DE4313327A1 - Arrangement for measuring small capacitances - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung kleiner Kapazitäten, wobei eine zu messende Kapazität das frequenz bestimmende Element eines Oszillators darstellt und das ka pazitätsabhängige Ausgangssignal an einem Subtrahierer ab nehmbar ist.The invention relates to an arrangement for measuring smaller Capacities, with a capacitance to be measured the frequency defining element of an oscillator and the ka capacity-dependent output signal from a subtractor is acceptable.
Es sind kapazitive Differentialanordnungen bekannt, die aus zwei feststehenden Elektroden und einer dritten beweglichen Elektrode bestehen. Die bewegliche Elektrode ändert auf grund des Einflusses einer physikalischen Größe ihren Ab stand zwischen den feststehenden Platten und stellt somit das sensitive Element dar.Capacitive differential arrangements are known which consist of two fixed electrodes and a third movable one Electrode exist. The movable electrode changes to due to the influence of a physical quantity stood between the fixed plates and thus represents the sensitive element.
Mittels einer elektronischen Anordnung wird ein zur Ab standsänderung der beweglichen Elektrode proportionales Signal erzeugt. Dieses Ausgangssignal ändert sich bei bekannten Schaltungsanordnungen proportional mit dem Quo tienten aus der Differenz und der Summe zweier Kapazitäten.By means of an electronic arrangement, an Ab change in position of the movable electrode proportional Signal generated. This output signal changes at known circuit arrangements proportional to the quo made from the difference and the sum of two capacities.
Dabei ergeben sich die Kapazitäten in bekannter Weise ausThe capacities result in a known manner
undand
wobei ε die relative Dielektrizitätskonstante, ε₀ die ab solute Dielektrizitätskonstante, A die Elektrodenfläche, d₀ der Abstand der beweglichen Elektrode im nicht ausgelenkten Zustand zu einer festen Elektrode, δ₀ die Abweichung der be weglichen Elektrode von ihrer Nennlage im nicht ausge lenkten Zustand und δ die Auslenkung der beweglichen Elek trode, hervorgerufen durch die zu bestimmende physikalische Größe ist.where ε is the relative dielectric constant, ε₀ is the ab solute dielectric constant, A the electrode area, d₀ the distance of the movable electrode in the undeflected State to a fixed electrode, δ₀ the deviation of the be not moving electrode from its nominal position in the steered state and δ the deflection of the movable elec trode, caused by the physical to be determined Size is.
Damit erhält man eine Abhängigkeit der Ausgangsgröße in der FormThis gives a dependency of the output variable in the shape
Das zeigt, daß bei Veränderung des Nennabstandes d, z. B. durch Temperaturänderung sowohl der Offset des Ausgangssi gnales als auch die Empfindlichkeit des Sensors beeinflußt werden.This shows that when changing the nominal distance d, z. B. by changing the temperature both the offset of the output si gnales and affects the sensitivity of the sensor become.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung anzugeben, bei welcher die Linearität des Meßergebnisses auch bei großen Auslenkungen der beweglichen Elektrode ge wahrt bleibt. The invention has for its object a measuring arrangement specify the linearity of the measurement result even with large deflections of the movable electrode remains true.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß minde stens ein Oszillator, dessen Frequenz indirekt proportional der Kapazität ist, über eine Schwingschaltung an eine An paßschaltung führt, welche mit dem Subtrahierer verbunden ist.According to the invention the object is achieved in that mind least an oscillator whose frequency is indirectly proportional the capacity is, via an oscillating circuit to an on pass circuit leads, which is connected to the subtractor is.
In einer Ausgestaltung bildet jede zu messende Kapazität mit dem Oszillator, der Schwingschaltung und der Anpaß schaltung eine Teilschaltung, wobei jede Teilschaltung auf je einen Eingang des Subtrahierers führt.In one embodiment, each capacity to be measured forms with the oscillator, the oscillation circuit and the adjustment circuit a subcircuit, with each subcircuit on leads one input of the subtractor.
Bei dieser Anordnung wird das Ausgangssignal Y aus der Dif ferenz der reziproken Kapazitätswerte in der FormWith this arrangement, the output signal Y from the Dif Reference of the reciprocal capacitance values in the form
gebildet und man erhält so für die Ausgangsgrößeformed and so you get for the starting quantity
Bei dieser Auswertung übt der Abstand der beweglichen Elek trode im nicht ausgelenkten Zustand zu einer festen Elek trode keinen Einfluß auf das Ausgangssignal aus. Die Emp findlichkeit des Systems wird gegenüber bekannten Anordnun gen wesentlich verbessert.In this evaluation, the distance between the movable ele trode in the undeflected state to a fixed elec do not affect the output signal. The emp Sensitivity of the system is compared to known arrangements gene significantly improved.
