CS257825B1

CS257825B1 - Connection for linearization of output data at capacity measurement by resonance method

Info

Publication number: CS257825B1
Application number: CS858337A
Authority: CS
Inventors: Jozef Ondrejka; Pavel Kostecky
Original assignee: Jozef Ondrejka; Pavel Kostecky
Priority date: 1985-11-19
Filing date: 1985-11-19
Publication date: 1988-06-15
Also published as: CS833785A1

Abstract

Zapojenie rieši linearizáciu výstupného údaja pri meraní kapacity rezonančnou metódou s výstupnou veličinou v číslicovej formě, pričom zabezpečuje, aby výstupná veličina bola vždy lineárnou funkciou meranej kapacity, teda zapojenie vlastně rieši výpočet funkcie inverz- nej k závislosti medzi rozdielovou frekvenciou (rozladěním) a kapacitou, ktorá rozladenie vyvolává. Zapojenie sa vyznačuje tým, že vstup né impulzy rozdielovej frekvencie sú vedené cez hradlo, ovládané generátorem, jednak na hlavný čítač, jednak na čítač korekoie a pomoc ný čítač korekcie. Po každom jeho naplnění sa inkrementuje čítač korekčných cyklov a jeho stav sa po každom naplnění čítača korekcie paralelné přepisuje do predvolitelného čítača, súčasne s tým sa mění stav klopného obvodu ria- denia korekcie, čím je vyvolané dekrementova- nie predvolitelného čítača pulzami generátora, pomocných hodinových pulzov až do vyprázdnenia predvolitelného čítača. Kým toto nastane, im pulzy z generátora cez súčtové hradlo sú pri- vadzané na hlavný čítač, dochádza teda k pra videlnému pridávaniu vstupných pulzov do hlav- ného čítača, v čom je podstata lineárizácie . Ďalej po ukončeni měrného intervalu generáto- rom sa stav hlavného čítača paralelné přepíše do přechodovéj pamSti, kde zostáva uchovaná linearizovaná výstupná veličina vo formě čís licového údaja. Na povel generátora taktiež prechádzajú všetky*obvody do kludového stavu až do začiatku áalšieho měrného intervalu.The circuit solves the linearization of the output data when measuring capacitance by the resonance method with the output quantity in digital form, while ensuring that the output quantity is always a linear function of the measured capacitance, i.e. the circuit actually solves the calculation of the function inverse to the dependence between the difference frequency (detuning) and the capacitance that causes the detuning. The circuit is characterized by the fact that the input pulses of the difference frequency are led through a gate, controlled by a generator, both to the main counter and to the correction counter and the auxiliary correction counter. After each filling, the correction cycle counter is incremented and its state is rewritten in parallel to the preselected counter after each filling of the correction counter, at the same time the state of the correction control flip-flop changes, which causes the preselected counter to be decremented by the generator pulses, auxiliary clock pulses until the preselected counter is emptied. While this is happening, the pulses from the generator through the summation gate are fed to the main counter, so the input pulses are added regularly to the main counter, which is the essence of linearization. Further, after the completion of the measuring interval by the generator, the state of the main counter is rewritten in parallel to the transient memory, where the linearized output quantity remains stored in the form of digital data. At the command of the generator, all circuits also go into a quiescent state until the beginning of the next measuring interval.

Description

257825257825

Vynález sa týká zapojenia pre lineárizáciu výstupného údaja prl meraní kapacity rezonanč-nou metodou číslicovým spósobom, využívajúceho výhradně integrované obvody nízkého stupňaintegrácie neprogramovatelného charakteru.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a connection for linearizing the output data of a measurement of the capacitance of a resonance method by a digital method using exclusively low-integration integrated circuits of non-programmable character.

