DE3213867A1

DE3213867A1 - Method and circuit arrangement for determining the capacitance of an object to be measured

Info

Publication number: DE3213867A1
Application number: DE19823213867
Authority: DE
Inventors: Christian 8000 München Schwarz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-12-18
Filing date: 1982-04-15
Publication date: 1983-10-27

Abstract

In a method for determining the value of the capacitance of an object to be measured, across which noise voltages are present, voltage measurements are successively carried out at the object to be measured (MO) by connecting a measurement direct-voltage source (Uo1) having a low voltage value, by connecting a measurement direct-voltage source (Uo2) with a higher voltage value and during the switch-over phase - second time interval (T2). The capacitance of the object to be measured is determined by determining the ohmic resistance of the object to be measured (MO) from the steady-state measurements and by integrating measurement of the voltage variation during the switch-over phase (T2), ensuring a high measuring accuracy and eliminating influences of noise voltages, by means of an evaluating circuit (AW). The invention can be mainly applied in measurements on telephone lines. <IMAGE>

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Bestimmung derMethod and circuit arrangement for determining the

Kapazität eines Meßobjekts Zusatz zu Patent .. .. ... (Patentanm. P 30 50 519.2 ) Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimnung der Kapazität eines Meßobjektes, wobei zusätzlich beim Meßobjekt eine Stör-Gleichspannung anliegt.Capacity of an object to be measured Addition to patent .. .. ... (patent no. P 30 50 519.2) The invention relates to a method for determining the Capacitance of an object to be measured, with an additional interference direct voltage at the object to be measured is present.

Aus dem Hauptpatent ist bereits bekannt, bei einem Verfahren dieser Art im Meßgerät zwei Meßwiderstände vorzusehen, die wahlweise über einen Schalter derart an das Meßobjekt angeschaltet werden, daß zwei verschiedene Spannungs- oder Strommessungen durchführbar sind. Aus dem Differenzen-Quotienten der gemessenen Strom- oder Spannungswerte läßt sich zunächst der ohmsche Widerstand des Meßobjekts ermitteln; während einer zweiten Meßphase, kurz nach dem-Umschalten von einem Meßwiderstand auf den anderen, ist durch Erfassen des Spannungs- bzw. Stromverlaufs über der Zeit und anschließender Integration dieses Verlaufs auch eine Bestimmung der Kapazität des Meßobjekts möglich, wie es - für sich gesehen - aus dem Buch Tietze/Schenk "Halbleiter-Schaltungstechnik", 4. Auflage, Seiten 643 ff. bekannt ist.It is already known from the main patent, in one process, of this Kind of providing two measuring resistors in the measuring device, optionally via a switch be connected to the DUT in such a way that two different voltage or Current measurements are feasible. From the difference quotient of the measured Current or voltage values can first be determined by the ohmic resistance of the device under test determine; during a second measuring phase, shortly after switching over from a measuring resistor on the other, is by recording the voltage or current curve over time and subsequent integration of this course, also a determination of the capacity of the test object possible, as it - seen in itself - from the book Tietze / Schenk "Semiconductor circuit technology", 4th edition, pages 643 ff. Is known.

Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren, daß die Meßgenauigkeit bei der Widerstandsmessung in einigen Fällen unzureichend ist, nämlich dann, wenn die gemessenen Werte im unteren Widerstandsbereich liegen. Eine große Genauigkeit ist beim bekannten Verfahren in erster Linie dann erreichbar, wenn die gemessenen Werte in der Nähe des Gesamt-Einkoppelwiderstandes des Meßgerätes - von den Anschlußklemmen aus betrachtet - liegen.The disadvantage of this known method is that the measurement accuracy is insufficient in the resistance measurement in some cases, namely when the measured values are in the lower resistance range. Great accuracy is primarily achievable with the known method when the measured Values close to the total coupling resistance of the measuring device - from the connection terminals viewed from - lie.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Kapazität eines Meßobjekts zu schaffen, bei dem bei weitgehender Eliminierung von Störspannungen eine große Genauigkeit bei der Messung gewährleistet ist.The invention is based on the object of a method for measurement to create the capacity of an object to be measured, in which with extensive elimination of interference voltages, a high level of accuracy in the measurement is guaranteed.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eD.ngangs angegebenen Art als weitere Ausbildung der in der Hauptanmeldung beschriebenen Erfindung eine durch einen Auf- oder Entladevorgang festgelegte Zeitkonstante ermittelt und daraus die gesuchte Kapazität nach der Gleichung bestimmt wird, wobei Rp einen parallel zur Kapazität Cx liegenden, gedachten und alle an der Meßschaltung beteiligten Widerstände sowie den ohmschen Widerstand Rx des Meßobjekts einschließenden ohmschen Ersatzwiderstand darstellt und daß die Bestimmung der Zeitkonstante t durch drei Spannungsmessungen durchgeführt wird, wobei die zweite, mit dem Schaltvorgang bei einer Anschaltung zweier Meßgleichspannungsquellen an das Meßobjekt beginnende Messung integrierend erfolgt.To solve this problem, in a method of the type initially specified, as a further development of the invention described in the main application, a time constant determined by a charging or discharging process is determined, and from this the capacity sought is determined according to the equation is determined, where Rp is a parallel to the capacitance Cx, imaginary and all of the resistances involved in the measuring circuit as well as the ohmic resistance Rx of the test object including ohmic equivalent resistance and that the determination of the time constant t is carried out by three voltage measurements, the second, with the Switching process when two measuring DC voltage sources are connected to the measurement object, the measurement starting takes place integrating.

In vorteilhafter Weise wird die Kapazität des Meßobjekts während der drei Meßphasen ermittelt, indem vom Zeitpunkt des Umschaltens von der Spannungsquelle mit niedrigem Spannungswert zur Spannungsquelle mit höherem Spannungswert bis zum Einschwingen der Spannung am Meßobjekt auf einen vorgegebenen Grenzwert durch integrierende Messung in üblicher Weise der Kapazitätswert ermittelt wird. Es ist hierzu also lediglich notwendig, eine Meßanordnung vorzusehen, die integrierende Eigenschaften aufweist.Advantageously, the capacitance of the device under test is during the three measurement phases determined by starting from the time of switching over from the voltage source with a low voltage value to the voltage source with a higher voltage value up to Settling of the voltage on the device under test to a specified limit value through integrating Measurement in the usual way, the capacitance value is determined. So it is for this only necessary to provide a measuring arrangement that has integrating properties having.

In vorteilhafter Weise wird der Wert des ohmschen Widerstandes des Meßobjektes als Voraussetzung für die Berechnung des Wertes des Widerstandes Rp ermittelt, wenn zur Ermittlung des Wertes des ohmschen Widerstandes Rx die Meß- gleichspannungsquellen über einen Schalter wahlweise an das Meßobjekt anschaltbar sind, daß dabei die jeweiligen Spannungen am Meßobjekt bestimmt werden und daraus der vom Zweipol aus gesehene ohmsche Widerstand Rx des Meßobjektes nach der Beziehung bestimmt wird, wobei Rm der vorgegebene Innenwiderstand eines Spannungsmessers Um zur Bestimmung der Spannung Uml, Um3, Rv ein vorgegebener -Vorschaltwiderstand für den Spannungsmesser UM, Uml der gemessene Spannungswert bei Anschaltung der Meßgleichspannungsquelle mit niederem Spannungswert Uol und Um3 der gemessene stationäre Spannungswert nach Anschalten der Meßgleichspannungsquelle mit höherem Spannungswert Uo2 ist.Advantageously, the value of the ohmic resistance of the test object is determined as a prerequisite for calculating the value of the resistance Rp if, to determine the value of the ohmic resistance Rx, the test DC voltage sources can optionally be connected to the test object via a switch Voltages on the test object are determined and from this the ohmic resistance Rx of the test object seen from the two-terminal point according to the relationship is determined, where Rm is the specified internal resistance of a voltmeter Um for determining the voltage Uml, Um3, Rv a specified series resistor for the voltmeter UM, Uml the measured voltage value when the measurement DC voltage source with the low voltage value Uol and Um3 the measured steady-state voltage value after switching on the Measuring DC voltage source with a higher voltage value Uo2 is.

