DE102018115232A1 - Elektronischer Kapazitätsumsetzer mit Störeinflusskompensation, integrierter Schaltkreis und Verfahren zur störeinflusskompensierten elektronischen Kapazitätsumsetzung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Kapazitätsumsetzer (1, 5, 10, 15, 20), der einen Oszillator (K) aufweist, der einen Kapazitätswert (C, C) einer an einem Oszillatoreingang elektrisch angeschlossenen elektrischen Kapazität (C, C) auf eine vorherbestimmbare Oszillationsdauer (T, T, T) eines an einem Oszillatorausgang ausgegebenen Ausgangssignals (U) abbildet, wenigstens zwei Eingangsanschlüsse (E, E) zum elektrischen Anschließen jeweils einer elektrischen Kapazität (C, C) an je einen der Eingangsanschlüsse (Eo, E), eine steuerbare Umschalteinrichtung (Q), die abhängig von einem ihr zugeführten Steuersignal (S) einen definierten der Eingangsanschlüsse (E, E) elektrisch mit dem Oszillatoreingang verbindet, eine Zeitmesseinrichtung (B), die die Oszillationsdauer (T, T, T) des Ausgangssignals (U) misst und als Zeitmesswert bereitstellt, eine Zähleinrichtung (Z) mit wenigstens einem Zählschritt, die die Anzahl der von der Zeitmesseinrichtung (B) bereitgestellten Zeitmesswerte als Zählwert zählt und der Umschalteinrichtung (Q) das Steuersignal (S) zuführt, das abhängig vom aktuellen Zählwert so gewählt ist, um einen definierten der Eingangsanschlüsse (E, E) elektrisch mit dem Oszillatoreingang zu verbinden, wenigstens eine Speichereinheit (M), die wenigstens einen von der Zeitmesseinrichtung (B) bereitgestellten Zeitmesswert speichert, und wenigstens eine Vergleichseinheit (Re), die eingerichtet und angeordnet ist, wenigstens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Zeitmesseinrichtung (B) bereitgestellte Zeitmesswerte über eine vorherbestimmbare Rechenregel miteinander zu verknüpfen und das Verknüpfungsergebnis als Vergleichswert bereitzustellen, wobei wenigstens einer der zu verknüpfenden Zeitmesswerte der in der Speichereinheit (Mo) zuvor gespeicherte Zeitmesswert ist.Die Erfindung betrifft ferner einen integrierten Schaltkreis (6) mit einem elektronischen Kapazitätsumsetzer (1, 5, 10, 15, 20) sowie ein Verfahren zur störeinflusskompensierten elektronischen Kapazitätsumsetzung.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Kapazitätsumsetzer mit Störeinflusskompensation, eine integrierte Schaltung mit einem störeinflusskompensierten elektronischen Kapazitätsumsetzer sowie ein Verfahren zur störeinflusskompensierten elektronischen Kapazitätsumsetzung.
• In vielen Bereichen der Technik ermöglicht die Erfassung von elektrischen Kapazitätswerten Rückschlüsse auf die Position von Objekten, die Dichte von Gasen, Stoffkonzentrationen, Füllstände und andere Größen, also auf Größen, deren Erfassung häufig von technischem oder wissenschaftlichem Interesse ist.
• Hierzu ist zunächst eine Anordnung mit kapazitiver Wirkung erforderlich, bei der eine Änderung der zu erfassenden (technischen) Größe in aussagekräftiger Weise mit der kapazitiven Wirkung der Anordnung korreliert. Durch Erfassung der Kapazität der Anordnung ist dann ein Rückschluss auf die zu erfassende Größe möglich. Eine solche Anordnung ist im Folgenden als Kapazitätsinstrument bezeichnet.
• Ein solches Kapazitätsinstrument dient dem Zweck, eine nichtelektrische Größe wie zum Beispiel Position, Dichte, Abmessung, Füllhöhe etc. auf eine elektrische Größe, nämlich eine elektrische Kapazität, abzubilden.
• Durch Erfassung der elektrischen Kapazität eines solchen Kapazitätsinstrumentes ist es dann unter Kenntnis des Zusammenhangs zwischen der zu erfassenden, nichtelektrischen Größe und der elektrischen Kapazität des Kapazitätsinstrumentes möglich, Rückschluss auf die das Kapazitätsinstrument beeinflussende nichtelektrische Größe zu ziehen.
• Da ein elektrischer Kapazitätswert für menschliche oder technische Auswertung oder Weiterverarbeitung häufig sehr schlecht zugänglich ist, ist die Umsetzung des elektrischen Kapazitätswertes in eine andere elektrische Größe wie beispielsweise in eine elektrische Spannung, in einen elektrischen Strom oder in einen elektrisch codierten Datenwert - im Allgemeinen in ein elektrisches Signal, das für Zwecke der Weiterverarbeitung oder Darstellung entsprechend geeignet ist - sinnvoll. Eine solche Anordnung wird im Folgenden als Kapazitätsumsetzer bezeichnet.
• Häufig ist basierend auf dem durch den Kapazitätsumsetzer bereitgestellten elektrischen Signal auch eine Entscheidung zu treffen wie z. B. „Grenzwert erreicht“ oder „Grenzwert unterschritten“ oder der erfasste Kapazitätswert soll noch in weiter geeigneter Weise abgebildet werden, wobei die weitere Abbildung linear oder nichtlinear erfolgen kann. Im Allgemeinen wird der erfasste Kapazitätswert also in einem weiteren Aufbereitungsschritt mittels einer Ausgangsfunktionseinheit gemäß einer mathematisch beschreibbaren Funktion abgebildet, die auch zeitdiskrete Rückkopplungen enthalten kann, also nicht in jedem Fall analytisch darstellbar sein muss.
• Eine kapazitiv arbeitende Messeinrichtung besteht somit mindestens aus einem Kapazitätsinstrument und mindestens einem Kapazitätsumsetzer. Sinnvoll kann es sein, eine solche kapazitiv arbeitende Messeinrichtung noch durch eine Ausgangsfunktionseinheit zu ergänzen, um ein auf den jeweiligen Anwendungsfall optimiertes bzw. bereits vorverarbeitetes oder ausgewertetes Messsignal zu erhalten.
• In der Praxis zeigt sich, dass in vielen Fällen die Konstruktion eines geeigneten Kapazitätsinstruments mit einfachen Mitteln möglich ist, so dass kapazitive Messeinrichtungen - insbesondere auch zur Erfassung nichtelektrischer Größen - weit verbreitet sind. Insbesondere gegenüber mechanisch arbeitenden Instrumenten zeichnen sich solche Kapazitätsinstrumente üblicherweise durch die Abwesenheit bewegter Teile und den nicht erforderlichen physischen Kontakt mit dem zu messenden Objekt aus.
• Besondere Bedeutung kommt bei kapazitiven Messeinrichtungen dem Kapazitätsumsetzer zu, da dieser in der Regel komplexer aufgebaut ist und da dessen Komponenten - naturgemäß elektrische bzw. elektronische Bauteile - üblicherweise Störbeeinflussungen unterliegen, die die Genauigkeit der Umsetzung des elektrischen Kapazitätswertes beeinträchtigen können.
• Da der Kapazitätsumsetzer eine elektrische Größe, nämlich die elektrische Kapazität des Kapazitätsinstrumentes, in eine andere elektrische Größe, nämlich in ein elektrisches Ausgangssignal wie vorstehend beschrieben, umzusetzen hat, handelt es sich hierbei typischerweise um eine elektrisch bzw. elektronisch arbeitende Vorrichtung.
• Die elektrische Kapazität C einer bestimmten, physikalisch beschreibbaren Anordnung ist definiert als die Änderung der elektrischen Ladung Q dieser physikalischen Anordnung in Bezug auf die Änderung der elektrischen Spannung U zwischen zwei Messstellen dieser Anordnung: $C=\frac{Q}{U}$

  
• Aus der vorstehenden Formel $C=\frac{Q}{U}$

  

  folgt mit Q = I· t : $$C=t\cdot \frac{I}{U}$$

  
• Damit wird klar, wie die elektrische Kapazität mit gut erfassbaren elektrischen Größen wie Spannung, Strom und Zeit verknüpft ist.
• Um eine zu messende elektrische Kapazität in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wird sie zumeist mit einem Testsignal, wie z. B. einem bestimmten Strom, beaufschlagt und das Ladeverhalten der elektrischen Kapazität wird beobachtet.
• Um eine elektrische Kapazität beispielsweise mit einem konstanten Strom / von einer Spannung U₁ auf eine Spannung U₂ aufzuladen, wird eine Ladung $$Q_d=\frac{C}{U_2-U_1}$$

  

  benötigt.
• Ist hierbei der Ladestrom I_L konstant, so vergeht dabei die Zeit: $$T_L=\frac{Q_d}{I_L}=C\cdot \frac{U_2-U_1}{I_L}$$