Doteraz známe zapojenia pre meranie kapacity využívájúce rezonanční! metodu, ktorejorganicky prislúcha integračný charakter merania a s tým súvisiaca vysoká přesnost, sú nútenérespektovat fakt nelineárnej funkčnej závislosti medzi rozdielovou frekvenciou ako bezprostrednemeronosnou veličinou s kapacitou, ktorá rozladenie vyvolává. Ak je výstupná veličina požadovanáako lineárna funkcia meranej kapacity, je nutné výstupný údaj linearizovať. Doteraz známezapojenia toto realizujú bud analogovým spósobom, tj. převedením nameranej rozdielovej frekven-cie na úměrně jednosměrné napStie a jeho dalšom spracovaní analogovým nelineárným obvodom,alebo číslicovým spósobom pomocou tabulky korešpondujúcich korigovaných a nekorigovaných „ hodnót uloženej v pamSti typu PROM pričom obvod realizuje vyhladanie adresy tabulkovej hodnotynajbližšej k nameranej frekvencie a vyčítanie hodnoty korigovanej linearizovanej výstupnejveličiny, alebo dalším číslicovým spósobom a to priamym výpočtom pomocou systému na bázemikroprocesora funkcie inverznej k závislosti rozdielovej frekvencie na meranej kapacitěs použitím nameranej hodnoty rozdielovej frekvencie ako vstupného argumentu.So far known resonance capacitance measurement circuits! the method of which the integration character of the measurement and the associated high accuracy are related, are compelled to respect the fact of the nonlinear functional dependence between the differential frequency as the immediate imperfect quantity with the capacity that causes the disintegration. If the output variable is required as a linear function of the measured capacity, it is necessary to linearize the output. The prior art connections do so either in an analogous manner, ie by converting the measured differential frequency into a proportionally unidirectional voltage and its further processing by an analog nonlinear circuit, or by a numerical method using a table of corresponding corrected and uncorrected values stored in the PROM type memory while the circuit performs a table address search. the value closest to the measured frequency and reading the value of the corrected linearized output magnitude, or by another numerical method, by direct calculation using a system based on the microprocessor inverse of the dependence of the differential frequency on the measured capacitance using the measured differential frequency value as an input argument.

Uvedené spósoby sa vyznačújú nevýhodami a to - v poradí uvedených spósobov všeobecnenízká přesnost a stálost nastavenia analogových zariadení tj. prevodníkov pre meracie účelyna analogovéj báze, případné nutnost použitia naprogramovanéj súčiastky napr. parnáti PROM,pričom zostavený a zapísaný program vyhovuje iba pre jediný súbor parametrov měrného obvodunapr. základná frekvencia a základná kapacita rezonančného obvodu rozladovaného oscilátora.The above-mentioned methods are characterized by disadvantages, namely - in the order of the above mentioned methods, there is a general lack of accuracy and stability of setting of analog devices, ie converters for measuring purposes of analogue base, eventual necessity of using a programmed component, for example, PROM transmitters, where the program compiled and written complies only with one set of specific measurement parameters obvodunapr. basic frequency and basic capacity of resonant circuit of the disrupted oscillator.

Je sice možné inherentnú nespojitosí lineárizácie lubovolne zjemňovat, ovšem za cenunárastu potrebnej kapacity pamSti a zvýšenej zložitosti obvodu, generovania adries, komparovanianameraného údaja, připadne nutnost použitia kompletného mikroprocesorového výpočtovéhosystému spolu s programom uloženým v pamati. Výpočet je vždy nutné prevádzať aproximatív-ne - rozvojom inverznej funkcie do potenčného radu a uvažováním konečného počtu členov,nakolko póvodná funkcia obsahuje odmocninu.Although it is possible to refine the inherent discontinuity of linearization arbitrarily, it is necessary to use a complete microprocessor computational system together with a program stored in memory, provided that the necessary memory capacity and increased circuit complexity, address generation, comparative data is increased. It is always necessary to calculate the calculation by means of an approximation - by developing the inverse function into the potency series and considering the final number of members, since the parent function contains the root.

Pri použití běžných 8-bitových mikroprocesorov je dlžka slova z hladiska potrebnejpřesnosti nedostačujúca, čo si vynucuje používanie viacnásobnej aritmetiky za cenu podstat-ného zvačšenia rozsahu a času vykonania programu. Táto okolnost znesnadňuje případné využitiemikroprocesorového systému pre riadenie celého merania v režime time-sharing.Using conventional 8-bit microprocessors, the word length is insufficient for the need for precision, which necessitates the use of multiple arithmetic at the cost of substantial program scale and execution time. This circumstance makes it difficult to use a microprocessor system to control the whole measurement in time-sharing mode.

