DE3619558A1

DE3619558A1 - Verfahren und vorrichtung zur kapazitaetsmessung

Info

Publication number: DE3619558A1
Application number: DE19863619558
Authority: DE
Inventors: Tzafrir Seattle Wash. Sheffer
Original assignee: John Fluke Manufacturing Co Inc
Current assignee: Fluke Corp
Priority date: 1985-06-11
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1986-12-11
Also published as: CN1008133B; US4716361A; FR2583169A1; FR2583169B1; CN86101617A; GB2176617A; GB2176617B; JPS61288168A; GB8609770D0

Description

TER MEER ■ MÜLLER · STEINMEISTER

BESCHREIBUNG

Verfahren und Vorrichtung zur Kapazitätsmessung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kapazitätsmessung gemäß den Oberbegriffen der nebengeordneten Patentansprüche.

Mit Hilfe eines Impedanzmeßgerätes läßt sich üblicherweise die Impedanz einer zu testenden Vorrichtung messen, wenn die zu testende Vorrichtung ausgeschaltet ist. In diesem Fall liefert das Meßgerät die zur Messung nötigen Spannungen. Hinsichtlich der erforderlichen Spannungen und Spannungsbegrenzungen können jedoch die verschiedenartigsten Anforderungen auftreten. Enthält eine zu testende Schaltung beispielsweise pn-Übergänge, so muß jede angelegte Spannung so klein sein, daß Beschädigungen oder Durchschaltungen der pn-Übergänge vermieden werden. Da der Wert der Anregungsspannung variabel sein muß, und da es ferner erwünscht ist, einen Wechsel der Meßbereiche zu vermeiden, ist es vorteilhaft, bei der Impedanzmessung eine Verhältniswertbildung durchzuführen, also eine ratiometxische Impedanzmessung vorzunehmen, vorzugsweise in Einheiten einer Standardimpedanz als in Einheiten der angelegten Spannung.

Meßgeräte zur Impedanzmessung durch Verhältniswertbildung weisen üblicherweise einen komplizierten Aufbau und teuere Schaltungseinrichtungen auf, um lesbare digitale Ausgangssignale zu erzeugen. Weiterhin läßt sich eine konventionelle Brückenschaltung oder eine entsprechende analoge elektronische Schaltung zur Impedanzmessung verwenden, wobei die gemessene Impedanz in Einheiten einer zweiten oder Standardimpedanz ausgedrückt wird. Ebenfalls sind Computerschaltungen verfügbar, mit deren Hilfe der Spannungsabfall über einer unbekannten Impedanz und einer Standardimpedanz gemessen werden kann, und die in der Lage sind, die beiden gemessenen Spannungsabfälle zu-

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einander ins Verhältnis zu setzen. Im zuletzt genannten Fall richtet sich die Meßgeschwindigkeit nach der Geschwindigkeit und Komplexität des Computers.

Aufgrund der gewünschten Vermeidung der Umschaltung zwischen verschiedenen Meßbereichen wurden bereits Verfahren entwickelt, um die Meßskala zu komprimieren. So wurden in der Vergangenheit bereits logarithmische Verstärker verwendet, die jedoch Instabilitäten aufweisen, relativ ungenau und teuer sind sowie viel Platz auf einer gedruckten Schaltungskarte beanspruchen.

Mit zunehmender Dichte der Schaltungskarten kam ebenfalls der Wunsch nach Testgeräten auf, mit deren Hilfe sich Impedanzen, insbesondere kleine Kapazitäten, zwischen einer großen Anzahl von Punkten auf jeder Schaltungskarte sehr schnell messen lassen, ohne daß darunter die Meßgenauigkeit leidet. Um die Meßgeschwindigkeit zu erhöhen und den Umfang bei Testgeräten zur Impedanzmessung zwischen einer Vielzahl von Punkten zu verringern, wurden keine mechanischen Schalter verwendet, um die einzelnen Testpunkte der zu testenden Schaltung mit dem Impedanzmeßgerät zu verbinden, sondern dicht angeordnete und mit hoher Geschwindigkeit arbeitende integrierte Festkörperschalter. Diese Festkörperschalter weisen jedoch einen vergleichweise hohen Widerstand auf, verursachen Leckströme und besitzen eine Kapazität, die das Meßergebnis stark verfälschen kann. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich bei der Messung sehr kleiner Kapazitäten (kleiner als 0,01 Mikrofarad) aufgrund von Streukapazitäten im Verbindungsschaltnetzwerk, und zu einem gewissen Teil auch aufgrund der Kapazitäten von langen Kabeln, über die Teststationen des Impedanzmeßgerätes gesteuert werden.

Δ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, um Impedanzen, insbesondere kleine Kapazitäten, zwischen einer Vielzahl von Punkten

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auf einer Schaltungskarte mit hoher Geschwindigkeit messen zu können, ohne daß das Meßergebnis durch innere Kapazitäten der Meßvorrichtung beeinflußt wird.

Verfahrensseitige Lösungen der gestellten Aufgabe sind in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1, 4 und 8 angegeben, während vorrichtungsseitige Lösung der gestellten Aufgabe in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 5 und 7 angegeben sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweils nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.

Ein Verfahren nach der Erfindung zur Bestimmung des Wertes einer unbekannten Kapazität, die zwischen einer ersten und einer zweiten Anschlußklemme eines Schaltnetzwerkes liegt, bei dem die Anschlußklemmen durch die Schalteinrichtung jeweils mit einer ersten und einer zweiten Anschlußklemme einer Meßeinrichtung verbindbar sind, durch die die Messung einer mit ihr verbundenen unbekannten Impedanz durch Vergleich des Spannungsabfalls über der unbekannten Impedanz mit dem Spannungsabfall über einer bekannten Referenzimpedanz zwecks Bildung eines Verhältniswertes durchführbar ist, und bei dem die bekannte Referenzimpedanz zwischen der zweiten Anschlußklemme der Meßeinrichtung und einem Punkt mit einem gemeinsamen Referenzpotential, eine erste innere Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes sowie eine zweite innere Kapazität zwischen der zweiten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes und dem Punkt mit dem gemeinsamen Referenzpotential liegen, zeichnet sich durch folgende Schritte aus:

a) Messung des Wertes der zweiten inneren Kapazität (Ca) bei Trennung der ersten Anschlußklemme des Schaltnetzwerken von der ersten Anschlußklemme der Meßeinrichtung, Kopplung einer Hilfsreferenzkapazität Cra zwischen die Anschlußklemmen der Meßeinrichtung, Anlegen

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einer Spannung an die erste Anschlußklemme der Meßeinrichtung und Vergleich der Spannung an der zweiten Anschlußklemme mit der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme der Meßeinrichutng zur Bestimmung des Wertes der zweiten inneren Kapazität Ca durch entsprechende Verhältniswertbildung,

b) Messung des Wertes der ersten inneren Kapazität Cf durch Anlegen einer Spannung an die erste Anschlußklemme der Meßeinrichtung, die mit der ersten Anschlußklemme des