Weiterhin wird mit dieser Anordnung ein elektrisches Ab bildsignal der analogen physikalischen Größe erzeugt, das mit einem Zähler in eine digitale Größe umgeformt werden kann oder ein analoges Strom- bzw. Spannungssignal als Meßergebnis bildet. Furthermore, with this arrangement, an electrical Ab image signal of the analog physical quantity generated that can be converted into a digital quantity with a counter can or an analog current or voltage signal as Forms measurement result.
In einer Ausgestaltung ist der Oszillator über einen Monoflop und einen Tiefpaß mit einem Eingang eines Diffe renzverstärkers verbunden.In one embodiment, the oscillator is over a Monoflop and a low pass with an entrance of a dif limit amplifier connected.
Eine andere Ausgestaltung besteht darin, daß zur Realisie rung der Oszillatoren für die beiden sensorischen Kapazitä ten dieselben aktiven Baugruppen genutzt werden.Another embodiment is that realisie tion of the oscillators for the two sensory capacities the same active modules are used.
Dabei werden die zu messenden Kapazitäten in einem festge legten Schaltzyklus alternierend mit dem Oszillator verbun den, dessen Frequenz indirekt proportional der jeweils an geschalteten Kapazität ist. Der Oszillator wird über eine monostabile Schwingschaltung auf einen Umschalter geführt, welcher im vorgegebenen Schaltzyklus alternierend die Ein gänge des Subtrahierers ansteuert.The capacities to be measured are defined in one switched switching cycle alternately connected to the oscillator the one whose frequency is indirectly proportional to the one at switched capacity. The oscillator is over a monostable oscillation circuit led to a changeover switch, which alternates the on in the given switching cycle gears of the subtractor.
Aufgrund der Verwendung nur einer Schaltungsanordnung für die Messung beider Kapazitäten werden thermische Probleme eliminiert und der Schaltungsaufwand entscheidend redu ziert.Due to the use of only one circuit arrangement for measuring both capacities will cause thermal problems eliminated and the circuit effort significantly reduced graces.
Vorteilhaft ist der Oszillator über einen Monoflop und den Umschalter alternierend mit je einem Tiefpaß verbunden, welcher an je einen Eingang eines Differenzverstärkers führt. Die Eingänge des Differenzverstärkers wirken in Verbindung mit dem Umschalter und den RC-Gliedern als Abtast- und Halteschaltungen.The oscillator via a monoflop and the is advantageous Switch alternately connected to a low-pass filter, which to each one input of a differential amplifier leads. The inputs of the differential amplifier act in Connection with the changeover switch and the RC elements as Sample and hold circuits.
Um die Streukapazitäten zu verringern, sind die zu messen den Kapazitäten im Rückkopplungszweig des Oszillators ange ordnet.In order to reduce the stray capacities, they have to be measured the capacitances in the feedback branch of the oscillator arranges.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon werden anhand der in der Zeichnung enthaltenen Figu ren näher erläutert. Es zeigt: The invention permits numerous embodiments. Two of which will be based on the Figu ren explained in more detail. It shows:
Fig. 1 Aufbau einer kapazitiven Differentialanordnung Fig. 1 construction of a capacitive differential arrangement
Fig. 2 Erfindungsgemäße Auswerteschaltung Fig. 2 evaluation circuit according to the invention
Fig. 3 Auswerteschaltung mit der Kapazität im Rückkopp lungszweig des Oszillators Fig. 3 evaluation circuit with the capacitance in the feedback branch of the oscillator
Fig. 4 Verbesserte Auswerteschaltung mit Relaxations oszillator Fig. 4 Improved evaluation circuit with relaxation oscillator
Fig. 5 bis 7 Schaltungsvarianten zur Unterdrückung para sitärer Kapazitäten. Fig. 5 to 7 circuit variants for suppressing para sitary capacities.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer kapazitiven Differentialanordnung dargestellt.In Fig. 1, the basic structure is shown a capacitive differential assembly.
Die Teile 1 und 2 sind die beiden, relativ zur Ruhelage der beweglichen Elektrode 3 feststehenden und starren Elektro den. Diese Elektroden bilden in Verbindung mit dem dazwi schenliegenden Dielektrikum 4 die sensorischen Kapazitäten C₁ und C₂ der Differentialanordnung.The parts 1 and 2 are the two, relative to the rest position of the movable electrode 3 fixed and rigid electrical. These electrodes form in connection with the intervening dielectric 4 the sensory capacitances C₁ and C₂ of the differential arrangement.