Uvedené nevýhody odstráňuje zapojenie pre lineárizáciu výstupného údaja pri meraníkapacity rezonančnou metodou podlá vynálezu, jehož podstata je v tom, že obsahuje čítačkorekcie, pomocný čítač korekcie a čítač korekčných cyklov, pričom čítacie vstupy prvýchdvoch sú zapojené na výstup hradla, ktorého vstupy sú zapojené jednak na zdroj meranýchpulzov, ako aj na výstup generátora měrného intervalu.The above drawbacks are eliminated by the wiring for linearizing the output data at the capacitance measurement by the resonance method according to the invention, which comprises reading corrections, an auxiliary correction counter and a correction cycle counter, wherein the input inputs of the first inputs are connected to the gate output whose inputs are connected to the source the measured pulse as well as the output of the specific interval generator.

Jeho nulovaci, výstup je spojený s nulovacími vstupmi všetkých čitačov okrem predvolitel-ného čítača. Jeho vstup předvolby je spojený s paralelným výstupom čítača korekčných cyklov,ktorého čítači vstup je zapojený na výstup naplnenia pomocného čítača korekcie. Povelovývstup přepisu predvolitelného čítača je spojený s výstupom čítača korekcie a je na nej zapo-jený aj jeden riadiací vstup klopného obvodu riadenia korekcie, pri čom jeho druhý riadiacivstup je spojený s výstupom vyprázdnenia predvolitelného čítača, ktorého nulovaci vstupje zapojený na inverzný výstup klopného obvodu, ktorého priamý výstup je spojený s jednýmvstupom hradla korekcie.Its resetting, the output is connected to the zeroing inputs of all the readers except the preset counter. Its preset input is coupled to a parallel output of the correction cycle counter whose counter input is connected to the fill counter output of the correction counter. The preset counter override command input is coupled to the correction counter output and also includes one control input of the correction control flip-flop, its second control input being coupled to the output of the preselect counter whose reset input is connected to the inverse output of the flip-flop whose the direct output is connected to one gate of the correction gate.

Jeho druhý vstup je zapojený na výstup generátora pomocných hodinových pulzov. Výstuphradla korekcie je zapojený na čítači vstup predvolitelného čítača a cez súčtové hradlo,ktorého další vstup je připojený spolu s čítacími vstupmi čítača korekcie a pomocného čítačakorekcie na výstup hradla - jehož jeden vstup je spojený so zdrojom meraných pulzov - načítači vstup hlavného čítača, ktorého výstup je paralelné přepojený so vstupom prechodovejpamati. 3 257825 Výhoda zapojenia podlá vynálezu spočívá v tom, že je jednoduchšie čo do počtu a druhupoužitých súčiastok, ako aj čo do nastavovania a uvádzania do chodu. Využívá iba integrovanéobvody nízkého a stredného stupňa integrácie, bez nutnosti aplikovat pamatové obvody, aleboobvody mikroprocesorového systému. Postup linearizácie rešpektuje kvadratický člen v rozvojifunkcie inverznej k závislosti rozdielovej frekvencie na meranej kapacitě do potenčnéhoradu. Zapojenie je možné snadno prispósobovať k zmene základných prametrov měrného obvoduiba přestavením maximálněj kapacity čítača korekcie a pomocného čítača korekcie.Its second input is connected to the output of the auxiliary clock pulse generator. The output of the correction is connected to the counter input of the preset counter and through the sum gate, whose other input is connected together with the read inputs of the counter counter and the counter counter to the gate output - one input of which is connected to the source of the measured pulses - reader input of the main counter whose output is parallel to the transition memory input. The advantage of the connection according to the invention is that it is simpler in terms of number and second used components, as well as in setting and starting. It uses only low and medium integration integrated circuits without the need to apply memory circuits or microprocessor circuits. The linearization procedure respects the quadratic element in the development of the inverse function to the dependence of the differential frequency on the measured capacity up to the top. The wiring can be easily adjusted to change the basic measurement circuitry by adjusting the maximum capacity of the correction counter and the auxiliary correction counter.