-^q Schaltnetzwerkes verbunden ist, und Vergleich der Spannung an der zweiten Anschlußklemme mit der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme der Meßeinrichtung zur Bestimmung des Wertes der ersten inneren Kapazität Cf durch entsprechende Verhältniswertbildung,

^5 sowie

c) Messung des Wertes der unbekannten Kapazität Cx durch Verbindung der unbekannten Kapazität Cx mit der ersten und der zweiten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes, Anlegen einer Spannung an die erste Anschlußklemme der

2Q Meßeinrichtung, wobei die zuletzt genannte Anschlußklemme mit der ersten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes verbunden ist, Vergleich der Spannung an der zweiten Anschlußklemme mit der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme der Meßeinrichtung zur Bestimmung des Wertes der Kombination aus unbekannter Kapazität Cx und erster innerer Kapazität Cf durch entsprechende Verhältniswertbildung, und Subtraktion des Wertes der ersten inneren Kapazität Cf von dem Kombinationswert.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die im Schritt a) bestimmte zweite innere Kapazität Ca im Schritt b) als Referenzimpedanz zur Verhältniswertbildung herangezogen. Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung kann die im 5 Schritt a) bestimmte zweite innere Kapazität Ca auch im Schritt c) als Referenzimpedanz zur Verhältniswertbildung herangezogen werden.

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Eine Vorrichtung nach der Erfindung zur Bestimmung des Wertes einer unbekannten Kapazität, die über ein Schaltnetzwerk zwischen eine erste und eine zweite Anschlußklemme schaltbar ist, bei der eine erste innere Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes sowie eine zweite innere Kapazität zwischen der zweiton Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes und einem Punkt mit einem gemeinsamen Referenzpotential liegen, zeichnet sich aus durch:
~ eine Einrichtung, mit der die unbekannte Kapazität Cx wahlweise mit der ersten und zweiten Anschlußklemme verbindbar ist,

- eine Einrichtung zur Erzeugung einer Referenzspannung Vr,

- eine Einrichtung zur Messung einer zweiten Spannung Vx an der zweiten Anschlußklemme,

- eine Referenzkapazität Cra,

- eine Einrichtung zum wahlweisen Anlegen der Referenzspannung Vr an die zweite Anschlußklemme über die Referenzkapazität Cra, so daß die Messung der zweiten Spannung Vx an der zweiten Anschlußklemme in Übereinstimmung mit der relativen Größe der Referenzkapazität Cra und die Messung der zweiten inneren Kapazität Ca möglich sind, wenn die unbekannte Kapazität Cx nicht mit den Anschlußklemmen verbunden ist, und durch

- eine Einrichtung zum wahlweisen Anlegen der Referenzspannung Vr an die ersten Anschlußklemme, so daß eine Messung der zweiten Spannung an der zweiten Anschlußklemme in Übereinsitmmung mit der relativen Größe der ersten und zweiten inneren Kapazitäten Cf, Ca möglich ist, wenn die unbekannte Kapazität nicht mit den Anschlußklemmen verbunden ist, sowie in Übereinstimmung mit der unbekannten Kapazität und den ersten und zweiten inneren Kapazitäten möglich ist, wenn die unbekannte Kapazität mit beiden Anschlußklemmen verbunden ist.

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Vorzugsweise enthält die Einrichtung zur Messung der zweiten Spannung folgende Elemente:

- eine programmierbare Dämpfungseinrichtung, die die Referenzspannung empfängt und dämpft bzw. verringert, und die eine Mehrzahl von die Dämpfung bestimmenden Eingängen mit einer vorbestimmten digitalen Rangordnung aufweist,

- ein schrittweise arbeitenden Näherungsregister (Näherungsspeicher) zur aufeinanderfolgenden Lieferung von Ausgangs- Signalen an einer Mehrzahl von Digitalausgängen, die jeweils mit den die Dämpfung bestimmtenden Eingängen der programmierbaren Dämpfungseinrichtung verbunden sind, und

- eine Einrichtung zum Vergleichen des Ausgangssignals der programmierbaren Dämpfungseinrichtung mit der zweiten Spannung Vx zur Erzeugung eines Umwandlungsbestimmungssignals, das der schrittweise arbeitenden Näherungsregister (Näherungsspeicher) zuführbar ist, um die gedämpfte bzw. verkleinerte Referenzspannung in eine feste Beziehung zur zweiten Spannung Vx zu bringen, derart, daß das letzte digitale Ausgangssignal des schrittweise arbeitenden Näherungsregisters die Größe der zweiten Spannung im Bezug zur Größe der Referenzspannung angibt.

In Übereinstircmung mit der Erfindung wird also eine Anregungsspannung, deren Größe unter Berücksichtigung der Eigenschaften des zu testenden Gerätes eingestellt werden kann, an eine Serienschaltung aus einer unbekannten Impedanz und einer Standardimpedanz gelegt. Dieselbe Eingangs- bzw. Anregungsspannung wird ebenfalls einem 3Q programmierbaren Spannungsteiler bzw. multiplizierenden D/A-Wandler zugeführt, durch den die Anregungsspannung geschwächt bzw. verkleinert wird, und zwar in Übereinstimmung mit einem Digitalwert, der durch schrittweise Annäherung erhalten wird. Die gedämpfte bzw. verkleinerte Spannung wird mit einem Spannungsabfall über der Standardimpedanz verglichen. In Abhängigkeit dieses Vergleichs-

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ergebnisses wird schließlich ein Digitalwert bestimmt, der den Meßwert der unbekannten Impedanz darstellt und zwar im Verhältnis zur Standardimpedanz.

Der schrittweise und durch Annäherung erzeugte Digitalwert wird durch einen Speicher bzw. ein Register erhalten, in dem durch binäre Ziffern aufeinanderfolgend der Grad der Dämpfung bzw. Verkleinerung der voreingestellten Spannung bestimmt wird, bevor sie mit der Spannung über der unbekannten Impedanz verglichen wird. Beispielsweise werden binäre Ziffern aufeinanderfolgend erzeugt, und zwar beginnend mit der Ziffer höchster Rangordnung. Durch jede weitere Ziffer mit niedrigerer Rangordnung wird die zuvor erwähnte Anregungsspannung gedämpft bzw. verkleinert, und zwar im umgekehrten Verhältnis zum Wert der Binärziffer. Es werden aufeinanderfolgende Vergleiche durchgeführt, so daß letztlich eine aufsummierte Binärziffer erhalten wird, die den Wert der unbekannten Impedanz in Einheiten der Standardimpedanz angibt, also den ratiometrischen Wert beider Impedanzen. Der Prozeß ist sehr schnell und erfordert lediglich eine Anzahl von Taktzyklen, die gleich der Anzahl der ausgegebenen Ziffern durch das schrittweise arbeitende Näherungsregister ist (Auflösung). Die zur Durchführung des Prozesses erforderlichen Komponenten sind relativ billig und unkompliziert aufgebaut, im Vergleich zu bekannten Meßeinrichtungen. Ebenfalls läßt sich eine Skalenkompression durchführen, und zwar mit hoher Genauigkeit, ohne daß logarithmische Verstärker und dergleichen verwendet werden müssen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zu messende unbekannte Kapazitäten über einen Leitungsbus und eine Multiplexschaltung ausgewählt. Es können also verschiedene Punkte an einer entfernten und zu testenden Einrichtung über den Leitungsbus und die Multiplexschaltung angesteuert werden, so daß in schneller Aufeinanderfolge verschiedene unbekannte Kapazitäten zwischen unterschied-