Fig. 2 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Lösung. Die Anordnung besteht aus zwei Teilschaltungen T1 und T2. In jeder Teilschaltung T1 oder T2 erzeugt ein Oszillator 7 ein periodisches Wechselsignal, dessen Frequenz von der Kapazi tät 10 oder 11 beeinflußt wird, die als sensorisches Ele ment wirkt. Fig. 2 shows the principle of the solution according to the invention. The arrangement consists of two sub-circuits T1 and T2. In each sub-circuit T1 or T2, an oscillator 7 generates a periodic alternating signal, the frequency of which is influenced by the capacitance 10 or 11 , which acts as a sensor element.
Für den Oszillator 7 kommen solche Anordnungen in Betracht, die eine Frequenzabhängigkeit der FormFor the oscillator 7 , such arrangements come into consideration which have a frequency dependence on the shape
besitzen. have.
Das periodische Ausgangssignal des Oszillators 7 triggert einen Monoflop 8, dessen Haltezeit tH konstant und kleiner ist als die Periodendauer T des Generatorsignals.The periodic output signal of the oscillator 7 triggers a monoflop 8 , the holding time t H of which is constant and less than the period T of the generator signal.
Dadurch erzeugt das Monoflop 8 wiederum ein periodisches Signal, dessen Tastverhältnis k proportional zur sensori schen Kapazität C ist.As a result, the monoflop 8 in turn generates a periodic signal, the pulse duty factor k is proportional to the sensor's capacitance C.
Aus diesem tastverhältnismodulierten Signal kann man mit einfachen digitalen Zählern einen der zu erfassenden physi kalischen Größe proportionalen digitalen Wert bilden.From this duty cycle modulated signal one can use simple digital counters to record one of the physi Kalische size form proportional digital value.
Im weiteren Verlauf soll nur die Erzeugung von Analogsigna len betrachtet werden. So ist es mit einem Tiefpaß 9 mög lich, aus dem Tastverhältnis k eine proportionale Spannung zu bilden.In the further course, only the generation of analog signals should be considered. So it is possible with a low-pass filter 9 to form a proportional voltage from the pulse duty factor k.
Den gewünschten, in der Beziehung (6) dargestellten funk tionalen Zusammenhang erhält man, indem die Differenz der Ausgangsspannungen der ersten Teilschaltung 7, 8, 9 mit der ersten zu messenden Kapazität 10 und der zweiten Teilschal tung 7, 8, 9 mit der zweiten zu messenden Kapazität 11 ge bildet wird. Jede Teilschaltung 7, 8, 9 führt auf einen Eingang eines Differenzverstärkers 14. Das gewünschte Aus gangssignal liegt am Ausgang 15 des Differenzverstärkers 14 als Spannungssignal an.The desired functional relationship shown in relation (6) is obtained by the difference in the output voltages of the first subcircuit 7 , 8 , 9 with the first capacitance 10 to be measured and the second subcircuit 7 , 8 , 9 with the second one measuring capacity 11 ge is formed. Each subcircuit 7 , 8 , 9 leads to an input of a differential amplifier 14 . The desired output signal is present at the output 15 of the differential amplifier 14 as a voltage signal.
Diese Anordnung ist für solche Anwendungen geeignet, die zwei in gleicher Weise bewegliche Mittelelektroden besit zen. This arrangement is suitable for those applications that has two movable central electrodes Zen.
Gemäß Fig. 3 werden die Oszillatoren 7 mit den Verstärkern 16, 17 bzw. 18, 19, den Widerständen 23, 24, 25 bzw. 33, 34, 35 und den sensorischen Kapazitäten 10 bzw. 11 reali siert. Die Kapazitäten 10 bzw. 11 sind dabei im Rückkopp lungszweig des Oszillators 7 angeordnet. Die Monoflops 20, 28, 29, 30 bzw. 21, 38, 39, 40 werden über die Differen zierglieder 26, 27 bzw. 36, 37 angesteuert. Die tastver hältnismodulierten Signale an den Ausgängen von 20 bzw. 21 werden mit den Tiefpässen 31, 32 bzw. 41, 42 in Spannungs signale gewandelt, die mit Hilfe des Differenzverstärkers 43, 44, 45, 46, 22 voneinander subtrahiert werden. Auf diese Weise steht am Ausgang 48 des Differenzverstärkers ein Spannungssignal zur Verfügung, das der Beziehung (6) entspricht.Referring to FIG. 3, the oscillators 7 with the amplifiers 16, 17 and 18, 19, resistors 23, 24, 25 and 33, 34, 35 and the sensor capacitances 10 and 11 Siert reali. The capacitances 10 and 11 are arranged in the feedback branch of the oscillator 7 . The monoflops 20 , 28 , 29 , 30 and 21 , 38 , 39 , 40 are controlled by the decorative elements 26 , 27 and 36 , 37 , respectively. The tastver ratio modulated signals at the outputs of 20 and 21 are converted with the low-pass filters 31 , 32 and 41 , 42 into voltage signals which are subtracted from each other with the aid of the differential amplifier 43 , 44 , 45 , 46 , 22 . In this way, a voltage signal is available at the output 48 of the differential amplifier which corresponds to the relationship (6).
