentansprüche 1. Kapazitäts-Meßgerät, bei dem die zu messende Kapazität einmal oder vorzugsweise n-mal über eine Schalteranordnung mit einer vorzugsweise einen Integrator aufweisenden Auswerteschaltung und einer Bezugsspannungsquelle verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Kapazität (Cx) über die Schalteranordnung (S1, S2) in Reihe zwischen die Bezugsspannungsquelle und die Auswerteschaltung (Al, Cj) geschaltet ist.
2. Kapazitäts-Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteranordnung (S1, S2) zwei Schalter aufweist, zwischen die die zu messende Kapazität (Cx) geschaltet ist.
3. Kapazitäts-Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende Kapazität (Cx) über einen ersten der beiden Schalter in dessen erster Schalterstellung mit der Bezugsspannungsquelle und in dessen zweiter Schalterstellung mit Massepotential sowie über den zweiten Schalter (S2) in dessen erster Schalterstellung mit der Auswerteschaltung (Al, Cj), insbesondere Illit dem Integrator, und in dessen zweiter Schalterstellung mit Massepotential verbindbar ist.
4. Kapazitäts-Meßgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalter synchron im Gleichtakt betrieben werden und die zu messende Kapazität (Cx) periodisch kurz schließen.
5. Kapazitäts-Meßgerät nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalter synchron im Gegentakt betrieben werden.
6. Kapazitäts-Meßgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalter durch MOS-Schalter, insbesondere durch MOS-FETs gebildet.

sind.
7. Kapazitäts-Meßgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch einen Mikroprozessor zur Steuerung der n-fachen Betätigung der Schalter und zur Auswertung der Meßergebnisse.