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liehen Punkten auf ratiometrischem Wege gemessen werden können. Es sind darüber hinaus Einrichtungen vorhanden, um eine innere Kapazität des Leitungsbusses und der Multiplexerschaltung ebenfalls auf ratiometrischem Wege messen zu können,die in Reihe mit der unbekannten Kapazität liegt. Die gemessene innere Kapazität läßt sich dann als Stancardimpedanz bei nachfolgenden ratiometrischen Messungen sehr kleiner unbekannter Kapazitäten verwenden. Außerdem können innere Kapazitäten des Leitungsbusses und der Multiplexerschaltung auf ratiometrrschem Wege gemessen werden, die parallel zur unbekannten Kapazität liegen. Der ratiometische bzw. durch Verhältniswertbildung erhaltene Meßwert der sehr kleinen Kapazität wird dann mit Hilfe der parallelen inneren Kapazität korrigiert, um den Einfluß der inneren parallelen Kapazität auf das Meßergebnis auszuschalten.

Nach der Erfindung lassen sich somit auch sehr kleine Kapazität genau messen, und zwar mit Hilfe eines kleinstmöglichen Wertes für die Standardkapazität. Die Messung erfolgt auf ratiometrischem Wege, also durch Quotientenbildung bzw. Verhältniswertbildung zwischen der unbekannten und der Standardkapazität. Innere Kapazitäten des Meßgerätes selbst können ebenfalls durch das Meßgerät gemessen werden, um auf diese Weise den Einfluß der inneren Kapazitäten auf das Meßergebnis zu eliminieren.

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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele der Erfindung dar. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockdiagramm einer Impedanzmeßvorrichtung nach der Erfindung,

Figur 2 ein detaillierteres Blockdiagramm der Impedanzmeßvorrichtung nach Figur 1,

Figur 3 die Abhängigkeit eines in Prozenten angegebenen Meßfehlers als Funktion der gemessenen Impedanz, IQ Figur 4 ein Blockdiagramm der Impedanzmeßvorrichtung nach

Figur 1, die über einem Bus mit einem Multiplexnetzwerk verbunden ist, um in schneller Aufeinanderfolge Impedanzen zwischen ausgewählten Punkten einer zu testenden Einrichtung messen zu können, und Figur 5 ein Schaltdiagramm zur Veränderung der Impedanz von Bus und Schaltnetzwert nach Figur 4.

Im Nachfolgenden wird anhand der Zeichnung und zunächst unter Zuhilfenahme der Figur 1 ein Blockdiagramm der Kapazitätsmeßvorrichtung nach der Erfindung näher beschrieben, die auch als Quotienten-Meßsystem RCMS (Ratiometric Component Measurement System) bezeichnet werden kann. An einem Knotenpunkt 10 der Schaltung nach Figur 1 wird mit Hilfe eines Verstärkers 12 eine Anregungsspannung Vr erzeugt, wobei zwischen dem Knotenpunkt 10 und Erdpotential eine Reihenschaltung aus einer unbekannten Impedanz 14 mit einem Wert Zx und einer bekannten bzw. Standardimpedanz 16 mit einem Wert Zr liegt. Dieselbe Anregungsspannung Vr wird als Referenzeingangssignal an einen multiplizierenden D/A-Wandler oder an einen programmierbaren Spannungsteiler 18 (programmierbares Dämpfungs- bzw. Schwächungsglied) gelegt, in welchem der Wert Vr geschwächt bzw. verkleinert wird, um auf der Leitung 20 einen Wert zu erhalten, der in Übereinstimmung mit eingegebenen digitalen Dämpfungssignalen 21 steht. Der multiplizierende D/A-Wandler enthält insbesondere eine R/2R-Schaltung,

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die nachfolgend noch genauer beschrieben wird, und die eine Mehrzahl von binären Eingangssignalen zur Dämpfungs- bzw. Schwächungsbestimmung empfängt, die ihr von einem schrittweise ' arbeitenden Näherungsspeicher 24 (SAR) zugeführt werden. Der Speicher 24, der ebenfalls noch genauer beschrieben wird, liefert nacheinander binare Digitaldaten mit vorbestimmter Rangordnung, beispielsweise mit abnehmender Rangordnung, wobei in Abhängigkeit der jeweils gelieferten Digitaldaten im D/A-Wandler 18 eine den Digitaldaten proportionale Umwandlung vorgenommen wird.

Das vom D/A-Wandler 18 auf der Leitung 20 gelieferte geschwächte Ausgangssignal wird mit Hilfe eines Komparators 22 mit einer Spannung auf einer Leitung 25 verglichen, die mit einem Abgriff 26 zwischen der unbekannten Impedanz und der bekannten Impedanz 16 verbunden ist. Der schrittweise arbeitende Näherungsspeicher 24 liefert an seinem Ausgang, wie bereitserwähnt, Digitaldaten mit vorbestimmter Rangfolge, und beginnt beispielsweise mit dem höchsten Bit.

2Q Durch den Komparator 22 wird festgestellt, ob die Ausgangsspannung auf der Leitung 20 größer als die Spannung auf der Leitung 25 ist. Das erste bzw. höchste (signifikanteste) Bit, das vom Speicher 24 ausgegeben wird, wird dann gelöscht, wenn die Spannung auf der Leitung 20 größer ist als die Spannung auf der Leitung 25. Ist auf der anderen Seite die Spannung auf der Leitung 25 größer als die Ausgangsspannung auf der Leitung 20, so wird das signifikanteste Bit gesichert bzw. aufrechterhalten, und zwar als Eingangssignal zum D/A-Wandler 18. In beiden Fällen liefert der

-,η Speicher 24 dann das nächstsignifikanteste Bit als Ausgangssignal zum D/A-Wandler 18, wobei die genannten Schritte fortlaufend wiederholt werden.

Durch die digitalen Ausgangs- bzw. Dämpfungssignale 21 or vom schrittweise arbeitenden Näherungspeicher 24 wird schließlich der Dämpfungswert des D/A-Wandlers 18 ausgewählt, durch den die Ausgangsspannung auf der Leitung

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soweit gedämpft bzw. verkleinert wird, daß sie im wesentlichen mit der Spannung am Abgriff 26 übereinstimmt. Der digitale Ausgang des Speichers 24 stellt dann genau denjenigen Bruchteil der Anregungsspannung dar, der am Abgriff 26 vorhanden ist_}und damit einen exakten Meßwert der unbekannten Impedanz.

Im Folgenden sei angenommen, daß die Impedanzen Widerstände sind. Das Umwandlungsresultat M läßt sich aus der Gleichung 10

Vx/Vr = N/2ⁿ (1)

zu N = Vx2ⁿ/Vr (la)

bestimmen, wobei der Wert η das Auflösungsvermögen des D/A-Wandlers 18 bestimmt und eine ganze Zahl ist. Das Umwandlungsresultat M kann ganze Zahlen im Bereich

0 <= M<2ⁿ

annehmen, wobei aufgrund der Natur des Netzwerkes festgelegt ist, daß

Vx < Vr
ist.

Wie die Figur 1 zeigt, ist

Vx = VrRr/(Rx+Rr). (2)

Aus Gleichung (1) und (2) wird die Beziehung 30

Rx = Rr((2ⁿ/N)-1) (3)

erhalten. Es sei darauf hingewiesen, daß der letzte Ausdruck (3) für den Wert Rx unabhängig von der Anregungs- bzw. Referenzspannung Vr ist. Die Referenzspannung Vr muß nur so groß sein, daß das Rauschen nicht zu stark in den Vordergrund tritt, und so erzeugt sein, daß keine

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bleibenden Abweichungen (Offsets) und andere Störzustände auftreten. Gleichzeitig seilte die Referenzspannung Vr so klein sein, daß ungewünschte Leitungszustände in pn-Übergängen und dergleichen vermieden werden, die mit dem zu testenden Widerstand verbunden sind. Im speziellen Ausführungsbeispiel wird die Anregungs- bzw. Referenzspannung Vr von dem Verstärker 12 geliefert und kann Werte zwischen 40 mV und 10 V annehmen, ohne daß sich dadurch die Genauigkeit der Meßvorrichtung ändert. Der unbekannte Wert gemäß der Gleichung (3) hängt also von der Größe N ab, die eine ganze Zahl ist und durch das Ausgangssignal des schrittweise arbeitenden Speichers 24 erhalten wird, sowie vom Wert des Standardwiderstandes bzw. bekannten Widerstandes Rr.

Das Ergebnis wird sehr schnell erhalten. Der schrittweise arbeitende Näherungsspeicher 24 durchläuft nacheinander eine Anzahl von Taktzyklen, wobei die Anzahl der Takt-" zyklen seinem Auflösungsvermögen entspricht, im vorliegenden Fall also dem Wert 12. Der Endwiderstandswert wird als Verhältniswert bestimmt, und zwar bevorzugt in Einheiten des Standardwiderstandes, und nicht in Einheiten von Spannungswerten, so daß der Endwiderstandswert sehr genau ist. Darüber hinaus ist die Schaltung einfach aufgebaut und relativ billig. Auch läßt sich eine Maßstabskompression durchführen. In Übereinstimmung mit der Umwandlungsfunktion gemäß Gleichung (3) und unter Berücksichtigung des Bereichs von N wird eine asymptotische Beziehung erhalten, die zwei Grenzwerte aufweist. Der erste Grenzwert für den Wert N liegt bei 2ⁿ-l, während der zweite Grenzwert bei 0 liegt.

in den Grenzbereichen gibt es einen ansteigenden Bereich von Komponentenwerten, die sich in einem verschmälerten Zählwertbereich befinden. Durch Differenzieren der Gleichung (3) läßt sich ein Ausdruck für den Skalenfaktor als Funktion von M und der Referenzkomponente erhalten:

(d/dN)(Rx) = (d/dN)(Rr((2ⁿ/N)-1) =

- Rr(2ⁿ) (N"²) .

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Der prozentuale Fehler als Funktion der gemessenen Komponente bei Verwendung einer 12-Bit-Ausführung ist in Figur 3 dargestellt, wobei Rx der unbekannte Widerstand ist, und Rr der Standardwiderstand. Der Fehler von Rx ist logarithmisch aufgetragen. Die Kurve liefert einen Einzelbitfehler als Funktion des Widerstandes, bei dem dieser erhalten ist. Für weite Bereiche des unbekannten Widerstandes ist der Fehler kleiner als 1 Prozent.

Die Figur 2 zeigt einen detaillierteren Schaltungsaufbau insbesondere im Hinblick auf den schrittweise arbeitenden Näherungsspeicher 24 und den D/A-Wandler 18. Eine schrittweise arbeitende Näherungsspeichereinrichtung wird beispielsweise von Motorola hergestellt und enthält zwei schrittweise

, c- arbeitende Näherungsspeicher, zum Beispiel einen MC 14559B-Speicher, der in Figur 2 mit 3 2 bezeichnet ist, und einen MC 14549B-Speicher, der in Figur 2 mit 34 bezeichnet ist. Der Ausgang des Komparators 22 ist mit den Dateneingängen der beiden Speicher 32, 34 bzw. Register verbunden. Dagegen ist der das Ende der Umwandlung angebende Ausgang des Registers 3 2 mit dem Umwandlungsstarteingang des Registers 3 4 verbunden. Der das Ende der Umwandlung im Register 34 angebende und nicht dargestellte Ausgang dieses Registers wird dazu verwendet, das Ende der schrittweisen Annäherung anzuzeigen. Die beiden Register 32 und 34 werden gemeinsam verwende^ um einen 12-Bit-Ausgang zum aufeinanderfolgenden bzw. schrittweisen Betrieb der Schalter 36 im D/A-Wandler 18 zu erzeugen.

Der D/A-Wandler 18 ist vorzugsweise ein Wandler vom Typ AD 7541, hergestellt durch Analog Devices. Er enthält ein konventionelles R/2R-Netzwerk, wie in Figur 2 dargestellt, das eine Reihenschaltung 38 von Widerständen R aufweist, die einerseits mit dem Knotenpunkt 10 und andererseits über einen 2R-Endzweig 40 mit Erdpotential verbunden ist.

Weiterhin sind 2R-Widerstandszweige 42 jeweils mit dem Eingang eines Ausgangsverstärkers 44 der Einrichtung ver-

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bunden, und zwar jeweils über Schalter 36. Die Schalter 36 enthalten im vorliegenden Fall CMOS-Umschalteinrichtungen, die innerhalb des Konverters vorhanden sind, und die jeweils elektronisch durch binäre Digitalausgangssignale vom schrittweise arbeitenden Näherungsspeicher 24 bzw. Näherungsregister geschlossen werden können. Im inaktiven Zustand sind die Schalter 36 geeigneterweise mit Erdpotential verbunden.

-^q Im Nachfolgenden wird der Betrieb der in der Figur 2 gezeigten Schaltung näher beschrieben. Die Register 32 und 34 werden so angesteuert, daß sie aufeinanderfolgende Ausgangssignale liefern, und zwar beginnend mit dem Bit höchster Rangordnung auf der Leitung 46. Durch ein derartiges

■]_5 Ausgangssignal wird der Schalter 50 geschlossen, so daß der Widerstand 42 mit dem Eingang des Verstärkers 44 verbunden wird. Liefert der Komparator 22 ein Dateneingangssignal D, durch das angezeigt wird, daß die Spannung am Abgriff 26 größer als die durch den Verstärker 44 gelieferte Spannung ist, so wird das Ausgangsbit auf der Leitung 46 aufrechterhalten bzw. gesichert, wobei der oberste Schalter 50 der Schalteinrichtung 36 geschlossen bleibt. Liegen umgekehrte Verhältnisse vor, ist also die Spannung am Abgriff 26 kleiner als die durch den Verstärker 44 gelieferte Spannung, so wird das Ausgangssignal auf der Leitung 46 fallengelassen bzw. gelöscht und der Schalter 50 wird geöffnet. Als nächstes wird das nächstsignifikanteste Bit auf der Leitung 48 erzeugt, um den Schalter 52 zu schließen. Das hat zur Folge, daß über den Widerstand 54 ebenfalls ein Eingangssignal zum Verstärker 44 geliefert wird. Über den Widerstand 54 fließt dabei im wesentlichen der halbe Strom wie über den Widerstand 50. Auch in diesem Falle bleibt, wenn die Spannung am Abgriff 26 größer ist als die vom Verstärker 44 gelieferte Ausgangsspannung, das Ausgangssignal auf der Leitung 48 aufrechterhalten, wobei der Schalter 52 geschlossen bleibt. Andernfalls werden

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wiederum das Ausgangssignal auf der Leitung 48 gelöscht und der Schalter 52 geöffnet. Der Prozess wird in binärer Folge fortgesetzt, um zwölf binäre Ausgangsbits mittels des schrittweise arbeitenden Annäherungsregisters 24 zu erzeugen, so daß die schließlich erhaltenen digitalen Ausgangssignale 21 den zuvor erwähnten Wert M repräsentieren, anhand dessen der Wert des unbekannten Widerstandes 14 sofort erhalten wird.

Die oben beschriebene Technik kann auch dazu verwendet werden, Kondensatoren mit hoher Genauigkeit und schnell auszumessen. In diesem Fall beruht die Messung auf einer Ladungsverteilung durch das Netzwerk, das eine unbekannte Kapazität Cx und eine Referenzkapazität Cr enthält.

Nachdem beide Kondensatoren entladen worden sind, werden sie beide wieder aufgeladen, bis die Referenzspannung Vr einen vorbestimmten Wert erreicht. Der Aufladeprozess wird dann gestoppt. Da beide Kondensatoren mit demselben Strom über dieselbe Zeitperiode aufgeladen worden sind, bestimmt sich die Spannung Vx am Abgriff 26 in Figur 1 nach folgender Gleichung:

Vx = Vr(l/Cr)/((1/Cr) + (1/Cx)) (4 ' )

Durch Verwendung der Gleichung (4') in Gleichung (1) ergibt sich der Wert für die gesuchte Kapazität Cx zu

Cx = CrN/(2ⁿ-N). (5)

Auch in diesem Fall darf der Wert der Spannung oder des Stromes, durch den das Netzwerk aufgeladen wird, keinen Einfluß auf die Kapazitätsmessung haben. In vielen Fällen werden durch diese Technik parasitäre Effekte aufgrund von Leitungen und Schaltimpedanzen vermieden, da während einer Messung keine Ströme fließen.

TER meer · Müller · steinmeister

Ebenso lassen sich durch die genannte Verhältnismessung Induktivitäten bestimmen. Anstelle der Impedanz Zr in der zuerst genannten Reihenschaltung des Netzwerkes wird eine Referenzkomponente mit bekanntem Wert Lr verwendet. Durch Anlegen einer Spannung Vr an die Reihenschaltung und durch Ablesen eines Wertes nach einer Einschwingzeit kann das Verhältnis der beiden Komponenten Lx und Lr zueinander bestimmt werden. Lx ist hierbei die zu messende Induktivität. Es gelten folgenden Beziehungen:

V = L(di/dt) (6)

Vr = (Lx+Lr) (di/dt) (7)

Vx = Lr(di/dt) (8)

Durch Einsetzen der Beziehungen (7) und (8) in Gleichung (1) wird folgender Wert für N erhalten:

N = (Lr) (di/dt) (2ⁿ) (1/(Lr+Lx) (di/dt)) = (Lr)(2ⁿ)(1/(Lr+Lx)).

Hieraus ergibt sich Lx zu

Lx = Lr((2ⁿ/N)-1) (9)

Es sei angenommen, daß aufgrund der Anregungsspannung Vr keine Strombegrenzung auftritt, so daß Gleichung (9) gilt. Gleichung (9) ist also solange erfüllt, solange durch die Treiber- bzw. Steuerschaltung ein hinreichendes di/dt gebildet werden kann. In der Praxis jedoch kann eine Strombegrenzung nicht unberücksichtigt bleiben. Im Folgenden sei angenommen, daß die Anregungsspannung Vr (Referenzspannung) einen Wert von 0,25 V (Vr = 0,25 V) bei einer Stromgrenze von 15 mA aufweist. Die gemeinsame Induktivität von Lx und Lr , (Lx+Lr), soll 10 mh betragen (L = 10 mh). Werden diese Werte in Gleichung (6) eingesetzt, so erhält man für die zeitliche Änderung des Stromes einen Wert

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di/dt =25 amp. pro Sekunde.

Die oben genannte Stromgrenze ergibt sich somit aus dem Wert von 25 A/sec. zu 15mA/0,6 ms. Das bedeutet, daß eine Messung innerhalb von 0,6 ms nach Anlegen der Anregungsspannung an das Netzwerk durchgeführt sein sollte.

Die Figur 4 zeigt in Form eines Blockdiagramms eine Vorrichtung zur Kapazitätsmessung gemäß der Erfindung, die in der Lage

,_Q ist, in schneller Aufeinanderfolge Kapazitäten zwischen einer großen Anzahl von Testpunkten einer zu testenden Einrichtung zu messen. Die Vorrichtung enthält das RCMS-Meßsystem 11 nach Figur 1, bei dem ein Meßwert und ein Vergleichswert in das Verhältnis zueinander gesetzt werden, wobei das Meßsystem einen D/A-Wandler 18, einen Komparator 22, einen schrittweise arbeitenden Näherungsspeicher 24 (Annäherungsregister) sowie einen Verstärker 12 zur Erzeugung einer Anregungsspannung Vr umfaßt. Eine zu messende und nicht bekannte Kapazität Cx ist nicht mehr direkt mit dem RCMS-System 11 verbunden, unterliegt jedoch ihrem Zugriff, und zwar über die beiden Busleitungen 55 und ein im Multiplexverfahren betriebenes Array 66.

Das im Multiplexverfahren betriebene Array 6 6 (Feld) enthält einen Satz von η Reihen bzw. Zeilen mit jeweils m MuItiplexern, wobei jeder Multiplexer in dem genannten Feld drei Schaltzustände aufweist, so daß er wahlweise einen Eingangsanschluß 6 8 mit dem einen oder dem anderen zweier Ausgänge 7 0 und 72 verbinden kann, oder aber den Eingangsanschluß 6 8 von jedem der beiden Ausgänge trennen kann. Alle entsprechenden Ausgänge der Multiplexer in jeder Zeile des Feldes 66 sind parallel zueinander geschaltet und einem weiteren Multiplexer 64 eingangsseitig zugeführt, um wahlweise einem seiner 2n Eingänge mit einer ersten Leitung 59 der Busleitung 55 zu verbinden, während irgendein anderer seiner Eingänge mit einer zweiten Leitung 61 der Busleitung 55 verbunden ist.

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Die Eingänge 68 der jeweiligen Multiplexer im Feld 66 können mit verschiedenen Punkten einer zu testenden Einrichtung verbunden sein, während der Multiplexer 64 und die Multiplexer im Feld 66 so eingestellt werden können, daß sie zwei beliebig dieser Punkte auf die Busleitung 55 schalten. Die durch das

RCMS-System 11 nach Figur 1 zu messende Kapazität Cx erscheint also zwischen irgendwelchen zwei Anschlußklemmen 68 des Feldes 66, und zwar in Abhängigkeit der Schaltzustände der Multiplexer. Durch wahlweise Änderung dieser Schaltzustände ]_q desMultiplexerfeldes können Impedanzen zwischen einer großen Anzahl von Punkten einer zu testenden Einrichtung mit Hilfe des RCMS-Systems 11 in Figur 1 in schneller Reihenfolge gemessen werden.

Um eine Kapazitätsverhältnismessung durchzuführen, wird die ausgewählte Kapazität Cx durch das Multiplexerfeld auf den Bus 55 geschaltet, so daß die Anregungsspannung Vr vom Verstärker 12 an eine Seite der Kapazität Cx über die erste Leitung 59 gelangt, die mit dem Ausgang des Verstärkers 12 über einen Schalter 57 verbunden ist. Die an der anderen Seite der Kapazität Cx anliegende Spannung Vx wird über die zweite Leitung 61 des Busses 5 5 übertragen, und liegt darüber hinaus am invertierenden Eingang des Komparators 22 an. Ein Kondensator 60 mit einer Kapazität Cr, dessen eines Ende geerdet ist, kann mit der zweiten Busleitung 61 über einen Schalter 62 zur Bildung einer Referenzkapazität verbunden sein.

Bei Messung sehr kleiner Kapazitäten mit Hilfe der in Figur 4 dargestellten Vorrichtung machen sich jedoch innere Kapazitäten störend bemerkbar, die durch die integrierten Schalteinrichtungen des Feldes 66 und die Busleitung hervorgerufen werden, und die parallel zur unbekannten Kapazität Cx oder parallel zur Referenzkapazität Cr liegen. Diese inneren Kapazitäten führen zu Fehlern bei der Bestimmung des Wertes für Cx anhand der Gleichung (5).

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Eine innere Kapazität parallel zu Cx vergrößert den Wert Cx gegenüber dem tatsächlichen Wert, während eine innere Kapazität parallel zu Cr die Kapazität Cx gegenüber dem tatsächlichen Wert verkleinert. 5

Der Bus 55 und der Umschaltbereich der Schaltung in Figur 4 können vom RCMS-System 11 aus gesehen durch das in Figur 5 abgebildete Ersatzschaltbild dargestellt werden. Die unbekannte Kapazität Cx kann wahlweise durch zwei Schalter Sl und S2 mit der ersten Leitung 59 und der zweiten Leitung 61 des Leitungsbusses 55 verbunden v/erden, wobei die Schalter Sl und S2 Multiplexer des Feldes 66 repräsentieren. Eine Kapazität Cp stellt eine Streukapazität zwischen der ersten Leitung 59 und Erde dar, und umfaßt

•,₅ auch weitere innere Kapazitäten des Systems, die parallel zur Anregungsspannungsquelle liegen. Durch diese Kapazität Cp wird der Meßwert der Kapazität Cx nicht fehlerhaft beeinflußt, da sie bis zum Pegel der Anregungsspannung aufgeladen wird und durch sie das gemessene Verhältnis der Spannungen Vx und Vr nicht verfälscht wird.

Durch eine weitere und sogenannte Offset-Kapazität Cf werden alle Streukapazitäten der Meßvorrichtung erfaßt, die parallel zur Kapazität Cx liegen, also auch die Kapazität zwischen

~c der ersten Leitung 59 und der zweiten Leitung 61 des Leitungsbusses 55. Dagegen repräsentiert eine Kapazität Ca alle Kapazitäten der Meßvorrichtung, die parallel zur Referenzkapazität Cr liegen, also auch die Kapazität zwischen der zweiten Leitung 61 und Erde sowie innere und mit Erde verbundene Kapazitäten, die dem Multiplexschalter S2 und den mit ihm verbundenen Probenleitungen zugeordnet sind. Liegt das Feld 66 von Figur 4 in Form einer monolithischen Schaltung vor, so weisen alle Multiplexer des Feldes 66 ähnliche kapazitive Eigenschaften 5 auf. Haben darüber hinaus alle Probenleitungen von der zu testenden Einrichtung zu jedem Multiplexer des Feldes 66 dieselbe Länge, so bleiben die Werte für Ca und Cf

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relativ konstant, unabhängig davon, durch welchen Multiplexer des Feldes 66 die unbekannte Kapazität Cx mit dem Bus verbunden ist.

Die erste Leitung 59 und die zweite Leitung 61 des Busses 55 können wahlweise über einen Schalter 58 und einen Kondensator 56 mit bekannter Referenzgröße Cra miteinander verbunden werden, um auf diese Weise eine Hilfsreferenzkapazitat zu erhalten. Darüber hinaus kann die zweite IQ Leitung 61 über einen Kondensator 60 und einem elektrisch in Reihe mit diesem liegenden Schalter 62 mit Erdpotential verbunden werden, wobei der Kondensator 60 zur Bildung der Referenzkapazität Cr dient.

Durch die Kapazitäten Ca und Cf wird das Verhältnis der Spannungen Vx und Vr zueinander beeinflußt, insbesondere dann, wenn Cx sehr klein ist, so daß die Kapazitäten Ca und Cf gemessen und bei der Berechnung der Kapazität Cx berücksichtigt werden, wenn die Kapazitätsmessung mit Hilfe des RCMS-Systems durchgeführt wird. Um die Kapazität Ca zu messen, werden die Schalter 57 und 62 geöffnet, die Schalter Sl und S2 geöffnet, und der Schalter 58 geschlossen, so daß die Referenzspannung Vr über der Reihenschaltung der Kapazitäten Cra und Ca liegt. Der Wert für Ca kann mit Hilfe des durch das RCMS-System erhaltenen letzten Wertes N anhand der nachfolgenden Beziehung bestimmt werden:

Ca = (Cra/N) (2ⁿ-N) (10)

Ist der Wert der Kapazität Ca bekannt, so läßt sich dann die Kapazität Cf ermitteln. Hierzu werden die Schalter 58, 62, Sl und S2 geöffnet, während Schalter 57 geschlossen wird. Das durch das RCMS-System 11 erhaltene Meßergebnis für den Wert N wird dann in die nachfolgende Gleichung eingesetzt:

Cf = CaN/(2ⁿ-N) (ID

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Sind die Kapazitäten Ca und Cf ermittelt, so kann auch ein kleiner unbekannter Kapazitätswert Cx sehr genau mit Hilfe der CMS-Messung bestimmt werden, bei der nur die kleine innere Kapazität Ca als Referenzkapazität verwendet wird und zwar bei offenem Schalter 62, um den Kondensator

von der zweiten Leitung 61 zu trennen, sowie mit geschlossenen Sehaltern 57, Sl und S2, um die ausgewählte Kapazität Cx mit dem RCMS-Eingang zu verbinden. Der Wert für Cx wird dann wiederum anhand des durch das RCMS-System 11 erhaltenen ,Q letzten Wertes N anhand der folgenden Gleichung bestimmt:

Cx = (CaN/ (2ⁿ-N)) - Cf (12)

Um einen engeren Bereich von Kapazitätsmessungen für einen gegebenen Bereich von RCMS-Ausgängen N zu erhalten, kann auch die Kapazität Cr des Kondensators 60 zur Kapazität Ca hinzuaddiert und der Kondensator 60 parallel zur Kapazität Ca durch Schließung des Schalters 62 gelegt werden. Hierdurch wird die Große der bei der RCMS-Messung verwendeten Referenzkapazität erhöht. Der Wert Cx wird dann anhand des RCMS-Ausgangs entsprechend der nachfolgenden Gleichung ermittelt:

Cx = ((Ca+Cr)N/(2ⁿ-N)) - Cf (13)

Um genaue Messungen von Cx im Picofarad-Bereich durchführen zu können, muß die Offset-Kapazität Cf sehr genau bestimmt sein. Ein Großteil der Offset-Kapazität wird durch parasitäre Kapazitäten gebildet, die den Festkörperschaltern im Multiplexerfeld zugeordnet sind, wobei diese parasitären Kapazitäten im Bereich von mehreren zehn Picofarad schwanken können, je nach der bei der Messung verwendeten Anregungsspannung. Diese Kapazitätsschwankungen treten aufgrund des Varactor-Phänomens auf, also infolge spannungsabhängiger Übergangskapazitäten

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in einem Festkörperschalter aufgrund nichtlinearer Dotierungsverteilungen in der Verarmungsschicht im Bereich von pn-Übergängen. Da die Offset-Kapazität Cf zum großen Teil durch derartige Übergangskapazitäten gebildet wird, ist Cf spannungsabhängig. Demzufolge muß bei der CMS-Messung zur Bestimmung des Wertes Cx dieselbe Anregungsspannung verwendet werden, die auch zur Messung der Offset-Kapazität Cf verwendet worden ist.

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Claims

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PATENTANWÄLTE-EUROPEAN PATENT ATTORNEYS QCIQCCQ

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl. Ing. F. E. Müller Mauerkircherstrasse 45 D-8000 MÜNCHEN 80

Dipl. Ing. H. Steinmeister Artur-Ladebeck-Strasse 51 D-4800 BIELEFELD 1

472-030 Germany
Ur/b

11. Juni 1986

John Fluke Mfg. Co., Inc..
6920 Seaway Boulevard
Everett, State of Washington 98203, U.S.A.

Verfahren und Vorrichtung zur Kapazitätsmessung

Priorität: 11. Juni 1985, Vereinigte Staaten von Amerika, Ser.No. 06/743,622 (P)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Bestimmung des Wertes einer unbekannten Kapazität, die zwischen einer ersten und einer zweiten Anschlußklemme eines Schaltnetzwerkes liegt, bei dem die Anschlußklemmen durch die Schalteinrichtung jeweils mit einer ersten und einer zweiten Anschlußklemme einer Meßeinrichtung verbindbar

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sind, durch die die Messung einer mit ihr verbundenen unbekannten Impedanz durch Vergleich des Spannungsabfalls über der unbekannten Impedanz mit dem Spannungsabfall über einer bekannten Referenzimpedanz zwecks Bildung eines Verhältniswertes durchführbar ist, und bei dem die bekannte Referenzimpedanz zwischen der zweiten Anschlußklemme der Meßeinrichtung und einem Punkt mit einem gemeinsamen Referenzpotential, eine erste innere Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes sowie eine zweite innere Kapazität zwischen der zweiten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes und dem Punkt mit dem gemeinsamen Referenzpotential liegen,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Messung des Wertes der zweiten inneren Kapazität (Ca) bei Trennung der ersten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes von der ersten Anschlußklemme der Meßeinrichtung, Kopplung einer Hilfsreferenzkapazität (Cra) zwischen die Anschlußklemmen der Meßeinrichtung, Anlegen einer Spannung an die erste Anschlußklemme der Meßeinrichtung, und Vergleich der Spannung an der zweiten Anschlußklemme mit der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme der Meßeinrichtung zur Bestimmung des Wertes der zweiten inneren Kapazität (Ca) durch entsprechende Verhältniswertbildung,

b) Messung des Wertes der ersten inneren Kapazität (Cf) durch Anlegen einer Spannung an die erste Anschlußklemme der Meßeinrichtung, die mit der ersten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes verbunden ist, und Vergleich der Spannung an der zweiten Anschlußklemme mit der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme der Meßeinrichtung zur Bestimmung des Wertes der ersten inneren Kapazität (Cf) durch entsprechende Verhältniswertbildung, sowie

c) Messung des Wertes der unbekannten Kapazität (Cx) durch Verbindung der unbekannten Kapazität (Cx) mit der ersten und der zweiten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes, Anlegen einer Spannung an die erste Anschluß-

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klemme der Meßeinrichtung, wobei die zuletzt genannte Anschlußklemme mit der ersten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes verbunden ist, Vergleich der Spannung an der zweiten Anschlußklemme mit der Spannung zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme der Meßeinrichtung zur Bestimmung des Wertes der Kombination aus unbekannter Kapazität (Cx) und erster innerer Kapazität (Cf) durch entsprechende Verhältniswertbildung, und Subtraktion des Wertes der ersten inneren Kapazität (Cf) von dem Kombinationswert.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die im Schritt a) bestimmte zweite innere Kapazität (Ca) im Schritt

b) als Referenzimpedanz zur Verhältniswertbildung herangezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die im Schritt a) bestimmte zweite innere Kapazität (Ca) im Schritt

c) als Referenzimpedanz zur Verhältniswertbildung herangezogen wird.

4. Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses einer ersten Kapazität zu einer zweiten Kapazität zwecks Ermittlung des Wertes einer der Kapazitäten, bei dem die erste Kapazität über einen ersten Leiter und einen zweiten Leiter mit einer Meßeinrichtung verbindbar ist, während die zweite Kapazität zwischen den zweiten Leiter und einen Punkt mit einem gemeinsamen Referenzpotential schaltbar ist, wobei durch die Leiter innere Kapazitäten hervorgerufen werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Unterbrechung des ersten Leiters, Kopplung einer Hilfsreferenzkapazität über die Meßeinrichtung, und Messung einer ersten inneren Kapazität zwischen dem zweiten Leiter und dem Punkt mit dem gemeinsamen Referenzpotential· im Verhältnis zur Hilfsreferenzkapazität,

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- Aufhebung der Unterbrechung des ersten Leiters und Messung einer zweiten inneren Kapazität zwischen den Leitern im Verhältnis zur ersten inneren Kapazität, die als Referenzkapazität verwendet wird, und

- Verbindung der ersten Kapazität mit beiden Leitern und Messung der Kombination von erster Kapazität und zweiter innerer Kapazität ini Verhältnis zur zweiten Kapazität, die wenigstens die erste innere Kapazität umfaßt.

5. Vorrichtung zur Bestimmung des Wertes einer unbekannten Kapazität, die über ein Schaltnetzwerk zwischen eine erste und eine zweite Anschlußklemme schaltbar ist, bei der eine erste innere Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes sowie eine zweite innere Kapazität zwischen der zweiten Anschlußklemme des Schaltnetzwerkes und einem Punkt mit einem gemeinsamen Referenzpotential liegen, gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung, mit der die unbekannte Kapazität (Cx) wahlweise mit der ersten und zweiten Anschlußklemme verbindbar ist,

- eine Einrichtung zur Erzeugung einer Referenzspannung (Vr),

- eine Einrichtung zur Messung einer zweiten Spannung (Vx) an der zweiten Anschlußklemme,

- eine Referenzkapazität (Cra),

- eine Einrichtung zum wahlweisen Anlegen der Refernzspannung (Vr) an die zweite Anschlußklemme über die Referenzkapazität (Cra), so daß die Messung der zweiten Spannung (Vx) an der zweiten Anschlußklemme in Übereinstimmung mit der relativen Größe der Referenzkapazität (Cra) und die Messung der zweiten inneren Kapazität (Ca) möglich sind, wenn die unbekannte Kapazität (Cx) nicht mit den Anschlußklemmen verbunden ist, und durch

- eine Einrichtung zum wahlweisen Anlegen der Referenzspannung (Vr) an die erste Anschlußklemme, so daß eine Messung der zweiten Spannung an der zweiten Anschlußklemme in Übereinstimmung mit der relativen Größe der ersten und zweiten inneren Kapazitäten (Cf,Ca) möglich

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ist, wenn die unbekannte Kapazität nicht mit den Anschlußklemmen verbunden ist, sowie in Übereinstimmung mit der unbekannten Kapazität und den ersten und zweiten Kapazitäten möglich ist, wenn die unbekannte Kapazität mit beiden Anschlußklemmen verbunden ist.

G. Vorrichtung nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Messung der zweiten Spannung folgende Elemente enthält:

- eine programmierbare Dämpfungseinrichtung (18), die die Referenzspannung (Vr) empfängt und dämpft bzw. verringert, und die eine Mehrzahl von die Dämpfung bestimmenden Eingängen mit einer vorbestimmten digitalen Rangordnung aufweist,

- ein schrittweise arbeitendes Näherungsregister (24;32,34) zur aufeinanderfolgenden Lieferung von Ausgangssignalen an einer Mehrzahl von Digitalausgängen, die jeweils mit den die Dämpfung bestimmtenden Eingängen der programmierbaren Dämpfungseinrichtung (18) verbunden sind, und

- eine Einrichtung (22) zum Vergleichen des Ausgangssignals der programmierbaren Dämpfungseinrichtung (18) mit der zweiten Spannung (Vx) zur Erzeugung eines Umwandlungsbestimmungssignals, das dem schrittweise arbeitenden Näherungsregister (24;32,34) zuführbar ist, um die gedämpfte bzw. verkleinerte Referenzspannung in eine feste Beziehung zur zweiten Spannung zu bringen,derart, daß das letzte digitale Ausgangssignal des schrittweise arbeitenden Näherungsregisters (24;32,34) die Größe der zweiten Spannung in Bezug zur Größe der Referenzspannung angibt.

7. Vorrichtung zur Bestimmung des Wertes einer unbekannten Kapazität, gekennzeichnet durch

- eine Einrichtung zur Erzeugung einer Referenzspannung (Vr),

- eine programmierbare Dämpfungseinrichtung (18), die

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die Referenzspannung empfängt und dämpft bzw. verringert, und die eine Mehrzahl von die Dämpfung bestimmenden Eingängen mit einer vorbestimmten digitalen Rangordnung aufweist,

- ein schrittweise arbeitendes Näherungsregister (24;32,34) zur aufeinanderfolgenden Lieferung von Ausgangssignalen an einer Mehrzahl von Digitalausgängen, die jeweils mit den die Dämpfung bestimmenden Eingängen der progrararraerbaren Dämpfungseinrichtung (18) verbunden sind,

- erste und zweite Leiter (59,61),

- eine Einrichtung zur wahlweisen Anlegung der Referenzspannung (Vr) an den ersten Leiter (59),

- eine Einrichtung zur wahlweisen Kopplung der unbekannten Kapazität (Cx) an die ersten und zweiten Leiter (59,61), wobei der zweite Leiter (61) mit einem Punkt eines gemeinsamen Referenzpotentials über eine innere Kapazität (Ca) verbunden ist, die durch die Kopplungseinrichtung und den zweiten Leiter bestimmt ist, und durch

- eine Einrichtung zum Vergleichen des Ausgangssignals der programmierbaren Dämpfungseinrichtung (18) mit einer Spannung am zweiten Leiter (61), um ein Umwandlungsbestimmungssignal zum schrittweise arbeitenden Näherungsregister (24;32,34) zu liefern, um die gedämpfte bzw. verkleinerte Referenzspannung in eiiie feste Beziehung zur Spannung am zweiten Leiter (61)zu bringen, derart, daß bei Anleegn der Referenzspannung an den ersten Leiter (59) und bei einer mit dem ersten und zweiten Leiter verbundenen unbekannten Kapazität (Cx) das letzte digitale Ausgangssignal des schrittweise arbeitenden Näherungsregisters (24;32,34) die Größe der unbekannten Kapazität (Cx) in Bezug zur Größe der inneren Kapazität angibt.

8. Verfahren zur Bestimmung des Verhältnisses einer ersten Kapazität zu einer zweiten Kapazität zv/ecks Ermittlung des Wertes einer der Kapazitäten, bei dem die erste Kapazität über einen ersten Leiter und einen zweiten Leiter mit einer Meßeinrichtung verbindbar ist, während die zweite Kapazität zwischen den zweiten Leiter und einen Punkt mit

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einem gemeinsamen Referenzpotential schaltbar ist, wobei durch die Leiter innere Kapazitäten hervorgerufen werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

- Unterbrechung des ersten Leiters, Kopplung einer Hilfsreferenzkapazität über die Meßeinrichtung und Messung einer inneren Kapazität zwischen dem zweiten Leiter und dem Punkt mit dem gemeinsamen Referenzpotential im Verhältnis zur HiIfsreferenzkapazität, und

- Verbindung der ersten Kapazität mit beiden Leitern und Messung einer Kapazität im Verhältnis wenigstens zu der inneren Kapazität mit Hilfe der Meßeinrichtung.

9. Verfahren nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Referenzkapazität parallel zur inneren Kapazität geschaltet wird.