In Fig. 4 ist eine Schaltungsanordnung dargestellt, bei welcher die beiden sensorischen Kapazitäten 10 und 11 mit der gleichen Anordnung gemessen werden. Die sensorischen Kapazitäten 10 und 11 werden wechselweise mittels des elek tronischen Schalters 51 an einen Inverter-Schaltkreis 52 mit Schmitt-Trigger-Eingang geschaltet. Der Ausgang des In verter-Schaltkreises 52 ist mit den Eingängen der Frequenz teiler 53 mit dem Teilungsverhältnis n und 54 mit dem Tei lungsverhältnis m verbunden. Der Inverter 52 bildet mit der Kapazitäts-Widerstands-Kombination 11, 80 bzw. 10, 79 einen Relaxationsoszillator, dessen Ausgangssignal eine Peri odendauer besitzt, die den jeweils angeschalteten sensori schen Kapazitäten 10, 11 proportional ist. Der Frequenztei ler 54 hat ein größeres Teilungsverhältnis als der Fre quenzteiler 53, d. h. es gilt m < n. Das Teilungsverhältnis n vom Frequenzteiler 53 sollte größer sein als 10, um para sitäre Schaltphänomene zu unterdrücken. In Fig. 4 a circuit arrangement is shown in which the two sensor capacitances are measured 10 and 11 with the same arrangement. The sensor capacitances 10 and 11 are alternately connected by means of the electronic switch 51 to an inverter circuit 52 with a Schmitt trigger input. The output of the inverter circuit 52 is connected to the inputs of the frequency divider 53 with the division ratio n and 54 with the division ratio m. The inverter 52 forms with the capacitance-resistance combination 11 , 80 or 10 , 79 a relaxation oscillator, the output signal of which has a period that is proportional to the sensor capacitances 10 , 11 that are respectively switched on. The frequency divider 54 has a larger division ratio than the frequency divider 53 , that is to say m <n. The division ratio n from the frequency divider 53 should be greater than 10 in order to suppress parasitic switching phenomena.
Das Teilungsverhältnis des Frequenzteilers 54 wird so ge wählt, daß in Abhängigkeit von der kleinsten erzeugten Ge neratorfrequenz die geforderte Systemdynamik noch eingehal ten werden kann, da die beiden frequenzbestimmenden Zeit glieder, gebildet aus den sensorischen Kapazitäten 10 und 11 und den Ladewiderständen 79, 80 wechselseitig mit der Ausgangsfrequenz des Frequenzteilers 54 aktiviert werden.The division ratio of the frequency divider 54 is selected so that, depending on the smallest generated generator frequency, the required system dynamics can still be complied with, since the two frequency-determining times are made up of the sensor capacitances 10 and 11 and the charging resistors 79 , 80 mutually can be activated with the output frequency of the frequency divider 54 .
Über ein Differenzierglied 81, 82 wird das frequenzmodu lierte Signal des Frequenzteilers 53 in bekannter Weise ei nem Monoflop 55 zugeführt. Am Ausgang des Monoflops 55 steht wiederum ein tastverhältnismoduliertes Signal zur Verfügung, das synchron zum Umschalten der sensorischen Ka pazitäten 10, 11, Tiefpässen 57, 58 bzw. 59, 60 zugeführt wird. An jedem Tiefpaß 57, 58 bzw. 59, 60 steht somit das Abbildsignal der entsprechenden Kapazität 10, 11 zur Verfü gung und wird über Pufferverstärker 61 bzw. 62 an eine Dif ferenzverstärkeranordnung 63, 64, 65, 66, 67 angelegt.Via a differentiator 81 , 82 , the frequency modulated signal of the frequency divider 53 is supplied to a monoflop 55 in a known manner. At the output of the monoflop 55 there is again a duty cycle modulated signal which is supplied in synchronism with the switching of the sensor capacities 10 , 11 , low-pass filters 57 , 58 and 59 , 60 . At each low pass 57 , 58 and 59 , 60 , the image signal of the corresponding capacitance 10 , 11 is thus available and is applied via buffer amplifiers 61 and 62 to a differential amplifier arrangement 63 , 64 , 65 , 66 , 67 .