Prikladom konkrétného vyhotovenia predmetu vynálezu je zapojenie podlá bodu 1 definície,znázorněné na priloženom výkrese obr. 1, ktorý objasnňuje spojenie jednotlivých častí.An example of a particular embodiment of the invention is the connection according to clause 1 of the definition, shown in the accompanying drawing Fig. 1, which illustrates the connection of individual parts.

Pre uskutočnenie linearizácie je použitý čítač 2 korekcie, ktorého čítači vstup 21 je připojenýna výstup 153 hradla £, ktorého druhý vstup 152 je zapojený na výstup 121 měrného intervalugenerátore 12 měrného intervalu, pričom výstup 123 nulovacieho pulzu tohto generátora jezapojený súčasne na nulovacie vstupy 22, 32, 42, 102 čítačov 2 korekcie, pomocného čítača£ korekcie, čítača £ korekčných cyklov aj hlavného čítača £0, ktorého čítači vstup 101 jepřipojený na výstup 93 súčtového hradla £, ktorého prvý vstup 91 je připojený spolu s čítacímivstupmi 21, 31“čítača 2 korekcie a pomocného čítača £ korekcie na výstup 153 hradla £, pričomvstup pulzov rozdielovej frekvencie je vedený na prvý vstup 151 hradla JI, pričom paralelnývýstup 103 hlavného čítača 10 je zavedený na paralelný vstup 111' prechodovej pamati 11,ktorej paralelný výstup 113 móže byt připojený na zobrazovaciu jednotku a vstup 112 poveluparalelného zápisu je zapojený na výstup 122 povelu zápisu generátora 12 měrného intervalu, Sálej výstup 33 indikujúci naplnenie pomocného čítača £ korekcie kontaktuje čítači vstup41 čítača £ korekčných cyklov, právě tak ako výstup 23 indikujúci naplnenie čítača 2 korekcie,sa pripája na vstup 53 povelu paralelného přepisu predvolitelného čítača 5 a taktiež naprvý riadiací vstup 81 klopného obvodu £ riadenia korekcie, na ktorého druhý riadiaci vstup82 je připojený výstup 54 indikujúci vyprázdnenie predvolitelného čítača 5, zatial čo nulovacívstup 52 predvolitelného čítača £ je připojený na inverzný výstup 84 klopného obvodu 8 riadeniakorekcie, ktorého priamý výstup 83 kontaktuje druhý vstup 62 hradla 6 korekcie, jeho výstup63 je napojený na vstup 53 povelu paralelného přepisu predvolitelného čítača 5, ktoréhoparalelný vstup 55 předvolby je priamo spojený s paralelným výstupom 43 čítača £ korekčnýchcyklov, zároveň je ale výstup 63 hradla 6 korekcie spojený aj s druhým vstupom 92 súčtovéhohradla _9, zatial čo prvý vstup 61 hradla £ korekcie je zapojený na výstup 71 generátora2 pomocných hodinových pulzov.To perform the linearization, a correction counter 2 is used whose counter input 21 is connected to the gate output 153, whose second input 152 is connected to the output 121 of a specific interval interval generator 12, while the output 123 of the reset pulse of this generator is connected simultaneously to the zeroing inputs 22, 32 , 42, 102 of the correction counters 2, the auxiliary correction counter 6, the correction cycle reader 6, and the main counter 60, whose counter input 101 is connected to the sum gate output 93, whose first input 91 is connected to the counter inputs 21, 31 ' correction correction and auxiliary counter £ at gate 153 output, wherein the differential frequency pulse input is fed to first gate input 151, with parallel output 103 of main counter 10 being input to parallel input 111 'of memory 11, whose parallel output 113 may be coupled to display unit and 112 p input The parallel output 33 is connected to the output command 122 of the interval generator 12, the output 33 indicating the filling of the auxiliary counter 6 contacts the counter input 41 of the counter of the correction cycles, as well as the output 23 of the counter reading 2 is connected to the input 53 of the parallel write command. the pre-selectable counter 5 and also the other control input 81 of the correction control flip-flop circuit 8, to which the output 54 indicating the emptying of the pre-selectable counter 5 is connected, while the zero-input 52 of the pre-selectable counter 8 is connected to the inverse output 84 of the flip-flop circuit 8 whose direct the output 83 contacts the second input 62 of the correction gate 6, its output63 is connected to the input 53 of the parallel override command of the preselect counter 5, which parallel preset input 55 is directly connected to the parallel output 43 of the counter cork nýchcyklov same time is the output 63 of gate 6 is also connected to the correction to the second input 92 súčtovéhohradla _9, while the first input gate 61 £ correction is connected to the output 71 of the auxiliary clock pulses generátora2.

Na začiatku každého cyklu merania kapacity sú z výstupu 123 nulovacieho pulzu od generátora12 měrného intervalu vynulované čítač 2 korekcie, pomocný čítač 3 korekcie, čítač £ korekčnýchcyklov a hlavný čítač 10 - netýká sa predvolitelného čítača 5, ktorého činnost .je iniciovanáparalelným prepisom 2 paralelného výstupu 43 čítača £ korekčných cyklov - súčasne sa cezdruhý vstup 152 hradla £ signálom z výstupu 121 měrného intervalu generátora 12 měrného intervalutoto hradlo otvára a pulzy rozdielovej frekvencie začínajú plnit čítač 2 korekcie a pomocnýčítač £ korekcie a cez súčtové hradlo 9 aj hlavný čítač 10.At the start of each capacity measurement cycle, the counter 2, the auxiliary correction counter 3, the correction cycle counter 8, and the main counter 10 are reset from the zero pulse output 123 to the specific interval generator 12, and the main counter 10 is not related to the pre-selectable counter 5 whose operation is initiated by the parallel transcription 2 of the parallel output 43 the correction cycle counter - simultaneously, the gate opens through the second gate input 152 with the signal from the output interval 121 of the specific interval generator 12, and the differential frequency pulses start to fill the correction counter 2 and the correction counter a and the main counter 10 through the summing gate 9.

Maximálna kapacita čítača 2 korekcie a pomocného čítača £ korekcie je stanovená s ohla-dom na najvyššiu dosiahnutelnú přesnost linearizácie na danom rozsahu merania. Každé naplneniepomocného čítača £ korekcie znamená inkrementáciu čítača £ korekčných cyklov o jednotku,zatial čo po každom naplnění čítača £ korekcie sa signálom z výstupu 23 indikujúceho naplneniečítača 2 korekcie cez vstup 53 povelu paralelného přepisu obsah čítača £ korekčných cyklovdo predvolitelného čítača 5. Súčasne sa tým istým signálom cez prvý riadiací vstup 81 klopnéhoobvodu 8 riadenia korekcie odblokuje na druhom vstupe 62 hradla £ korekcie postup rýchlychpomocných hodinových pulzov, ktorých zdrojom je generátor 7 pomocných hodinových pulzov,cez prvý vstup 61 hradla £ korekcie na výstup 63 hradla £ korekcie a odtial na čítači vstup51 predvolitelného čítača £.The maximum capacitance of the correction counter 2 and the correction counter 6 is determined with reference to the highest achievable linearization accuracy over a given measurement range. Each filling of the auxiliary correction counter means the increment of the correction cycle counter by one unit, while each time the correction counter is loaded, the signal from the counter-reading indicating output 23 through the parallel override command input 53 is read by the counter. the signal through the first control input 81 of the correction control flip-flop 8 unlocks on the second gate input 62 the correction of the clockwise pulses, the source of which is the auxiliary clock pulse generator 7, through the first gate input 61 of the correction to the output 63 of the correction gate and the input51 from the counter. preset counter £.

Tento čítač je uvedenými pulzami postupné dekrementovaný, pri čom tieto pulzy sú súčasne cez druhý vstup 92 súčtového hradla £ superponované na čítači vstup 101 hlavného čítača 10.This counter is sequentially decremented by said pulses, wherein these pulses are simultaneously superimposed on the counter input 101 of the main counter 10 via the second sum gate input 92.