  
• Entsprechend wäre es auch möglich, andere Eingangsgrößen konstant zu halten, wie beispielsweise die Zeit, in der die Umladung vorgenommen wird, und den Strom zu messen, der dabei in die zu erfassende elektrische Kapazität fließt.
• Wird eine solche Umladung wiederholt durchgeführt, spricht man auch von Schwingungsvorgängen bzw. Oszillationen und bezeichnet die dafür eingesetzte Schaltungstechnik als Oszillator. Jedoch wird auch eine Schaltung, die einen solchen Vorgang einzeln ablaufen lässt, üblicherweise als Oszillator bezeichnet, z. B. engl. „One Shot Oscillator“ oder auch „Monoflop“. Eine solche Einzelschwingung wird dann lediglich bei Bedarf ausgelöst, also für eine einzelne Messung.
• Ein beispielhafter, aus dem Stand der Technik allgemein bekannter Oszillator, der basierend auf einer an der zu messenden elektrischen Kapazität hervorgerufenen Spannungsänderung eine kapazitätsproportionale Zeitdifferenz generiert, ist in 1 dargestellt. 1 stellt ein Prinzipschaltbild eines Hystereseoszillators gemäß dem Stand der Technik dar, 2 einen zeitlichen Signalverlauf am Hystereseoszillator aus 1. Nachfolgend wird zum Zweck eines leichteren Verständnisses der später hierin offenbarten Erfindung zunächst anhand der 1 und 2 die grundlegende Funktionsweise einer Kapazitätsbestimmung mittels Hystereseoszillator beschrieben.
• Die in 1 gezeigte Schaltung besteht aus einem aus dem Stand der Technik bekannten Komparator K, dessen Ausgangssignal annähernd die positive Versorgungsspannung annimmt, sofern das mit „+“ gekennzeichnete Eingangssignal eine gegenüber dem mit „-“ gekennzeichneten Eingangssignal positive Spannung führt. Ist die beschriebene Eingangsspannungsdifferenz negativ, so führt der Ausgang annähernd die negative Versorgungsspannung. Die Eingangsströme eines Komparators sind in der Regel vernachlässigbar.
• Als gemeinsame Masseleitung wird das negative Versorgungspotenzial U_n des Komparators K betrachtet. Dieses bildet gemäß dem in 1 gegebenen Schaltungsbeispiel auch das Bezugspotenzial für die Spannung an der zu messenden Kapazität C.
• Geht man davon aus, dass das Ausgangssignal U_osc nur die positive oder nur die negative Versorgungsspannung annimmt, so entspricht dies prinzipiell einem Umschalter, der das Ausgangssignal entweder mit der positiven Versorgungsspannung verbindet oder mit der negativen Versorgungsspannung, je nachdem, ob die Eingangsspannungsdifferenz positiv oder negativ ist. Diese gedachte Umschaltung ist als Umschalter S in der Darstellung des Komparators gestrichelt eingezeichnet.
• Im Falle der positiven Ausgangsspannung liegt der Widerstand R_h dann mit dem Widerstand R_o parallel geschaltet und im Falle der negativen Ausgangsspannung liegt R_h mit R_u parallel geschaltet.
• Im ersten Fall ergibt sich ein höheres Spannungspotenzial an U_h als im zweiten Fall, so dass über die Mitkopplung durch R_h die Spannung U_h stets den Wechseln der Ausgangsspannung U_osc teilweise folgt, wobei die Wechsel an U_h stets geringer ausfallen, als die Wechsel der Ausgangsspannung U_osc , da der Widerstand R_h gegen die Widerstände R_o und R_u wiederum einen Spannungsteiler darstellt und nur einen Teil der Spannungsänderung an U_osc auf U_h überträgt.
• Neben der Beeinflussung der Komparatoreingangsspannung U_h durch die Ausgangsspannung des Komparators beeinflusst die Komparatorausgangsspannung U_osc auch die zu messende Kapazität C, indem über den Widerstand R_c eine Aufladung der zu messenden Kapazität C auf die Spannung des Komparatorausgangs U_osc erfolgt. Sofern die Spannung an der zu messenden Kapazität C höher liegt als die Komparatorausgangsspannung U_osc , beispielsweise nach einem Umschaltvorgang des Komparators auf die negative Versorgungsspannung U_n , erfolgt auch eine Entladung der zu messenden Kapazität C über den Widerstand R_c .
• Geht man von dem Fall einer positiven Ausgangsspannung des Komparators aus, so führt die Komparatorausgangsspannung U_osc das Potenzial U_p , womit die Spannung an der zu messenden Kapazität C solange ansteigen könnte, bis sie dieses Potenzial erreicht.
• Der Komparatorausgang wird jedoch vorher auf die negative Versorgungsspannung U_n umschalten, nämlich sobald die Spannung U_c am Eingang des Komparators die Spannung U_h am anderen Eingang des Komparators überschreitet. Da mit diesem Umschaltvorgang dann gleichzeitig auch der Widerstand R_h dem Widerstand R_u parallel geschaltet wird anstelle des Widerstands R_o , fällt auch die Spannung U_h auf einen niedrigeren Wert als vorher und der Komparator kippt aus diesem neuen Zustand erst dann wieder zurück, wenn die zu messende Kapazität C über den mit der negativen Versorgungsspannung U_n beaufschlagten Komparatorausgang und den Widerstand R_c wieder auf das nun niedrigere Spannungsniveau von U_h entladen ist. Dann schließt sich wieder ein Aufladevorgang an und so weiter, d. h. der Komparatorausgang führt eine anhaltende Rechteckschwingung aus, wobei die zu messende Kapazität C permanent zwischen den beiden Spannungswerten an U_h , die sich bei Schaltung des Komparatorausgangs auf das positive bzw. das negative Versorgungspotenzial ergeben, auf- und entladen wird.
• Der zeitliche Verlauf der Spannungen U_osc , U_c und U_h ist beispielhaft in 2 dargestellt.
• Anschaulich ist es klar, dass die Dauer eines solchen Auflade- bzw. Entladevorgangs neben anderen Einflussgrößen von der zu messenden Kapazität C abhängt. Sinn eines mit einem derartigen Hystereseoszillator aufgebauten Kapazitätsumsetzers ist es, aus der Zeitdauer einer oder mehrerer solcher Umladevorgänge auf die zu messende Kapazität C zu schließen.
• Hierzu ist es zunächst erforderlich, die Spannungsgrenzen U₂ und U₁ , auf die die zu messende Kapazität aufgeladen bzw. entladen wird, also die Ladespannung U_c der zu messenden Kapazität C an den Umkehrpunkten zu kennen.
• Definiert man die untere Kippspannung U₁ des Hystereseoszillators als diejenige Spannungsdifferenz, die sich zwischen dem Komparatoreingang „+“ und der negativen Versorgungsspannung U_n bei Schaltung des Komparatorausgangs auf die negative Versorgungsspannung einstellt, sowie die obere Kippspannung U₂ als diejenige Spannungsdifferenz, die sich zwischen dem Komparatoreingang „+“ und der negativen Versorgungsspannung bei Schaltung des Komparatorausgangs auf die positive Versorgungsspannung U_p einstellt, so wird: $$U_1=\frac{U_p-U_n}{1+R_o\cdot \left(\frac{1}{R_u}+\frac{1}{R_h}\right)}$$

  

  und $$U_2=\left(U_p-U_n\right)\cdot \left(\frac{1}{1+R_u\cdot \left(\frac{1}{R_o}+\frac{1}{R_h}\right)}\right)$$

  
• Da der Ladestrom in die zu messende Kapazität C bzw. der Entladestrom aus der zu messenden Kapazität C gegeben ist durch die Spannungsdifferenz U_osc-U_c am Widerstand R_c geteilt durch den elektrischen Widerstandswert R_c , ergibt sich eine während des Ladevorgangs durch die Spannungszunahme an der zu messenden Kapazität C bedingte Abnahme der Spannung über den Widerstand R_c und somit auch eine Abnahme des Ladestroms in die zu messende Kapazität C.
• Da der Ladestrom in die bzw. aus der zu messenden Kapazität C somit von der Spannung an der zu messenden Kapazität C selbst abhängt, die wiederum gemäß $U_c=\frac{Q_c}{C}$

  

  vom Ladezustand der zu messenden Kapazität C abhängig ist, ist hier eine lineare Differentialgleichung 1. Ordnung zu lösen.
• Für den Lösungsweg sei auf die einschlägige Literatur verwiesen mit dem Ergebnis $$U_c\left(t\right)=U_1+\left(U_p-U_1\right)\cdot \left(1-e^{-\frac{t}{C\cdot R_c}}\right)$$

  
• Um die Zeit T_L zu bestimmen, die vergeht, um die zu messende Kapazität C von der Spannung U₁ auf die Spannung U₂ aufzuladen, ergibt sich mit U_c(0) = U₁ und U_c(T_L) = U₂: $$T_L=\text{ln}\left(\frac{U_p-U_1}{U_p-U_2}\right)\cdot C\cdot R_c$$

  
• Sofern alle anderen Größen konstant sind, verhält sich die Aufladedauer T_L somit proportional zu der zu messenden Kapazität C.
• Für die Entladung gilt mit U_c(0) = U₂ und U_c(T_E) = U₁: $$U_c\left(t\right)=U_2\cdot e^{-\frac{t}{C\cdot R_c}}$$

  

  und damit für die Entladedauer T_E , in der die zu messende Kapazität C von der Spannung U₂ auf die Spannung U₁ entladen wird: $$T_E=\text{ln}\left(\frac{U_2}{U_1}\right)\cdot C\cdot R_c$$

  
• Auch hier verhält sich die resultierende Zeitdauer proportional zu der zu messenden Kapazität C.
• Da der Oszillator permanent zwischen den beschriebenen Punkten hin und her schwingt, ergibt sich eine Frequenz, deren Periodendauer T_osc = T_L + T_E sich wiederum direkt proportional zu der zu messenden Kapazität C verhält. Aus der Messung dieser Periodendauer T_osc oder einer der Teilperioden T_L oder T_E ergibt sich also direkt ein linear skalierter Wert für die zu messende Kapazität C.
• In der praktischen Ausführung einer solchen Oszillatorschaltung zeigen sich einige Einflussgrößen in Form einer Abweichung der elektrischen Parameter der beteiligten Komponenten von ihrem Idealzustand. Als betroffene Komponenten sind hier zu nennen:
• - Komparator
• - Widerstände
• - Schaltungstechnische Komponenten wie Löt- und Klemmverbindungen, elektrische Leitungen etc.
• Der Komparator weicht in realen Ausführungen insbesondere in folgenden Punkten vom oben beschriebenen Idealzustand ab:
• - Die Eingangsströme des Komparators K sind nicht ganz Null und können in Abhängigkeit der Eingangsspannung, der Temperatur des Komparators und alterungsbedingten Änderungen variieren. In der Folge können durch unerwünschte Belastungen der aus den Widerständen R_o , R_u und R_h gebildeten Spannungsteilerschaltung die Kippspannungen U₁ und U₂ ihre Werte verändern, was sich auf die Teilperiodendauern T_L und T_E auswirkt und somit auch auf den daraus abzuleitenden Kapazitätsmesswert.
• - Der Komparator wechselt nicht exakt beim Wechsel der Polarität der Eingangsspannungsdifferenz den Ausgangsschaltzustand, sondern bei einer um einige Millivolt bis einige zig Millivolt höheren oder niedrigen Spannungsdifferenz. Diese sogenannte Eingangs-Offsetspannung variiert meist deutlich mit der Betriebstemperatur des Komparators, was ebenfalls die Werte der Kippspannungen U₁ und U₂ verändert.
• - Die Eingangs-Offsetspannung des Komparators ändert sich zudem mit der Zeit durch langsam ablaufende, chemische Prozesse und mechanisch bzw. festkörperphysikalisch bedingte Versprödung (Vibration, Temperaturwechsel) innerhalb der Bestandteile des Komparators. Diese Effekte werden zusammen als alterungsbedingte Drift (der Eingangs-Offsetspannung) des Komparators bezeichnet, wobei die Auswirkungen die gleichen sind, wie vorstehend beschrieben.
• Auch die Widerstände weichen in praktischen Anwendungen in einigen, wichtigen Punkten von ihrem Idealzustand ab:
• - Der Widerstandswert unterliegt einer Temperaturabhängigkeit, die in der Regel exponentiell von der Temperaturänderung gegenüber dem Bezugspunkt abhängt.
• - Der Widerstandswert unterliegt aus denselben Gründen wie beim Komparator beschrieben einer alterungsbedingten Drift.
• Alle schaltungstechnischen Verbindungen, wie z. B. Löt- und Klemmverbindungen, elektrische Leitungen etc. erzeugen bei Vorliegen eines räumlichen Temperaturgradienten sogenannte Thermospannungen, die auf dem sogenannten Seebeck-Effekt beruhen. Diese Thermospannungen addieren sich zu allen Spannungen, die die Funktion der Schaltung wesentlich bestimmen. Ihre Größe hängt von der Art der verwendeten elektrischen Leiter und der räumlichen Verteilung des Temperaturgradienten ab. Auch diese Einflüsse verändern die Schaltpunkte des Komparators.
• Alle genannten Störeffekte haben in praktischen Anwendungen die Fähigkeit, das Messergebnis der Kapazitätsmessung jeweils um einige (einstellige) Prozentpunkte zu beeinflussen. Im realen Betrieb eines solchen Kapazitätsumsetzers können schließlich durch ungünstiges Zusammentreffen mehrerer der genannten Störeinflüsse Abweichungen im zweistelligen Prozentbereich gegenüber einer einmalig durchgeführten Kalibrierung des Kapazitätsumsetzers auftreten.
• Es ist in der elektrischen bzw. elektronischen Schaltungstechnik zwar durchaus üblich, vorhersagbare Driftphänomene durch gezieltes Einbringen zusätzlicher Bauteile mit möglichst genau gegenläufigem Driftverhalten zu kompensieren, jedoch ist dies meist nur dann sinnvoll, wenn ein einzelnes oder wenige einzelne Driftphänomene mit erheblicher Auswirkung auf das zu erzielende Ergebnis zu kompensieren sind. Zudem gelingt eine solche Kompensation in der Regel auch nur teilweise, d. h. es verbleibt mindestens der Teil der Drift, der entweder gar nicht vorhersagbar ist oder zu komplex für eine exakt gegenläufige Abbildung durch eine Kompensationseinrichtung.
• Da in der vorbeschriebenen Konstruktion eines Kapazitätsumsetzers eine vergleichsweise große Zahl von Drift- und Störeinflüssen vorliegt, wobei auch keinem Einzeleffekt ein Hauptanteil an der Gesamtwirkung zugeschrieben werden kann, sind für eine gute Driftkompensation sehr viele einzelne Kompensationsmaßnahmen erforderlich, die jeweils in der Konstruktion, der Herstellung und der Kalibrierung große Aufwände verursachen. Insgesamt vervielfacht sich dadurch die Anzahl der benötigten Komponenten, was die Baugröße ebenso deutlich erhöht wie auch die Herstellkosten des Kapazitätsumsetzers. Zudem verbleibt auch immer eine signifikante Anzahl stochastisch streuender und somit nicht vorhersagbarer Drifteffekte, die nicht kompensierbar sind.
• Eine Gesamtkompensation, bei der ein einziger, der Drift des Hystereseoszillators gegenläufig angelegter Kompensationseffekt die Gesamtdrift wesentlich verringert, ist ebenfalls nicht möglich, da einige Drifteffekte linear in das Gesamtergebnis eingehen, während andere nichtlinear eingehen. Ferner liegt auch nicht allen Drifteffekten eine gemeinsame Ursache (z. B. Temperatur) zu Grunde, so dass auch diese, sonst häufig durchaus erfolgreiche Driftkompensationsstrategie hier nicht anwendbar ist.
• Anstelle oder ergänzend zur Kompensation von Drifteffekten kann auch versucht werden, Drifteffekte durch Verwendung besonders driftarmer, d. h. hochwertiger Komponenten, zu vermeiden. Hierdurch können entsprechende Drifteffekte zwar spürbar reduziert werden, was jedoch stark zu Lasten der Wirtschaftlichkeit eines solchen Kapazitätsumsetzers geht, sowie nebenbei auch zu Lasten eines miniaturisierten Bauvolumens.
• Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Kapazitätsumsetzer, einen integrierten Schaltkreis sowie ein Verfahren zur elektronischen Kapazitätsumsetzung jeweils mit einer grundlegenden Störeinflusskompensation bereitzustellen, die u. a. die vorbeschriebenen Störeinflüsse beseitigen oder zumindest erheblich verringern, ohne jedoch komplexe, aufwändige Kompensationseinrichtungen oder elektronische Kompensationsschaltungen und ohne eine Vielzahl an hochwertigen, insbesondere driftarmen, Bauteilen zu benötigen. Außerdem sollen der Kapazitätsumsetzer sowie der integrierte Schaltkreis jeweils ein kompaktes, kleines Bauvolumen aufweisen sowie kostengünstig herzustellen sein.
• Diese Aufgabe wird durch einen elektronischen Kapazitätsumsetzer mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen integrierten Schaltkreis mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie durch ein Verfahren zur störeinflusskompensierten elektronischen Kapazitätsumsetzung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
• Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
• Es sei weiterhin angemerkt, dass eine hierin verwendete, zwischen zwei Merkmalen stehende und diese miteinander verknüpfende Konjunktion „und/oder“ stets so auszulegen ist, dass in einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gegenstands lediglich das erste Merkmal vorhanden sein kann, in einer zweiten Ausgestaltung lediglich das zweite Merkmal vorhanden sein kann und in einer dritten Ausgestaltung sowohl das erste als auch das zweite Merkmal vorhanden sein können.
• Erfindungsgemäß weist ein elektronischer Kapazitätsumsetzer auf:
• - einen Oszillator, der einen Kapazitätswert einer an einem Oszillatoreingang elektrisch angeschlossenen elektrischen Kapazität auf eine vorherbestimmbare Oszillationsdauer eines an einem Oszillatorausgang ausgegebenen Ausgangssignals abbildet,
• - wenigstens zwei Eingangsanschlüsse zum elektrischen Anschließen jeweils einer elektrischen Kapazität an je einen der Eingangsanschlüsse,
• - eine steuerbare Umschalteinrichtung, die abhängig von einem ihr zugeführten Steuersignal einen definierten der Eingangsanschlüsse elektrisch mit dem Oszillatoreingang verbindet,
• - eine Zeitmesseinrichtung, die die Oszillationsdauer des Ausgangssignals misst und als Zeitmesswert bereitstellt,
• - eine Zähleinrichtung mit wenigstens einem Zählschritt, die die Anzahl der von der Zeitmesseinrichtung bereitgestellten Zeitmesswerte als Zählwert zählt und der Umschalteinrichtung das Steuersignal zuführt, das abhängig vom aktuellen Zählwert so gewählt ist, um einen definierten der Eingangsanschlüsse elektrisch mit dem Oszillatoreingang zu verbinden,
• - wenigstens eine Speichereinheit, die wenigstens einen von der Zeitmesseinrichtung bereitgestellten Zeitmesswert speichert, und
• - wenigstens eine Vergleichseinheit, die eingerichtet und angeordnet ist, wenigstens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Zeitmesseinrichtung bereitgestellte Zeitmesswerte über eine vorherbestimmbare Rechenregel miteinander zu verknüpfen und das Verknüpfungsergebnis als Vergleichswert bereitzustellen, wobei wenigstens einer der zu verknüpfenden Zeitmesswerte der in der Speichereinheit zuvor gespeicherte Zeitmesswert ist.
• Es ist anzumerken, dass die Begriffe „Kapazität“ und „Kapazitätswert“ hierin synonym verwendet werden. In seinem besonders bevorzugten Verwendungsfall setzt der erfindungsgemäße Kapazitätsumsetzer, wie bereits eingangs beschrieben, eine von einem Kapazitätsinstrument bereitgestellte elektrische Kapazität, die durch ihren Kapazitätswert gekennzeichnet ist, in eine andere elektrische Größe um, wobei das Kapazitätsinstrument die Kapazität einer technischen Anordnung mit kapazitiver Wirkung erfasst, bei der eine Änderung der eigentlich zu bestimmenden, gewöhnlich nicht elektrischen, technischen Größe der Anordnung in aussagekräftiger Weise mit der kapazitiven Wirkung der Anordnung korreliert ist. Die elektrische Erfassung dieser Kapazität ermöglicht dann einen Rückschluss auf die zu bestimmende, nicht-elektrische Größe der Anordnung.
• Weiterhin kann im Sinne der vorliegenden Erfindung unter der vorstehend genannten Oszillationsdauer sowohl eine vollständige Periodendauer des am Oszillatorausgang oszillierenden Ausgangssignals verstanden werden als auch, je nach konkreter Ausgestaltung für einen speziellen Anwendungsfall, lediglich eine Teilperiodendauer dieses oszillierenden Ausgangssignals, wie nachstehend noch ausführlicher dargelegt werden wird. Die im Folgenden verwendeten Begriffe „Periodendauer“ und „Teilperiodendauer“ sind somit als synonym zur vorstehend definierten, von der Zeitmesseinrichtung zu messenden Oszillationsdauer des Ausgangssignals des Oszillators zu verstehen.
• Des Weiteren ist das elektrische Anschließen jeweils einer Kapazität an je einen der Eingangsanschlüsse des erfindungsgemäßen Kapazitätsumsetzers so zu verstehen, dass ein elektrischer Anschluss (1. Pol) der zu erfassenden elektrischen Kapazität mit einem der genannten Eingangsanschlüsse verbunden ist und der andere elektrische Anschluss (2. Pol) der zu erfassenden elektrischen Kapazität mit einem elektrischen Bezugspotenzial, das in vorteilhafter Weise ein gemeinsam mit dem Kapazitätsumsetzer genutztes elektrisches Bezugspotenzial ist, beispielsweise ein Massepotenzial einer den Kapazitätsumsetzer speisenden elektrischen Versorgungsspannung.
• Als Zählschritt ist allgemein ein Übergang des vorgenannten Zählwerts der Zähleinrichtung von einem Ausgangswert auf einen sich vom Ausgangswert unterscheidenden Nachfolgewert zu verstehen. Bei einer Zähleinrichtung mit einem einzigen Zählschritt kann der Zählwert also beispielsweise die Werte „0“ und „1“ annehmen. Ist der Ausgangswert (Startwert) des Zählwerts vor Beginn einer Zählung zum Beispiel „1“, nimmt der Zählwert nach einer erfolgten Zählung den Wert „0“ an und nach einer weiteren Zählung wieder den Wert „1“ usw.
• Der erfindungsgemäße elektronische Kapazitätsumsetzer ermöglicht, die eingangs beschriebenen Störeinflüsse grundlegend zu kompensieren, wobei keine komplexen Kompensationseinrichtungen oder Kompensationsschaltungen, keine Vielzahl hochwertiger, insbesondere driftarmer, Bauteile und kein großes Bauvolumen benötigt werden, was ganz besondere Vorteile bietet hinsichtlich einer möglichen Miniaturisierung, niedriger Herstellungskosten sowie einer geringen Herstellungskomplexität mit erheblich reduzierter Anzahl potentieller Fehlerquellen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein integrierter Schaltkreis ein Halbleitersubstrat auf, auf dem ein elektronischer Kapazitätsumsetzer nach einer der hierin beschriebenen Ausgestaltungen angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Kapazitätsumsetzer hierbei wenigstens teilweise, das heißt insbesondere beispielsweise seine wesentlichen Komponenten, oder auch vollständig als mikroelektronische Schaltung auf dem Halbleitersubstrat ausgeführt und bildet somit einen integrierten, insbesondere hochintegrierten, Halbleiterchip.
• Bezüglich schaltkreisbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile schaltkreisbezogener Merkmale wird auf die hierin dargelegte Beschreibung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Kapazitätsumsetzers verwiesen. Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Kapazitätsumsetzers sollen in sinngemäßer Weise auch zur Definition des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises herangezogen werden können, sofern dies hierin nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenso sollen Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Kapazitätsumsetzers herangezogen werden können, sofern dies hierin nicht ebenfalls ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern wird auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile im Hinblick auf den hierin offenbarten erfindungsgemäßen Kapazitätsumsetzer und den hierin offenbarten erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreis zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet.
• Gemäß einem noch weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur störeinflusskompensierten elektronischen Kapazitätsumsetzung bereitgestellt, das wenigstens die Schritte aufweist:
• - Anschließen jeweils einer elektrischen Kapazität an je einen von wenigstens zwei Eingangsanschlüssen,
• - elektrisches Verbinden eines definierten der Eingangsanschlüsse mittels einer steuerbaren Umschalteinrichtung abhängig von einem ihr zugeführten Steuersignal mit einem Oszillatoreingang eines Oszillators,
• - Abbilden eines Kapazitätswerts der am Oszillatoreingang elektrisch angeschlossenen elektrischen Kapazität mittels des Oszillators auf eine vorherbestimmbare Oszillationsdauer eines an einem Oszillatorausgang des Oszillators ausgegebenen Ausgangssignals,
• - Messen der Oszillationsdauer des Ausgangssignals mittels einer Zeitmesseinrichtung und Bereitstellen des Messergebnisses als Zeitmesswert,
• - Zählen der Anzahl der von der Zeitmesseinrichtung bereitgestellten Zeitmesswerte als Zählwert mittels einer Zähleinrichtung mit wenigstens einem Zählschritt und Zuführen des Steuersignals zur Umschalteinrichtung, wobei das Steuersignal abhängig vom aktuellen Zählwert so gewählt wird, um einen definierten der Eingangsanschlüsse elektrisch mit dem Oszillatoreingang zu verbinden,
• - Speichern wenigstens eines von der Zeitmesseinrichtung bereitgestellten Zeitmesswerts in wenigstens einer Speichereinheit, und
• - Verknüpfen wenigstens zweier zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Zeitmesseinrichtung bereitgestellter Zeitmesswerte über eine vorherbestimmbare Rechenregel miteinander mittels einer Vergleichseinheit und Bereitstellen des Verknüpfungsergebnisses als Vergleichswert, wobei wenigstens der eine zuvor in der Speichereinheit gespeicherte Zeitmesswert der Speichereinheit als einer der zu verknüpfenden Zeitmesswerte entnommen wird.
• Auch bezüglich verfahrensbezogener Begriffsdefinitionen sowie der Wirkungen und Vorteile verfahrensbezogener Merkmale wird auf die hierin dargelegte Beschreibung sinngemäßer Definitionen, Wirkungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Kapazitätsumsetzers verwiesen. Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Kapazitätsumsetzers sollen in sinngemäßer Weise auch zur Definition des erfindungsgemäßen Verfahrens herangezogen werden können, sofern dies hierin nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist. Ebenso sollen Offenbarungen hierin bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens in sinngemäßer Weise zur Definition des erfindungsgemäßen Kapazitätsumsetzers herangezogen werden können, sofern dies hierin nicht ebenfalls ausdrücklich ausgeschlossen ist. Insofern wird auf eine Wiederholung von Erläuterungen sinngemäß gleicher Merkmale, deren Wirkungen und Vorteile im Hinblick auf den hierin offenbarten erfindungsgemäßen Kapazitätsumsetzer und das hierin offenbarte erfindungsgemäße Verfahren zugunsten einer kompakteren Beschreibung weitgehend verzichtet.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung nicht einschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert wird. In dieser Zeichnung zeigen schematisch:
• 1 ein Prinzipschaltbild eines elektronischen Hystereseoszillators gemäß Stand der Technik,
• 2 einen zeitlichen Signalverlauf am Hystereseoszillator aus 1,
• 3 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines elektronischen Kapazitätsumsetzers gemäß der Erfindung,
• 4 ein Prinzipschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels eines elektronischen Kapazitätsumsetzers gemäß der Erfindung,
• 5 ein Prinzipschaltbild eines noch weiteren Ausführungsbeispiels eines elektronischen Kapazitätsumsetzers gemäß der Erfindung,
• 6 ein Prinzipschaltbild eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels eines elektronischen Kapazitätsumsetzers gemäß der Erfindung und
• 7 ein Prinzipschaltbild eines noch weiteren Ausführungsbeispiels eines elektronischen Kapazitätsumsetzers gemäß der Erfindung.
• In den unterschiedlichen Figuren sind hinsichtlich ihrer Funktion gleichwertige Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
• 1 stellt ein Prinzipschaltbild eines elektronischen Hystereseoszillators gemäß dem Stand der Technik dar und wurde hierin bereits eingangs im Rahmen der Erläuterung des Stands der Technik ausführlich beschrieben, ebenso wie der in 2 dargestellte zeitliche Signalverlauf am Hystereseoszillator aus 1.
• 3 stellt ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines elektronischen Kapazitätsumsetzers 1 gemäß der Erfindung dar.
• Das hier dargestellte Ausführungsbeispiel des Kapazitätsumsetzers 1 weist einen an sich wohl bekannten Komparator K als Oszillator auf, der hierin auch als Hystereseoszillator bezeichnet wird.
• Wie 3 zu entnehmen ist, weist der Komparator K einen nicht-invertierenden Komparatoreingang „+“ und einen invertierenden Komparatoreingang „-“ als Oszillatoreingang auf. An einem Komparatorausgang, welcher dem Oszillatorausgang entspricht, gibt der Komparator sein Ausgangssignal U_osc aus.
• An den invertierenden Komparatoreingang „-“ ist eine jeweils an je einem der dargestellten Eingangsanschlüsse E₀ , E₁ , E₂ , E₃ etc. des Kapazitätsumsetzers 1 angeschlossene elektrische Kapazität, zum Beispiel Kapazität C_r an E₀ und Kapazität C an E₁ (in 3 nicht dargestellt; siehe stattdessen z. B. 6), elektrisch angeschlossen. Der Oszillator bzw. Komparator K bildet deren Kapazitätswert C bzw. C_r auf eine vorherbestimmbare Oszillationsdauer T_L , T_E bzw. Tose des am Komparator- bzw. Oszillatorausgang ausgegebenen, oszillierenden Ausgangssignals U_osc ab, wie nachfolgend noch ausführlich erläutert werden wird, ebenso wie alle weiteren in 3 dargestellten elektrischen Größen, Komponenten und elektronischen Bauelemente einschließlich deren Verknüpfungen und elektrischen Verschaltungen.
• Wie eingangs im Zusammenhang mit 1 bereits beschrieben wurde, beträgt die Aufladedauer des Hystereseoszillators wie in 1 beispielhaft gezeigt $$T_L=\text{ln}\left(\frac{U_p-U_1}{U_p-U_2}\right)\cdot C\cdot R_c$$

  

  und die Entladedauer $$T_E=\text{ln}\left(\frac{U_2}{U_1}\right)\cdot C\cdot R_c.$$

  
• Die Dauer einer kompletten Schwingungsperiode des Hystereseoszillators beträgt damit $$T_{osc}=T_L+T_E=\text{ln}\left(\frac{U_2}{U_1}\cdot \frac{U_p-U_1}{U_p-U_2}\right)\cdot C\cdot R_c.$$

  
• Fasst man die kunstruktionsbedingten Terme $$k_L:=\text{ln}\left(\frac{U_p-U_1}{U_p-U_2}\right)\cdot R_c\text{ bzw}.k_E=\text{ln}\left(\frac{U_2}{U_1}\right)\cdot R_c\text{ bzw}.k_{osc}:=\text{ln}\left(\frac{U_2}{U_1}\cdot \frac{U_p-U_1}{U_p-U_2}\right)\cdot R_c$$

  

  zusammen, so ergibt sich: $$T_L=k_L\cdot C\text{ bzw}.T_E=k_E\cdot C\text{ bzw}.T_{osc}=k_{osc}\cdot C,$$

  

  wobei k jeweils einen Skalierfaktor angibt, mit dem der Kapazitätsumsetzer 1 die zu messende Kapazität C in eine Periodendauer T_osc oder in eine Teilperiodendauer T_L oder T_E umsetzt.
• Wesentlich ist hierbei, dass in allen Fällen die umgesetzte Periodendauer oder Teilperiodendauer eine lineare Funktion in C darstellt, auch wenn beispielsweise Änderungen der Ausgangsgrößen R_o , R_u , R_h den Skalierfaktor k nichtlinear beeinflussen.
• Misst man nun anstelle der zu messenden Kapazität C eine andere Kapazität C_r , so gilt für die dann erhaltene Periodendauer: $${{\displaystyle T}}_{L_r}=k_L\cdot C_t\text{ bzw}.T_{E_r}=k_E\cdot C_r\text{ bzw}.T_{os{c}_r}=k_{osc}\cdot C_r.$$

  
• Im Vergleich der durch den Oszillator in Periodendauern oder Teilperiodendauern einer Schwingung umgesetzten Kapazitätswerte C und C_r , wobei der Vergleich beispielsweise durch Division oder Subtraktion (Rechenregeln) erfolgen kann, zeigt sich bei Division: $$\frac{T_L}{T_{L_r}}=\frac{C\cdot k_L}{C_r\cdot k_L}=\frac{C}{C_r}\text{ bzw}.\frac{T_E}{T_{E_r}}=\frac{C\cdot k_E}{C_r\cdot k_E}=\frac{C}{C_r}\text{ bzw}.\frac{T_{osc}}{T_{os{c}_r}}=\frac{C\cdot k_{osc}}{C_r\cdot k_{osc}}=\frac{C}{C_r}$$

  

  und bei Subtraktion: $$T_L-T_{L_r}=C\cdot k_L-C_r\cdot k_L=\left(C-C_r\right)\cdot k_L$$

  

  sowie in gleicher Weise für T_E und T_osc , dass der Vergleichswert eine gegenüber der umgesetzten Periodendauer oder Teilperiodendauer des Oszillators eine um mindestens eine Größenordnung reduzierte Abhängigkeit von dem driftbehafteten Skalierfaktor k aufweist, was in vielen praktischen Anwendungen bereits eine ausreichende Driftkompensation darstellt.
• Der subtraktive Vergleich ist vor allem sinnvoll, um ähnlich große Kapazitäten zu vergleichen, die generell einen kleinen Differenzwert aufweisen bzw. wenn die absolute Höhe des Differenzwertes nicht sonderlich relevant ist, weil beispielsweise ein Wert so verändert werden soll, dass er einem anderen gleicht, d. h. die Differenz nahe Null gebracht werden soll, oder wenn kontrolliert werden soll, ob die Differenz zwischen zwei Kapazitätswerten nahe Null ist.
• Der divisorische Vergleich ist dagegen immer dann sinnvoll, wenn gemäß der umgestellten Gleichung $$C=C_r\cdot \frac{T_{osc}}{T_{os{c}_r}}\text{ bzw}.C=C_r\cdot \frac{T_L}{T_{L_r}}\text{bzw}.C=C_r\cdot \frac{T_E}{T_{E_r}}$$

  

  aus einem bekannten Kapazitätswert C_r auf einen unbekannten zu messenden Kapazitätswert C geschlossen werden soll. Hier hängt dann die Genauigkeit der Umsetzung des zu messenden Kapazitätswertes fast ausschließlich von der Genauigkeit - mithin Driftfreiheit - der Kapazität C_r ab. Damit reduziert sich der Aufwand für die Driftkompensation der Messung auf diese einzige Komponente C_r , was praktisch sehr viel einfacher und kostengünstiger möglich ist, als die eingangs beschriebene Kompensation einer Vielzahl von Drifteffekten innerhalb des Oszillators. Hier wird dann für C_r ein spezielles Kapazitätsinstrument eingesetzt, das einen möglichst konstanten, driftfreien Kapazitätswert aufweisen soll.
• In den vorstehenden Berechnungen wurde für die beiden Messungen an C und C_r jeweils derselbe Wert des Skalierfaktors k_L bzw. k_E bzw. k_osc eingesetzt. Damit die beschriebenen Vergleichsoperationen in der Praxis tatsächlich eine befriedigende Driftkompensation bewirken können, muss natürlich dieser Faktor bei allen miteinander verglichenen Kapazitätsmessungen unverändert sein.
• Da die beschriebenen Drifteffekte hauptsächlich von Temperaturänderungen und der Alterung der Komponenten des Oszillators abhängen, kann die Voraussetzung identischer Skalierfaktoren bei den verglichenen Kapazitätsmessungen hergestellt werden, indem diese Messungen in so geringem zeitlichen Abstand aufeinanderfolgend ausgeführt werden, dass in dieser Zeit weder eine alterungsbedingte Drift entsteht, noch eine störende Temperaturänderung der beteiligten Komponenten des Oszillators, nämlich des Komparators K und der Widerstände R_o , R_u , R_h und R_c , sowie ferner der elektrischen Verbindungen zwischen diesen Komponenten.
• Die erste Forderung (keine störende Alterung) ist technisch sehr einfach zu erfüllen, da derartige Alterungseffekte in der Regel erst nach Wochen bis Monaten spürbar werden bzw. auch in speziellen Fällen noch mindestens einige Minuten benötigen.
• Die zweite Forderung (keine störende Temperaturänderung aller beteiligten Komponenten des Kapazitätsumsetzers) erfordert etwas mehr Aufmerksamkeit, da sich die Temperatur elektronischer Bauteile bzw. deren temperaturdriftanfälligen Raumbereiche durch funktionsgemäße Belastungen der Bauteile unter Umständen innerhalb von Mikrosekunden ändern kann.
• Hier ist es also erforderlich, die innerhalb der Komponenten freigesetzte Verlustleistung in Relation zu der Wärmekapazität der relevanten Raumbereiche innerhalb dieser Komponenten klein genug zu halten, dass entsprechende, transiente Temperaturänderungen bzw. deren Auswirkung auf die Temperaturdrift und Thermospannungen innerhalb der Schaltung vernachlässigbar klein bleiben.
• Ferner muss konstruktiv gewährleistet sein, dass die Messvorgänge schnell gegenüber von außen in den Kapazitätsumsetzer eingeprägten Temperaturänderungen ablaufen.
• Insgesamt müssen also die Widerstandswerte der Oszillatorschaltung auf die zu messenden Kapazitätswerte derart abgestimmt werden, dass zwischen den zum Vergleich herangezogenen Messwerten keine driftrelevante Erwärmung im Innern der beteiligten Komponenten des Oszillators oder relevanter umliegender Schaltungsteile entsteht und auch keine driftrelevante Temperaturänderung des Oszillators und beteiligter Komponenten durch äußere Temperaturschwankungen vorliegt.
• Hierzu können die häufig von Herstellern elektronischer Komponenten gelieferten Angaben zur „zeitkomplexen thermischen Impedanz“ der betreffenden Komponenten herangezogen werden.
• Zunächst ist hierzu bei der entsprechenden Einwirkzeit und Periodendauer im zeitkomplexen thermischen Impedanzdiagramm die zulässige, transiente Verlustleistung abzulesen. Diese entspricht üblicherweise der Erwärmung von der Bezugstemperatur auf die Grenztemperatur der Komponente. Ferner folgt aus der Angabe zur maximalen Temperaturdrift eines jeden relevanten Parameters der Komponente die maximal resultierende Temperaturdrift des Parameters bis zur Grenztemperatur der Komponente.
• Um den Einfluss der transienten Temperaturdrift nun ausreichend klein gegenüber der Messgenauigkeit zu halten, darf die Differenz zwischen der größten und der kleinsten im Betrieb der Schaltung an einem Bauteil entstehenden Verlustleistung im Verhältnis zur abgelesenen maximalen transienten Verlustleistung aus dem zeitkomplexen thermischen Impedanzdiagramm nur so groß sein, wie das Verhältnis der temperaturdriftbedingt akzeptablen Erwärmung im Verhältnis zur Erwärmung auf die Grenztemperatur der Komponente ist. Hierfür ist für jede Komponente des Kapazitätsumsetzers das Zusammenwirken aus transient eingebrachter Verlustleistung und zeitkomplexer thermischer Impedanz auf die Einhaltung der Driftanforderungen zu prüfen.
• Im Allgemeinen wird man aus diesen Gründen, und in der Regel auch, um auf ein Messergebnis nicht unnötig lange warten zu müssen, bestrebt sein, die Zeitdauer für eine Messung niedrig zu halten und die erforderlichen Messungen unmittelbar aufeinanderfolgend, wie auch möglichst schnell auszuführen.
• Alternativ wäre es möglich, durch äußere Maßnahmen jede Messung mit den gleichen Anfangs- und Messbedingungen durchzuführen, was aber im Allgemeinen sehr viel aufwändiger sein wird, als die transiente Erwärmung der beteiligten Komponenten gering zu halten.
• Um die Messungen schnell aufeinanderfolgend ausführen zu können, verfügt der in 3 gezeigte Kapazitätsumsetzer 1 über eine Umschalteinrichtung Q mit mindestens zwei Anschlüssen E₀ , E₁ für mindestens zwei Kapazitätsinstrumente (nicht dargestellt), wobei die mindestens zwei Anschlüsse E₀ , E₁ der Umschalteinrichtung Q, die jeweils mit einem jeweils eine Kapazität C, C_r bereitstellenden Kapazitätsinstrument verbunden sind, an den Oszillator K des Kapazitätsumsetzers 1 angeschaltet werden können, so dass jeweils die Kapazität C, C_r eines über die Umschalteinrichtung Q an den Oszillator K angeschalteten Kapazitätsinstrumentes durch den Kapazitätsumsetzer 1 gemessen werden kann.
• Eine praktische Ausführung einer solchen Umschalteinrichtung Q kann vorzugsweise zum Beispiel aus Transistoren, bevorzugter Feldeffekttransistoren, aufgebaut sein. Entsprechende Schaltungsgruppen sind aus der Fachliteratur als Signalumschalter oder Analogmultiplexer bekannt.
• Da die Messung unterschiedlicher Kapazitätsinstrumente in möglichst kurzem zeitlichen Abstand erfolgen soll, ist es sinnvoll, z. B. nur eine Teilperiode T_L oder T_E einer Oszillatorschwingung zu messen und anschließend mittels der Umschalteinrichtung Q ein anderes Kapazitätsinstrument an den Oszillator K anzuschalten, so dass innerhalb der nicht gemessenen Teilperiode des Oszillators K die Umschaltung auf ein anderes Kapazitätsinstrument erfolgt, wobei die Teilperiode, in der die Umschaltung stattfindet, nicht gemessen wird, da diese jeweils teilweise mit unterschiedlichen, an den Oszillator K angeschalteten Kapazitätsinstrumenten ausgeführt wurde und somit ein undefiniertes Ergebnis liefern würde.
• Wichtig ist bei dieser zielgerichteten Umschaltung, dass immer die gleichen Teilperioden zur Messung verwendet werden, z. B. immer Aufladevorgänge oder immer Entladevorgänge, da Auflade- und Entladevorgänge auch bei derselben zu messenden Kapazität jeweils unterschiedlich lange ausfallen können und somit untereinander im Allgemeinen nicht vergleichbar sind.
• Da sich bei dem vorliegend beschriebenen Kapazitätsumsetzer 1 jedoch Auflade- und Entladevorgänge immer abwechseln, kann auch immer abwechselnd in einer dieser Teilperioden eine Messung vorgenommen werden und in der anderen Teilperiode die Umschaltung auf ein anderes Kapazitätsinstrument erfolgen.
• Ebenso kann selbstverständlich auch eine ganze Oszillatorperiode gemessen werden und in der folgenden Oszillatorperiode eine Umschaltung auf ein anderes Kapazitätsinstrument erfolgen.
• Ferner ist es auch möglich, mehrere gleichartige Teilperioden oder mehrere ganze Perioden des Oszillators zu messen.
• Da die Umschaltung meist recht schnell erfolgen kann, jedoch die Messung der Zeitdauer einer Teilperiode oder einer vollständigen Periode einer Schwingung in der Praxis häufig genauer vorgenommen werden kann, wenn diese Messung nicht zu schnell abläuft, kann eine schnellstmögliche Abfolge der Messungen erreicht werden, wenn der Oszillator K so konstruiert wird, dass die Teilperiode, die nicht zur Messung verwendet wird, sondern während der die Umschaltung der Kapazitätsinstrumente erfolgt, kürzer abläuft als die zur Messung verwendete Teilperiode. Hierzu muss lediglich der Widerstand R_o oder R_u , dem während der zur Messung verwendeten Teilperiode der Widerstand R_h parallel geschaltet ist, einen entsprechend geringeren Widerstandswert als der jeweils andere Widerstand R_u oder R_o aufweisen.
• Jedoch muss beachtet werden, dass bei den kleinsten zu erwartenden Kapazitätswerten der beteiligten Kapazitätsinstrumente die Teilperiode für die Umschaltung noch lange genug sein muss, damit die Umschalteinrichtung Q die Umschaltung innerhalb der zugeordneten Teilperiode vollständig vornehmen und abschließen kann.
• Werden mehrere Perioden oder Teilperioden des Oszillators K zur Messung verwendet, so kann bevorzugt eine Zähleinrichtung Z, die in 3 als optionale Komponente des Kapazitätsumsetzers 1 gestrichelt dargestellt ist, zur Zählung ganzzahliger Vielfacher der vollständigen Perioden- oder Teilperiodendauer (Oszillationsdauer) verwendet werden, wobei diese Zähleinrichtung Z dafür sorgt, dass immer die gleiche Anzahl Oszillationsdauern (Voll- oder Teilperioden) gemessen wird.
• Wird als Zähleinrichtung Z beispielsweise ein aus der digitalen Schaltungstechnik bekannter Frequenzteiler verwendet, so kann anstelle der Schwingung des Oszillators K das Ausgangssignal des Frequenzteilers Z (Frequenzteilerausgangssignal) verwendet werden, um die Zeitmessung daraus abzuleiten. Der Frequenzteiler Z vervielfacht dann die Oszillationsdauer des Oszillators K um seinen Teilerwert.
• Der Frequenzteiler Z kann des Weiteren auch so konzipiert bzw. konfiguriert werden, dass er ein zeitlich asymmetrisches Ausgangssignal abgibt, so dass das Ausgangssignal des Frequenzteilers Z während einer bestimmten Anzahl von Eingangstakten aus dem Oszillator K einen bestimmten Logikpegel führt und während einer anderen Anzahl von Eingangstakten den gegensätzlichen Logikpegel führt. Damit kann dann auch durch das Ausgangssignal des Frequenzteilers eine zeitlich gestreckte Messung erfolgen während andererseits eine verkürzte Phase für die Umschaltung der Kapazitätsinstrumente vorgesehen wird, so dass für beide Arbeitsphasen des Kapazitätsumsetzers 1 optimierte Zeitdauern „gezüchtet“ werden können.
• Durch die große Auswahlmöglichkeit unterschiedlicher spezifischer Frequenzteiler Z ergibt sich ein größerer Variationsbereich zur Ausgestaltung des Kapazitätsumsetzers 1 als durch das vorbeschriebene Verschieben der Kippspannungen am Oszillator K.
• Da bei Einsatz eines dem Oszillator K nachgeschalteten Frequenzteilers Z an die Verteilung der Oszillationsperiode auf die Teilperioden für die Aufladung der zu messenden Kapazität bzw. auf die Entladung der zu messenden Kapazität keine besonderen Anforderungen mehr gestellt sind, können die beiden Teilperioden gleich lang gewählt werden. Dadurch ergibt sich häufig der stabilste Betrieb des Oszillators K. Beispielsweise können für die Widerstände R_o , R_u und R_h identische Werte verwendet werden. Daraus ergeben sich die Kippspannungen: $$U_1=\frac{1}{3}\cdot U_p\text{ und }{U}_2=\frac{2}{3}\cdot U_p\text{ und }{T}_{osc}=\text{ln}\left(4\right)\cdot C\cdot R_c$$

  
• Generell ist anzumerken, dass sich eine Frequenzteilung grundsätzlich zu Lasten der Dauer aller für den Vergleich benötigten Messungen auswirkt, so dass gegebenenfalls ein Kompromiss zwischen der durch eine höhere Frequenzteilung erzielte, verbesserte Messwertmittelung und der erzielten Driftfreiheit zwischen den einzelnen Messungen zu finden ist.
• Zur Zeitmessung der für die Messung bestimmten Oszillationsdauer bzw. Vollperiode oder Teilperiode des Oszillators K verfügt der in 3 dargestellte Kapazitätsumsetzer 1 über eine Zeitmesseinrichtung B₁ , die mit dem Oszillator K verbunden ist und die von dort bereitgestellte Periodendauer T_osc oder Teilperiodendauer T_L oder T_E des Oszillators K messen kann bzw. Vielfache hiervon, sofern die Zähleinrichtung Z wie vorbeschrieben zwischen dem Oszillatorausgang und der Zeitmesseinrichtung B₁ vorgesehen ist. Die Zähleinrichtung Z kann in der Zeitmesseinrichtung B₁ eingangsseitig integriert sein oder als eigenständige Komponente zwischen dem Oszillatorausgang und dem Eingang der Zeitmesseinrichtung B₁ vorgesehen sein.
• Der Anschluss der Zeitmesseinrichtung B₁ kann prinzipiell sowohl an einem Eingang des Komparators K erfolgen, wie auch an dessen Ausgang. Bei Anschluss der Zeitmesseinrichtung B₁ an den Ausgang des Komparators K werden üblicherweise Rückwirkungen auf den zu messenden Kapazitätswert bzw. auf die Kippspannungen U₁ und U₂ des Oszillators vermieden. Ferner hat das Komparatorausgangssignal U_osc durch sein binäres Verhalten (Rechtecksignal) und dem gegenüber den Komparatoreingängen größeren Spannungssprung eine bessere Trennschärfe als die Signale an den Komparatoreingängen.
• Wie bereits vorstehend erwähnt, kann die Zeitmesseinrichtung B₁ auch eine Zähleinrichtung Z beinhalten, die eine bestimmte vielfache Anzahl Periodendauern oder Teilperiodendauern des Oszillators K erfasst, um deren Gesamtdauer zu messen, wodurch beispielsweise die Messgenauigkeit verbessert werden kann oder ein besonders günstiges Verhältnis zwischen der Dauer der Messung und der Dauer der für die Umschaltung der Kapazitätsinstrumente zur Verfügung stehenden Zeit erreicht werden kann. Insbesondere kann diese Zähleinrichtung Z als Frequenzteiler mit zeitlich symmetrischem oder asymmetrischem Ausgangssignal (Frequenzteilerausgangssignal) ausgeführt sein.
• Bemerkenswert ist, dass die Genauigkeit der an den Oszillator K angeschlossenen Zeitmesseinrichtung B₁ ebenfalls als ein weiterer Störeinfluss auf die Kapazitätsmessung hinzukommt und, sofern eventuelle Fehlereinflüsse der Zeitmesseinrichtung B₁ konstant oder linear mit der zu messenden Zeitdauer verknüpft sind, in gleicher Weise wie der Skalierfaktor k des Oszillators K in den gemessenen Kapazitätswert C eingehen. Durch die oben beschriebenen Vergleichsmethoden (Subtraktion oder Division) fallen derartige Störeinflussgrößen der Zeitmesseinrichtung B₁ dann genau wie die Störeinflüsse des Oszillators K aus dem Vergleichsergebnis heraus, sofern sie innerhalb der vorgenommenen und miteinander verglichenen Kapazitätsmessungen der beteiligten Kapazitätsinstrumente konstant bleiben.
• Auch hierzu gilt das gleiche, wie das hierin für die Konstanz der Drifteinflüsse des Oszillators K Geschriebene, insbesondere, dass die Fehlergrößen sich in der Regel nur zeitlich träge ändern und somit auch ein hinreichend kurzer zeitlicher Abstand zwischen den zu vergleichenden Messungen genügt, um die Störeinflüsse der Zeitmesseinrichtung B₁ zu eliminieren. Wichtig bleibt jedoch, dass dies nur für linear mit dem Messwert in die Zeitmessung eingehende Störeinflüsse gilt. Bei Auswahl bzw. Konstruktion der Zeitmesseinrichtung B₁ sollte daher auf gute Linearität geachtet werden.
• Für die Ausführung der Zeitmesseinrichtung B₁ sind sowohl analog als auch digital arbeitende Schaltungen als sogenannte „Integratoren“ bzw. mit konstanter Frequenz gespeiste Zähler mit Torfunktion aus der Fachliteratur bekannt. Eine solche Zeitmesseinrichtung B₁ stellt einen analog oder digital abgebildeten Ausgangswert zur Verfügung, der die Dauer einer oder mehrerer Oszillatorperioden oder einer oder mehrerer Teilperioden nach einer linearen Funktion abbildet.
• Die Zeitmesseinrichtung B₁ muss vor Beginn der Messung zurückgesetzt werden, was somit günstiger Weise in der Periode oder Teilperiode des Oszillators K - zum Beispiel, sofern vorhanden, in der der Zeitmesseinrichtung B₁ vorgeschalteten Zähleinrichtung Z - vorgenommen wird, in der auch die Umschaltung der Kapazitätsinstrumente erfolgt.
• Weiter verfügt der in 3 dargestellte Kapazitätsumsetzer 1 über eine Zähleinrichtung Z₁ , die jede durchgeführte Kapazitätsmessung zählt und nach einer solchen Kapazitätsmessung die Umschalteinrichtung Q auf die nächste Anschlussmöglichkeit E₀ , E₁ , E₂ etc. für ein Kapazitätsinstrument umschaltet, sowie ferner einen weiteren Umschalter Q₁ so einstellt, dass der Steuerausgang B₁.U der Zeitmesseinrichtung B₁ nach Durchführung der nächsten Perioden- oder Teilperiodendauermessung eine solche Speichereinheit M₀ , M₁ , M₂ , M₃ etc. auslöst, die der ausgewählten Anschlussmöglichkeit E₀ , E₁ , E₂ bzw. E₃ etc., auf die die Umschalteinrichtung Q eingestellt wurde, zugeordnet ist.
• Der in 3 dargestellte Kapazitätsumsetzer 1 verfügt daher über wenigstens eine Speichereinheit M₀ , die mindestens einen Messwert der Zeitmesseinrichtung B₁ speichern kann, damit bei mindestens einer der folgenden Kapazitätsmessungen an mindestens einem weiteren Kapazitätsinstrument der Vergleichswert noch zur Verfügung steht. In 3 ist der Kapazitätsumsetzer 1 beispielhaft mit drei Speichereinheiten M₀ , M₁ und M₂ dargestellt.
• Eine solche Speichereinheit M₀ , M₁ , M₂ etc. kann wiederum analog oder digital arbeiten, so dass der zu speichernde Wert der Zeitmesseinrichtung B₁ , der in analoger oder digitaler Codierung vorliegen kann, durch die mindestens eine Speichereinheit M₀ gespeichert werden kann, bis mindestens ein Vergleich mit einem anderen Messwert vorgenommen wird, wobei der mindestens zweite Wert für die Vergleichsoperation aus einer weiteren Speichereinheit M₁ , die an die Zeitmesseinrichtung B₁ angeschlossen ist, entnommen wird oder aus der Zeitmesseinrichtung B₁ direkt.
• Dabei kann jede Speichereinheit M₀ , M₁ , M₂ etc. den von der Zeitmesseinrichtung B₁ bereitgestellten Messwert entweder direkt speichern oder zunächst noch in eine für die Speicherung günstigere Form umwandeln. Eine solche Umwandlung kann auch schon von der Zeitmesseinrichtung B₁ vorgenommen werden, so dass die Zeitmesseinrichtung B₁ beispielsweise die Zeitmessung nach einem Analogverfahren durchführt, jedoch einen digital gewandelten Ausgangswert bereitstellt, oder umgekehrt. Zusätzlich könnte die Zeitmesseinrichtung B₁ oder die Speichereinheit M₀ , M₁ , M₂ etc. auch Zusatzinformationen zu dem Messwert generieren und bereitstellen, die beispielsweise eine Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur und/oder einen einfacheren Vergleich der gespeicherten Werte ermöglichen.
• Solche Zusatzinformationen könnten beispielsweise Sicherungsinformationen für die Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur sein und/oder beispielsweise Komplementärwerte für einen einfacher und schneller durchzuführenden Vergleich mit anderen Messwerten, so dass zum Vergleich von zwei Messwerten beispielsweise statt einer Subtraktion eine Addition oder statt einer Division eine Multiplikation ausgeführt werden kann. Die Rechenregeln Addition und/oder Multiplikation können darüber hinaus auch unabhängig von einer vorherigen Komplementärwertbildung eines der zu verknüpfenden Zeitmesswerte als von der Vergleichseinheit auf die zu verknüpfenden Zeitmesswerte anzuwendende Rechenregel verwendet werden. Dies kann je nach konkretem Anwendungsvoll vorteilhaft sein. Die Vergleichseinheit kann somit die Rechenregeln Subtraktion, Division, Addition und/oder Multiplikation in Kombination mit einer entsprechenden Komplementärwertbildung oder auch ohne eine solche anwenden.
• Um mindestens einen Vergleichswert durch Vergleich von mindestens zwei Kapazitätsmesswerten, wovon mindestens ein Kapazitätsmesswert einer der mindestens einen Speichereinheit M₀ entnommen wird, bereitstellen zu können, verfügt der in 3 dargestellte Kapazitätsumsetzer 1 über eine Vergleichseinheit Re (hierin auch als Recheneinheit bezeichnet), die entweder mit der Zeitmesseinrichtung B₁ und mindestens einer Speichereinheit, z. B. M₀ , oder mit mindestens zwei Speichereinheiten, z. B. M₀ und M₁ , verbunden ist und mindestens einen Ausgangswert A₀ , A₁ , A₂ , A₃ etc. bereitstellt, der durch Vergleich von mindestens zwei Eingangsgrößen gebildet wird.
• Stellt die Recheneinheit mehrere Vergleichswerte A₀ , A₁ , A₂ , A₃ etc. bereit, wie beispielhaft bei dem in 3 gezeigten Kapazitätsumsetzer 1 der Fall ist, so wird jeder dieser Vergleichswerte A₀ , A₁ , A₂ , A₃ etc. durch Vergleich mindestens zweier Eingangswerte gebildet, wobei mindestens ein Eingangswert von einer Speichereinheit M₀ , M₁ bzw. M₂ etc. und ein zweiter Eingangswert von der Zeitmesseinrichtung B₁ bereitgestellt wird oder beide Eingangswerte von je einer Speichereinheit M₀ , M₁ bzw. M₂ etc. bereitgestellt werden.
• Es sei angemerkt, dass das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel des Kapazitätsumsetzers 1 nicht zwingend eine bauliche Einheit bilden muss und die einzelnen Komponenten des Kapazitätsumsetzers 1 auch verteilt in unterschiedlichen Baueinheiten angeordnet sein können.
• Sofern der Kapazitätsumsetzer 1 jedoch als bauliche Einheit, wie beispielsweise als eine integrierte Schaltung bzw. ein integrierter Schaltkreis, aufgebaut werden soll, kann es sinnvoll sein, die in 3 gezeigten Widerstände R_o , R_u und R_h nicht mit zu integrieren, sondern sie für den jeweiligen Anwendungsfall optimal ausgeführt außen anschließbar vorzusehen, indem nur die entsprechenden elektrischen Anschlusspunkte zugänglich ausgeführt werden, wie dies beispielsweise in einem in 4 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel eines elektronischen Kapazitätsumsetzers 5 gemäß der Erfindung der Fall ist. Dieser ist in 4 in Form eines integrierten Schaltkreises 6 auf einem den Schaltkreis 6 bildenden Halbleitersubstrat 7 angeordnet.
• Wie 4 zu entnehmen ist, wird bei dem dargestellten Kapazitätsumsetzer 5 R_o zwischen den Anschlusspunkten U_o und U_h extern angeschlossen, sowie R_u zwischen den Anschlusspunkten U_h und U_n extern angeschlossen und auch R_h zwischen den Anschlusspunkten U_h und U_osc extern angeschlossen, wodurch sich die Kippspannung des Oszillators K anwendungsspezifisch festlegen lässt
• Ebenfalls kann es sinnvoll sein, den Widerstand R_C nicht im Kapazitätsumsetzer zu integrieren, sondern ihn für den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt extern anschließbar vorzusehen. Eine solche Ausgestaltung ist in 5 gezeigt, die ein Prinzipschaltbild eines noch weiteren Ausführungsbeispiels eines elektronischen Kapazitätsumsetzers 10 gemäß der Erfindung darstellt. In dem vorliegenden Fall wird dann der zeitbestimmende Widerstand R_C des Oszillators K für alle Eingangsanschlüsse E₀ , E₁ , E₂ , E₃ etc. gemeinsam zwischen den Anschlusspunkten U_osc und U_C extern angeschlossen.
• Als weitere Ausführungsvariante kann jedem durch den Umschalter Q über die Eingangsanschlüsse E₀ , E₁ , E₂ , E₃ etc. adressierbaren Kapazitätsinstrument ein eigener zeitbestimmender Widerstand R_C [0..3] zugeordnet werden, wie dies in einem Prinzipschaltbild eines Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels eines elektronischen Kapazitätsumsetzers 15 gemäß der Erfindung in 6 dargestellt ist. Im Vergleich zu den in den 3 bis 5 dargestellten Kapazitätsumsetzern 1, 5 und 10 sind bei der Darstellung des Kapazitätsumsetzers 15 lediglich die Eingangsanschlüsse E₀ , E₁ , E₂ , E₃ etc., die Umschalteinrichtung Q, der Oszillator bzw. Komparator K einschließlich seiner Widerstandsbeschaltung sowie eine den Kapazitätsumsetzer 15 speisende Versorgungsspannungsquelle G dargestellt. Außerdem sind die an den zwei Eingangsanschlüssen E₀ und E₁ angeschlossenen, als Kapazitäten C und C_r dargestellten Kapazitätsinstrumente zu sehen.
• Wird keiner der Widerstände R_o , R_u , R_h und/oder R_C in den Kapazitätsumsetzer integriert, so können die spezifischen, vorbeschriebenen Merkmale der Ausführungen nach den 4, 5 und 6 auch kombiniert werden. Ein entsprechendes Prinzipschaltbild eines solchen Ausführungsbeispiels eines elektronischen Kapazitätsumsetzers 20 gemäß der Erfindung stellt 7 dar. Der Kapazitätsumsetzer 20 erlaubt durch den externen Anschluss der Widerstände R_o , R_u , R_h die Festlegung einer anwendungsspezifischen Kippspannung des Oszillators K. Zusätzlich kann für jeden Eingangsanschluss E₀ , E₁ , E₂ , E₃ etc. jeweils ein zeitbestimmender Widerstand R_c [0..3] des Oszillators K extern an den Kapazitätsumsetzer 20 angeschlossen werden.
• Der hierin offenbarte erfindungsgemäße elektronische Kapazitätsumsetzer, der erfindungsgemäße integrierte Schaltkreis sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur elektronischen Kapazitätsumsetzung sind jeweils nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen, die sich aus technisch sinnvollen weiteren Kombinationen der hierin beschriebenen Merkmale des erfindungsgemäßen elektronischen Kapazitätsumsetzers, des integrierten Schaltkreises sowie des Verfahrens zur elektronischen Kapazitätsumsetzung ergeben.
• Insbesondere kann die von der Zeitmesseinrichtung bereitgestellte Zeitmessfunktion beispielsweise als digitale Logikschaltung oder auch als Programmablauf (Software) in einem Mikroprozessor oder einem Mikrocontroller implementiert sein. Dies gilt ebenso für die Zähleinrichtung, die Speichereinrichtung(en), die Vergleichseinheit und eine eventuell an die Vergleichseinheit angeschlossene Ausgangsfunktionseinheit.
• Durch eine zusätzliche Implementierung von Software-gesteuerten Einflussmöglichkeiten (z. B. Kommunikationsschnittstellen) können Parameter der Funktionsweise der vorstehend beschriebenen Komponenten des Kapazitätsumsetzers variabel gehalten und auf den jeweiligen Anwendungsfall des Kapazitätsumsetzers angepasst werden.
• Beispielhaft seien hier folgende Optionen genannt:
• - Vorgabe der Anzahl der in der Zeitmesseinrichtung gezählten Perioden- oder Teilperiodendauern
• - Vorgabe der Zählgeschwindigkeit (Skalierung) der Zeitmesseinrichtung
• - Wahl der Vergleichsoperation (Rechenregel) der Vergleichseinheit, z. B. Division, Multiplikation, Subtraktion, Addition
• - Parametrierung der Ausgangsfunktionseinheit, z. B. Festlegen von Schwellenwerten oder Skalierfaktoren, Parametrieren von Linearisierungs- oder De-Linearisierungsfunktionen
• In folgenden beispielhaften technischen Anwendungen ergeben sich durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kapazitätsumsetzers aufgrund seiner hierin beschriebenen Grundarchitektur sowie seiner besonders guten Driftkompensation spezifische Vorteile:
• - Messung mehrerer unterschiedlicher Kapazitätswerte mit einer einzigen Schaltung
• - Vergleich mehrerer jeweils einem der Eingangsanschlüsse zugeordneten Messkanal (Differenzbildung), Abgleich
• - Räumliche Positionserfassung durch den Vergleich mehrerer jeweils einem der Eingangsanschlüsse zugeordneten Messkanal
• - Messung von Vorhandensein bzw. Füllgrad eines dielektrischen Mediums unabhängig von dessen Dielektrizitätsfaktor, indem mindestens ein Kapazitätsinstrument, das mindestens einem Messkanal (erster Eingangsanschluss) zugeordnet ist, stets in gleicher Weise dem zu erfassenden Dielektrikum ausgesetzt ist, während mindestens ein zweites Kapazitätsinstrument, das mindestens einem zweiten Messkanal (zweiter Eingangsanschluss) zugeordnet ist, der Beeinflussung durch die zu erfassende Größe ausgesetzt ist, so dass die Drifteffekte des Oszillators wie auch Variation des Dielektrizitätsfaktors des zu erfassenden Mediums in einem einzigen Kapazitätsumsetzer kompensiert werden.
• In bevorzugter Ausführung wird der erfindungsgemäße elektronische Kapazitätsumsetzer, ausgeführt wenigstens zum Teil als mikroelektronische Schaltung, bevorzugt vollständig, auf einem Halbleitersubstrat eines integrierten Schaltkreises verwendet.
• Bezugszeichenliste

1

Kapazitätsumsetzer

5

Kapazitätsumsetzer

6

Integrierter Schaltkreis

7

Halbleitersubstrat

10

Kapazitätsumsetzer

15

Kapazitätsumsetzer

20

Kapazitätsumsetzer

• Formelzeichen

U

Elektrische Spannung allgemein

Q

Elektrische Ladung allgemein

I

Elektrischer Strom allgemein

t

Zeit allgemein

R

Elektrischer Widerstand allgemein

C

Elektrische Kapazität bzw. Kapazitätswert allgemein

Q_d

Ladungsänderung

I_L

Ladestrom

T_L

Oszillationsdauer eines Aufladevorgangs (Aufladedauer)

T_E

Oszillationsdauer eines Entladevorgangs (Entladedauer)

T_osc

Oszillationsdauer einer vollständigen Oszillationsperiode

U_P

Positives Versorgungsspannungspotenzial

U_n

Negatives Versorgungsspannungspotenzial, Masse

U_h

Spannung am nichtinvertierenden Komparatoreingang

U_C

Spannung an der zu messenden Kapazität C (am invertierenden Komparatoreingang)

U_osc

Ausgangsspannung des Oszillators (Komparatorausgang)

R_o

Oberer Spannungsteilerwiderstand

R_u

Unterer Spannungsteilerwiderstand

R_c

Widerstand eines RC-Gliedes

R_h

Hysteresebestimmender Widerstand (im Mitkopplungszweig)

k

Proportionalitätsfaktor allgemein

• Komponenten

K

Komparator

S

Schalter (Wechselkontakt)

Q

Umschalteinrichtung für Kapazitätsinstrumente

Q₁

Umschalteinrichtung für Bereitstellungssignal

Re

Vergleichseinheit

G

Versorgungsspannungsquelle

A

Ausgangsanschluss für Vergleichswert

S_Q

Steuersignal für Umschalter Q

S_Q1

Steuersignal für Umschalter Q₁

+

Nicht-invertierender Eingang des Komparators K

E

Eingangsanschluss für Kapazitätsinstrument allgemein

B₁

Zeitmesseinrichtung

B₁.U

Messwertbereitstellungsausgang von B₁

B₁.W

Zeitmesswertausgang von B₁

Z₁

Zähleinrichtung für Messvorgänge

M

Speichereinheit für Zeitmesswert allgemein

W

Messwerteingang von M

F

Messwertübernahmesteuereingang von M

Z

Zähleinrichtung für Vielfache einer Oszillationsdauer / Frequenzteiler

-

Invertierender Eingang des Komparators K

Claims (18)

1. Elektronischer Kapazitätsumsetzer, aufweisend - einen Oszillator (K), der einen Kapazitätswert (C, C_r) einer an einem Oszillatoreingang elektrisch angeschlossenen elektrischen Kapazität (C, C_r) auf eine vorherbestimmbare Oszillationsdauer (T_L, T_E, T_osc) eines an einem Oszillatorausgang ausgegebenen Ausgangssignals (U_osc) abbildet, - wenigstens zwei Eingangsanschlüsse (E₀, E₁) zum elektrischen Anschließen jeweils einer elektrischen Kapazität (C, C_r) an je einen der Eingangsanschlüsse (E₀, E₁), - eine steuerbare Umschalteinrichtung (Q), die abhängig von einem ihr zugeführten Steuersignal (S_Q) einen definierten der Eingangsanschlüsse (E₀, E₁) elektrisch mit dem Oszillatoreingang verbindet, - eine Zeitmesseinrichtung (B₁), die die Oszillationsdauer (T_L, T_E, T_osc) des Ausgangssignals (U_osc) misst und als Zeitmesswert bereitstellt, - eine Zähleinrichtung (Z₁) mit wenigstens einem Zählschritt, die die Anzahl der von der Zeitmesseinrichtung (B₁) bereitgestellten Zeitmesswerte als Zählwert zählt und der Umschalteinrichtung (Q) das Steuersignal (S_Q) zuführt, das abhängig vom aktuellen Zählwert so gewählt ist, um einen definierten der Eingangsanschlüsse (E₀, E₁) elektrisch mit dem Oszillatoreingang zu verbinden, - wenigstens eine Speichereinheit (M₀), die wenigstens einen von der Zeitmesseinrichtung (B₁) bereitgestellten Zeitmesswert speichert, und - wenigstens eine Vergleichseinheit (Re), die eingerichtet und angeordnet ist, wenigstens zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Zeitmesseinrichtung (B₁) bereitgestellte Zeitmesswerte über eine vorherbestimmbare Rechenregel miteinander zu verknüpfen und das Verknüpfungsergebnis als Vergleichswert bereitzustellen, wobei wenigstens einer der zu verknüpfenden Zeitmesswerte der in der Speichereinheit (M₀) zuvor gespeicherte Zeitmesswert ist.
2. Kapazitätsumsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator (K) ein Komparator ist, der einen nicht-invertierenden Komparatoreingang („+“) und einen invertierenden Komparatoreingang („“) sowie einen Komparatorausgang aufweist, wobei der Oszillatoreingang der invertierende Komparatoreingang („-“) ist, an den die elektrische Kapazität (C, C_r) elektrisch angeschlossen ist, und der Oszillatorausgang der Komparatorausgang ist, an dem das Ausgangssignal (U_osc) ausgegeben ist.
3. Kapazitätsumsetzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichseinheit (Re) eingerichtet und angeordnet ist, einen der zu verknüpfenden Zeitmesswerte von dem anderen zu subtrahieren oder einen der zu verknüpfenden Zeitmesswerte durch den anderen zu dividieren.
4. Kapazitätsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Zeitmesseinrichtung B₁ erfasste Oszillationsdauer einer vollständigen Periodendauer (T_osc) des Ausgangssignals (U_osc) entspricht.
5. Kapazitätsumsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Zeitmesseinrichtung B₁ erfasste Oszillationsdauer lediglich einer Teilperiodendauer (T_L, T_E) des Ausgangssignals (U_osc) entspricht.
6. Kapazitätsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitmesseinrichtung (B₁) eingerichtet und angeordnet ist, ganzzahlige Vielfache der Oszillationsdauer (T_L, T_E, T_osc) des Ausgangssignals (U_osc) zu messen und als den Zeitmesswert bereitzustellen.
7. Kapazitätsumsetzer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Oszillatorausgang und der Zeitmesseinrichtung (B₁) ein Frequenzteiler (Z) geschaltet ist.
8. Kapazitätsumsetzer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzteiler (Z) derart eingerichtet und angeordnet ist, dass er ein zeitlich asymmetrisches Frequenzteilerausgangssignal erzeugt.
9. Kapazitätsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitmesseinrichtung (B₁) und/oder die Speichereinheit (M) eingerichtet und angeordnet ist/sind, zu dem Zeitmesswert wenigstens eine weitere Zusatzinformation zu erzeugen und bereitzustellen bzw. zu speichern, die eine Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur des jeweiligen Zeitmesswerts ermöglicht und/oder seinen Komplementärwert darstellt.
10. Integrierter Schaltkreis, aufweisend ein Halbleitersubstrat (7), auf dem ein elektronischer Kapazitätsumsetzer (1, 5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist.
11. Verfahren zur störeinflusskompensierten elektronischen Kapazitätsumsetzung, aufweisend die Schritte: - Anschließen jeweils einer elektrischen Kapazität (C, C_r) an je einen von wenigstens zwei Eingangsanschlüssen (E₀, E₁), - elektrisches Verbinden eines definierten der Eingangsanschlüsse (E₀, E₁) mittels einer steuerbaren Umschalteinrichtung (Q) abhängig von einem ihr zugeführten Steuersignal (S_Q) mit einem Oszillatoreingang eines Oszillators (K), - Abbilden eines Kapazitätswerts (C, C_r) der am Oszillatoreingang elektrisch angeschlossenen elektrischen Kapazität (C, C_r) mittels des Oszillators (K) auf eine vorherbestimmbare Oszillationsdauer (T_L, T_E, Tose) eines an einem Oszillatorausgang des Oszillators (K) ausgegebenen Ausgangssignals (U_osc), - Messen der Oszillationsdauer (T_L, T_E, T_osc) des Ausgangssignals (U_osc) mittels einer Zeitmesseinrichtung (B₁) und Bereitstellen des Messergebnisses als Zeitmesswert, - Zählen der Anzahl der von der Zeitmesseinrichtung (B₁) bereitgestellten Zeitmesswerte als Zählwert mittels einer Zähleinrichtung (Z₁) mit wenigstens einem Zählschritt und Zuführen des Steuersignals (S_Q) zur Umschalteinrichtung (Q), wobei das Steuersignal (S_Q) abhängig vom aktuellen Zählwert so gewählt wird, um einen definierten der Eingangsanschlüsse (Eo, E₁) elektrisch mit dem Oszillatoreingang zu verbinden, - Speichern wenigstens eines von der Zeitmesseinrichtung (B₁) bereitgestellten Zeitmesswerts in wenigstens einer Speichereinheit (Mo), und - Verknüpfen wenigstens zweier zu unterschiedlichen Zeitpunkten von der Zeitmesseinrichtung (B₁) bereitgestellter Zeitmesswerte über eine vorherbestimmbare Rechenregel miteinander mittels einer Vergleichseinheit (Re) und Bereitstellen des Verknüpfungsergebnisses als Vergleichswert, wobei wenigstens der eine zuvor in der Speichereinheit (Mo) gespeicherte Zeitmesswert der Speichereinheit (Mo) als einer der zu verknüpfenden Zeitmesswerte entnommen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verknüpfenden Zeitmesswerte durch Subtraktion und/oder Division und/oder Addition und/oder Multiplikation miteinander verknüpft werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine vollständige Periodendauer (T_osc) des Ausgangssignals (U_osc) als Oszillationsdauer gemessen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich eine Teilperiodendauer (T_L, T_E) des Ausgangssignals (U_osc) als Oszillationsdauer gemessen wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Zeitmesseinrichtung (B₁) ganzzahlige Vielfache der Oszillationsdauer (T_L, T_E, T_osc) des Ausgangssignals (U_osc) gemessen werden und als der Zeitmesswert bereitgestellt werden.
16. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die ganzzahligen Vielfache der Oszillationsdauer (T_L, T_E, T_osc) des Ausgangssignals (U_osc) mittels eines Frequenzteilers (Z) erzeugt werden, wobei dem Frequenzteiler (Z) eingangsseitig das Ausgangssignal (U_osc) des Oszillators (K) zugeführt wird und der Zeitmesseinrichtung (B₁) ein ausgangsseitig vom Frequenzteiler (Z) bereitgestelltes Frequenzteilerausgangssignal zugeführt wird.
17. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Frequenzteilers (Z) ein zeitlich asymmetrisches Frequenzteilerausgangssignal erzeugt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Zeitmesswert wenigstens eine weitere Zusatzinformation erzeugt und bereitgestellt bzw. gespeichert wird, die eine Fehlererkennung und/oder Fehlerkorrektur des Zeitmesswerts ermöglicht und/oder seinen Komplementärwert darstellt.

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