Durch das aufeinanderfolgende Anschalten der beiden Spannungsquellen, die eine äußerst genaue Spannungs- oder Strommessung am Meßobjekt gewährleisten, kann aus dem Differenzen-Quotienten der Meßergebnisse bei den aufeinanderfolgenden Messungen auf einfache Weise der Widerstandswert ermittelt werden, wobei der mittlere absolute Fehler bei dieser Messung weitgehend unabhängig vom Wert des gemessenen Widerstandes Rx, insbesondere im unteren Widerstandsbereich, ist.By successively switching on the two voltage sources, which ensure an extremely accurate voltage or current measurement on the device under test, can be derived from the difference quotient of the measurement results for the consecutive Measurements can be easily determined the resistance value, with the mean absolute errors in this measurement largely independent of the value of the measured Resistance Rx, especially in the lower resistance range.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Meßgleichspannungsquellen, der Schalter, der Spannungsmesser und eine mit dem Spannungsmesser verbundene Auswerteschaltung zur Bestimmung des Wertes der Kapazität des Meßobjektes Bestandteil eines Meßgerätes sind, das an das Meßobjekt über zwei Anschlußklemmen anschaltbar ist.The invention also relates to a circuit arrangement for implementation of the method, which is characterized in that the measuring DC voltage sources, the switch, the voltmeter and an evaluation circuit connected to the voltmeter to determine the value of the capacitance of the test object part of a measuring device are, which can be connected to the device under test via two connection terminals.

Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert, wobei Figur 1 ein Prinzipschaltbild einer Meßschaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Figur 2 den Verlauf der durch Spannungsmessungen während der drei Meßphasen ermittelten Spannung am Meßobjekt darstellt.The invention is explained with reference to the figures, FIG. 1 being a Basic circuit diagram of a measuring circuit for carrying out the method according to the invention and FIG. 2 shows the course of the voltage measurements during the three measurement phases represents the determined voltage on the test object.

Bei dem Prinzipschaltbild nach der Figur 1 besteht das Meßobjekt M0 aus einem Widerstand Rx (Ersatz-Wirkwiderstand) und einer Kapazität Cx (Ersatz-Parallelkapazität) und zwei Störspannungsquellen USG (Ersatz-Störgleichspannungsquelle) sowie USW (Ersatz-Störwechselspannungsquelle). Ein Meßgerät MG zur Bestimmung der Kapazität des Meßobjekts enthält zwei Meßgleichspannungsquellen Uol und Uo2, die wahlweise über Schalter SL und einen Vorschaltwiderstand Rv an die eine Anschlußklemme K1 des Meßgeräts MG und mit ihren anderen Anschlüssen direkt an die andere Anschlußklemme K2 des Meßgeräts MG angeschaltet werden können. Das Meßgerät MG enthält ferner einen Spannungsmesser UM, der zwischen die Klemmen K1 und K2 geschaltet ist; der Spannungsmesser UM weist einen vorgegebenen Innenwiderstand Rm auf.In the basic circuit diagram according to FIG. 1, there is the DUT M0 from a resistor Rx (equivalent effective resistance) and a capacitance Cx (equivalent parallel capacitance) and two interference voltage sources USG (equivalent interference DC voltage source) and USW (equivalent interference AC voltage source). A measuring device MG for determining the capacitance of the device under test contains two measuring DC voltage sources Uol and Uo2, which can optionally be connected via switch SL and a series resistor Rv one connection terminal K1 of the measuring device MG and with its other connections directly can be connected to the other terminal K2 of the measuring device MG. That Measuring device MG also contains a voltmeter UM, which is between the terminals K1 and K2 is connected; the voltmeter UM has a predetermined internal resistance Rm on.

Die beiden Spannungsquellen Uol und Uo2 weisen unterschiedliche Spannungswerte auf, wobei eine Spannungsquelle auch die Spannung 0 Volt aufweisen kann. Vorteilhaft ist, wenn die Differenz der von den Meßgleichspannungsquellen Uol und Uo2 abgegebenen Spannungen relativ groß ist, was eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistet.The two voltage sources Uol and Uo2 have different voltage values on, wherein a voltage source can also have the voltage 0 volts. Advantageous is when the difference between the output from the measuring DC voltage sources Uol and Uo2 Tensions is relatively large, which ensures a high level of measurement accuracy.

Zur Auswertung der mit dem Spannungsmesser UM gemessenen Werte unter Einbeziehung der vorgegebenen Werte der Widerstände Rv und Rm ist an den Spannungsmesser UM eine Auswerteschaltung AW angeschlossen, mit der der gesuchte ohmsche Widerstandswert Rx ermittelt werden kann.To evaluate the values measured with the UM voltmeter under Inclusion of the given values of the resistors Rv and Rm is to the voltmeter UM connected an evaluation circuit AW with which the sought ohmic resistance value Rx can be determined.

In der Figur 2 ist der Spannungsverlauf der mit dem Spannungsmeßgerät UM gemessenen Spannung Um(t) über der Zeit t aufgetragen. Während der Zeit T1 wird beispielsweise die Spannungsquelle Uol über den Schalter S an das Meßobjekt MO angelegt, so daß sich hier der konstante Spannungsverlauf Uml am Spannungsmesser UM einstellt. Am Beginn der Zeitspanne T2 wird der Schalter S betätigt, so daß die Spannungsquelle Uo2 mit dem größeren Spannungswert an das Meßobjekt M0 angeschaltet wird. Bedingt durch die Kapazität Cx steigt die Spannung am Spannungsmesser UM nach einer e-Funktion an und erreicht nach einer Zeitspanne T2 ihren eingeschwungenen Zustand. Die Zeitspanne T2 ist so gewählt, daß auf jeden Fall am Ende dieser Zeitspanne die Spannung am Spannungsmesser UM auf einen stationären Wert eingeschwungen ist. In der an die Zeitspanne T2 sich anschließenden Zeitspanne T3 wird die Messung des konstanten Spannungswertes, der sich ergibt, wenn die Spannungsquelle Uo2 am Meßobjekt M0 anliegt, vorgenommen.In FIG. 2, the voltage curve is that with the voltage measuring device UM measured voltage Um (t) plotted over time t. During the time T1 becomes For example, the voltage source Uol is applied to the device under test MO via the switch S, so that here the constant voltage curve Uml is set at the voltmeter UM. At the beginning of the time period T2, the switch S is actuated, so that the voltage source Uo2 with the higher voltage value is connected to the DUT M0. Conditional Due to the capacitance Cx, the voltage at the voltmeter UM increases according to an exponential function on and reaches its steady state after a period of time T2. The timespan T2 is chosen so that in any case at the end of this period the voltage on The voltmeter UM has settled to a stationary value. In the to the Time period T2 subsequent time period T3 is the measurement of the constant Voltage value that results when the voltage source Uo2 is applied to the device under test M0, performed.

Während der ersten Zeitspanne T1 ergibt sich die Spannung Uml am Meßgerät UM wie folgt: wobei die Terme Ex II Rm und Rv @@ Rm die aus der Parallelschaltung dieser Widerstände ermittelten Widerstandswerte darstellen. Die Spannungsmessung während der Zeitspanne T2 - unmittelbar nach dem Umschaltzeitpunkt ts - verläuft nach folgender Gleichung: Es ist darüber hinaus auch noch folgende Darstellung dieses Spannungsverlaufs unter Zuhilfenahme der in der Zeitspanne T3 nach dem Umschaltzeitpunkt ts2 gemessenen Spannung Um3 möglich: Die in der Gleichung (3) enthaltene Ladezeitkonstante # ergibt sich aus: # =Rp cx (4) wobei der Widerstand Rp einen zur Ersatz-Parallelkapazität Cx parallel liegenden Ersatz-Wirkwiderstand darstellt, der sich aus folgender Gleichung ergibt: 1/Rp = 1/Rx + 1/Rm + 1/Rv (5) Der zeitliche Mittelwert Um2' des Spannungsverlaufs Um2 kann wie folgt ermittelt werden: Der während der Zeitspanne T3 gemessene Spannungsverlauf Um3 läßt sich in der gleichen Weise wie der Spannungsverlauf in der Zeitspanne T1 darstellen: Die Ermittlung des unbekannten ohmschen Widerstandes Rx des Meßobjektes M0 kann mit den Ergebnissen der ersten und der dritten Spannungsmessung (Zeitspanne T1 und Zeitspanne T2) durchgeführt werden. Hierbei wird durch Diffe- renzbildung der Spannungswerte der Einfluß der Störspannungsquelle eliminiert: Die Durchführung der zur Lösung der Gleichung (8) notwendigen Rechenoperationen wird mit Hilfe der Auswerteschaltung AW durchgeführt, die an ihrem Eingang mit den vom Spannungsmeßgerät UM ermittelten Werten beaufschlagt wird. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise mit einem Mikrocomputer realisiert werden, der mit einem Rechenprogramm zur Lösung der Gleichung (8) versehen ist.During the first period of time T1, the voltage Uml at the UM measuring device results as follows: where the terms Ex II Rm and Rv @@ Rm represent the resistance values determined from the parallel connection of these resistors. The voltage measurement during the time period T2 - immediately after the switchover time ts - proceeds according to the following equation: The following representation of this voltage curve is also possible with the aid of the voltage Um3 measured in the time period T3 after the switchover time ts2: The charging time constant # contained in equation (3) results from: # = Rp cx (4) where the resistance Rp represents an equivalent effective resistance lying parallel to the equivalent parallel capacitance Cx, which results from the following equation: 1 / Rp = 1 / Rx + 1 / Rm + 1 / Rv (5) The time average value Um2 'of the voltage curve Um2 can be determined as follows: The voltage curve Um3 measured during the time period T3 can be displayed in the same way as the voltage curve in the time period T1: The unknown ohmic resistance Rx of the test object M0 can be determined with the results of the first and third voltage measurements (time period T1 and time period T2). The influence of the interference voltage source is eliminated by forming the difference between the voltage values: The arithmetic operations necessary to solve equation (8) are carried out with the aid of the evaluation circuit AW, to which the values determined by the voltmeter UM are applied at its input. The evaluation circuit can be implemented, for example, with a microcomputer which is provided with a computer program for solving equation (8).

Die Bestimmung der Kapazität Cx des Meßobjekts MO erfolgt unter Verwendung der Ergebnisse der Spannungsmessungen während aller drei Zeitspannen T1, T2 und T3 sowie unter Verwendung des bereits ermittelten ohmschen Widerstandswertes Rx des Meßobjekts. Zunächst ist es notwendig, die Zeitkonstante # nach folgender Gleichung zu bestimmen: Diese Gleichung ist aus den Gleichungen (1), (6) und (7) hergeleitet.The determination of the capacitance Cx of the test object MO takes place using the results of the voltage measurements during all three time periods T1, T2 and T3 as well as using the already determined ohmic resistance value Rx of the test object. First of all, it is necessary to determine the time constant # according to the following equation: This equation is derived from equations (1), (6) and (7).

Eine andere Darstellung der Gleichung (9) lautet: # =To + #fo (10) Hierbei bedeutet #o einen ersten Näherungswert der zu bestimmenden Zeitkonstante r, der sich aus den Ergebnissen der drei Spannungsmessungen während der Zeitspannen T1, T2 und T3 wie folgt ermitteln läßt: Der in der Gleichung (10) enthaltene Wert #fo stellt einen Fehleranteil dar, der bei Anwendung der Gleichung (11) auftritt und der dadurch entsteht, daß bei der Messung in der Zeitspanne T2 der an sich unendlich lang dauernde exponentiell verlaufende Einschwingvorgang nicht vollständig erfaßt werden kann, da die endliche Zeitspanne T2 vorgegeben ist. Da dieser Fehleranteil #fo nur von der bekannten Zeitspanne T2 sowie von der näherungsweise bekannten Zeitkonstante # abhängt, läßt sich die Berechnungsgenauigkeit gegenüber der Gleichung (11) mittels folgender Iterationsformel erhöhen: Der Ausgangswert für die Iteration ist der aus der Gleichung (11) bestimmbare Wert to. Bei jedem Iterationsschritt erniedrigt sich der Restfehler um den Faktor Für den abhängig von der Anzahl der Iterationsschritte stark erniedrigten Restfehler #fn gilt Gleichung (14): Da somit eine äußerst genaue Ermittlung des Wertes # nach der Gleichung (9) bzw. (10) durchführbar ist, kann auch die Kapazität Cx des Meßobjekts nach der Gleichung (4) und so- mit auch die gesamte Impedanz des Meßobjekts M0 mit äußerster Genauigkeit unter weitgehender Eliminierung der Einflüsse von Störspannungen ermittelt werden.Another representation of equation (9) reads: # = To + #fo (10) Here #o means a first approximate value of the time constant r to be determined, which results from the results of the three voltage measurements during the time periods T1, T2 and T3 as follows can be determined: The value #fo contained in equation (10) represents an error component which occurs when equation (11) is used and which arises from the fact that during the measurement in time period T2 the exponential settling process, which is infinitely long, is not fully recorded can be, since the finite time period T2 is given. Since this error component #fo only depends on the known time period T2 and on the approximately known time constant #, the calculation accuracy can be increased compared to equation (11) using the following iteration formula: The starting value for the iteration is the value to which can be determined from equation (11). With each iteration step, the residual error is reduced by the factor Equation (14) applies to the residual error #fn, which is greatly reduced depending on the number of iteration steps: Since an extremely precise determination of the value # can be carried out according to equation (9) or (10), the capacitance Cx of the device under test can also be determined according to equation (4) and thus also the entire impedance of the device under test M0 with the utmost accuracy can be determined while largely eliminating the effects of interference voltages.

3 Patentansprüche 2 Figuren Leerseite3 claims 2 figures Blank page

Claims

Patent claims eg method for determining the capacitance of a device under test, with an interference direct voltage also being applied to the device under test, characterized in that a time constant (r) determined by a charging or discharging process is determined and from this the capacitance (Cx) sought is determined according to the equation is determined, where Rp is a parallel to the capacitance (Cx) and all of the resistances involved in the measuring circuit as well as the ohmic resistance (Rx) of the test object including ohmic equivalent resistance and that the determination of the time constant (r) is carried out by three voltage measurements, the The second measurement, beginning with the switching process when two measuring DC voltage sources (Uol, Uo2) are connected to the test object (MO), takes place integrally.

2. The method according to claim 1, characterized -kennzeich net that to determine the value of the ohmic resistance (Rx) the measuring DC voltage sources (Uol, Uo2) via a switch (SL) optionally to the test object (MO) can be switched on, that the respective Voltages (Uml, Um2, Um3) at the measuring object (MO) are determined and from this the ohmic resistance (Rx) of the measuring object (MO) seen by the measuring device (MG) according to the relationship is determined, where Rm is the specified internal resistance of a voltmeter (UM) to determine the voltage (Uml, Um3), Rv a specified series resistance for the voltmeter (UM), Uml the measured voltage value when the measuring DC voltage source with a low voltage value (Uol) and Um3 is connected is the measured steady-state voltage value after switching on the measuring DC voltage source with the higher voltage value (Uo2).

3. Circuit arrangement for performing the method according to claim 1 or 2, d a d u r c h e k e n n n z e i c h -n e t that the measuring DC voltage sources (Uol, Uo2), the switch (SL), the voltmeter (UM) and one with the voltmeter (UM) connected evaluation circuit (AW) to determine the value of the capacitance (Cx) of the measurement object (MO) are part of the measuring device (MG) that is attached to the measurement object (MO) can be connected via two connection terminals (K1, K2).