Claims

The auxiliary clock pulse generator T_ must be selected so large as to prevent overlapping of pulses at the first input 91 and the second sum gate input 92. The said state only lasts until the preselect counter is emptied, if a preselected emptying signal 54 occurs. the counter 2 flips the correction control flip-flop 8 to the initial state and the procedure of the rapid auxiliary clock pulses 6 of the correction is blocked. The new correction cycle is initiated by further filling the correction counter 2. It will be appreciated that in each correction cycle, the content of the main counter 10 is increased, in addition to the number of pulses of the incoming gate 153, by the number of rapid pulses of the auxiliary clock pulse generator 2, which is determined by the instantaneous counter cycle counter 2, and the frequency of the correction cycles determined by the counter feed rate 2 of the correction . While this discrepancy is discontinuous, its maximum error may be arbitrarily reduced by increasing the frequency of the correction cycles. Obviously, due to the correction algorithm, there is a quadratic - and partly cubic - co-ordination according to the capacitance of the auxiliary counter 2 of the correction member in the potential development of the inverse function to the dependence of the differential frequency on the measured capacity. Upon termination of the signal at the specific measure interval output 121 of the specific interval generator 12 generated through the write command output 122 from the interval generator 12, a command to parallel override 103 of the main counter 10 to the downlink memory 11 via its parallel input 111 is output and at this point is already output the linearized signal available to the parallel output 113 of the transition memory 11. The gate 2 and the gate 2 of the correction are blocked, the entire circuit remains in the idle state until the beginning of a new measurement cycle by a signal from the output interval 121 of the specific interval generator 12. The object of the invention can be used both on the actual measurement of capacities, on the smallest of the order of magnitude up to 1000 pF - typical application possibilities are the capacitance and voltage dependence meters of semiconductor structures - on the other hand using capacitive sensors (sensors) of non-electrical quantities - e.g. shifts in industrial automation by robotics, where small capacitance measurement is required. capacitance differences, wherein the output variable is required in digital form as a linear function of the measured capacity, respectively. capacity change. Similar use can be made for static or dynamic pressure. OBJECT OF THE INVENTION A connection for linearizing the output data when measuring the capacitance of the resonance method, comprising a counter (2), an auxiliary counter (3) and a counter (4) of the counter cycles, wherein the counter inputs (21), (31) of these counters (2) (3) are connected to the output (153) of the gate (1), the first input (151) of which is connected to the output of the measured pulse source, while the second input (152) of the gate (1) is connected to the output (121) of the generator ( 12) a specific interval whose output (123) is coupled to the reset inputs (22), (32), (42) of the correction counter (2), the auxiliary counter (3) of the correction and the counter (4) of the correction cycles, as well as the zero input ( 102) of the main counter (10) and the counter input (41) of the correction cycle counter (4) is connected to the output (33) of the auxiliary counter reader (3), and the parallel output (43) of the correction cycle counter (4) associated with the parallel input (55) preset for a double reader (5) whose parallel override command input (53) is connected to the output (23) of the correction counter (2) and whose empty indication output (54) is applied to a second control input (82) of the correction control flip (8) of which the first control input (81) is also connected to the output (23) of the correction counter (2), the inverse output (84) and the direct output (83) of the correction control flip-flop (8) being connected: first to the reset input (52) of the preset counter ( 5) and a second input (62) of a correction gate (6), the input (61) of which is connected to the output (71) of the auxiliary clock pulse generator (7), while the output (63) of the correction (6) is coupled to the reading input ( 51) of a pre-selectable reader (5) and at the same time it is connected to the second 5 257825 of the summation gate (92) of the summation gate (9), the first input (91) of which is connected to the gate output (153) and simultaneously to the reading inputs (21) , (31) a counter (2) for correction and assistance o a correction counter (3), wherein the summation gate output (93) of the summation gate (9) is connected to the reading input (101) of the main counter (10), the parallel output (103) of which is coupled to the parallel input (111) of the transient slot (11), whose parallel write command (112) is coupled to the output (122) of the interval generator (12) and whose parallel output (113) is coupled to the output device. 1 drawing