Die Tiefpässe 57, 58 bzw. 59, 60 und die Pufferverstärker 61 bzw. 62 bilden Analogspeicher, die die zeitlich gemulti plexten Abbildsignale der sensorischen Kapazitäten 10 bzw. 11, auch für die Zeit zwischenspeichern, in der der ent sprechende Eingang der Differenzverstärkeranordnung 63, 64, 65, 66, 67 nicht durch den Umschalter 56 angeschaltet ist. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 63, 64, 65, 66, 67 wird mit einem Tiefpaß 68, 69 nochmals geglättet.The low-pass filters 57 , 58 and 59 , 60 and the buffer amplifiers 61 and 62 form analog memories which buffer the time-multiplexed image signals of the sensor capacitances 10 and 11 , also for the time in which the corresponding input of the differential amplifier arrangement 63 , 64 , 65 , 66 , 67 is not switched on by the changeover switch 56 . The output signal of the differential amplifier 63 , 64 , 65 , 66 , 67 is smoothed again with a low pass 68 , 69 .
Verstärkung und Offset der gesamten Anordnung können am Ausgangsverstärker 70-77 eingestellt werden.Gain and offset of the entire arrangement can be set on the output amplifier 70-77 .
Der Vorteil dieser Schaltungsausführung besteht darin, daß zur Realisierung der Oszillatoren für die beiden sensori schen Kapazitäten dieselben aktiven Baugruppen genutzt wer den, wodurch sich parasitäre Effekte, wie Temperaturein fluß, Alterungsverhalten und ähnliches, in gleicher Weise auf die Abbildsignale der Sensorkapazitäten auswirken und durch Differenzbildung derselben stark unterdrückt werden.The advantage of this circuit design is that to implement the oscillators for the two sensors capacities the same active modules are used which causes parasitic effects such as temperature flow, aging behavior and the like, in the same way affect the image signals of the sensor capacities and are strongly suppressed by forming the difference.
In Fig. 5 wird zur Unterdrückung des Einflusses von parasi tären Kapazitäten des Sensors und des Invertereinganges ge genüber Masse ein Operationsverstärker 86 im Oszillator kreis verwendet, in dessen Rückkopplungszweig sich die sen sorischen Kapazitäten 10, 11 befinden. Der Ausgang 84 lie fert das Signal für den Monoflop 55, während der Ausgang 85 das Schaltsignal sowohl für den Schalter 51 als auch für den Schalter 56 generiert.In Fig. 5, an operational amplifier 86 is used in the oscillator circuit to suppress the influence of parasitic capacitances of the sensor and the inverter input compared to ground, in whose feedback branch the sensor capacitances 10 , 11 are located. The output 84 provides the signal for the monoflop 55 , while the output 85 generates the switching signal for both the switch 51 and the switch 56 .
Gemäß Fig. 6 und 7 ist die Anordnung ähnlich, wobei die sensorischen Kapazitäten im Rückkopplungszweig des Inver ters 90, 91 liegen. Das Oszillatorausgangssignal 94 wird an die Frequenzteiler 53 und 54 angelegt.Referring to FIG. 6 and 7 the arrangement is similar, wherein the sensor capacitances in the feedback branch of the Inver ters 90, 91 lie. The oscillator output signal 94 is applied to the frequency dividers 53 and 54 .
Diese Ausführung ist kostengünstig und vereinfacht eine In tegration der Gesamtanordnung in einem integrierten Schalt kreis.This version is inexpensive and simplifies the process tegration of the overall arrangement in an integrated circuit circle.
In Fig. 7 können die Zeitkonstanten der Zeitglieder 10, 95 bzw. 11, 96 getrennt abgeglichen und somit die beiden von Kapazitäten 10 und 11 erzeugten Frequenzen unabhängig von einander eingestellt werden.In FIG. 7, the time constants of the time elements 10 , 95 and 11 , 96 can be compared separately and the two frequencies generated by capacitors 10 and 11 can thus be set independently of one another.
Claims (7)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE19934313327 DE4313327A1 (en) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | Arrangement for measuring small capacitances |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19934313327 DE4313327A1 (en) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | Arrangement for measuring small capacitances |
Publications (1)
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| DE4313327A1 true DE4313327A1 (en) | 1994-10-27 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: MANNESMANN VDO AG, 60326 FRANKFURT, DE |
|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |