DE3413849A1 - Capacitance measuring instrument - Google Patents
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Abstract
Description
Kapazitäts-Meßgerät Capacitance measuring device
Die Erfindung betrifft ein Kapazitäts-Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a capacitance measuring device according to the preamble of claim 1.
Ein dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entsprechendes Kapazitäts-Meßgerät ist in Fig. 1 dargestellt. Mit dem Bezugszeichen Cx ist die zu messende unbekannte Kapazität bezeichnet, die zwischen Massepotential und einen Anschluß eines Schalters S1 geschaltet ist. Der Schalter S1 ist zwischen zwei Schaltstellungen periodisch umschaltbar und verbindet in derin Fig. 1 gezeigten Stellung die Kapazität Cx mit einem Anschluß des Meßyeräts, an dem eine konstante bekannte Spannung tiref anliegt, so daß sich die Kapazität Cx auf die Spaiinung Uref auflädt. Beim Ullschalten des Schalters S1 in die andere Schaltstellung wird die zu messende Kapazität Cx mit dem Eingang eines Integrators verbunden, der aus einem Operationsverstärker Al und einem diesem parallel geschalteten Kondensator Ci bekannter Größe besteht. In dieser Schaltstellung entlädt sich die zu vor auf die Bezugsspannung ref aufgeladene Kapazität Cx in den Integrator, wobei die in der Kapazität Cx gespeicherte Ladung auf den Kondensator Ci übergeht.A capacitance measuring device corresponding to the preamble of claim 1 is shown in FIG. The unknown to be measured is denoted by the reference symbol Cx Capacitance denotes that between ground potential and a terminal of a switch S1 is switched. The switch S1 is periodic between two switch positions switchable and connects the capacitance Cx in the position shown in FIG a connection of the measuring device to which a constant known voltage tiref is applied, so that the capacitance Cx is charged on the Spaiinung Uref. When switching the With switch S1 in the other switch position, the capacitance Cx to be measured will also be connected to the input of an integrator, which consists of an operational amplifier Al and a capacitor Ci of known size connected in parallel. In this Switch position discharges the to before on the reference voltage ref charged capacitance Cx in the integrator, the stored in the capacitance Cx Charge passes to the capacitor Ci.
Zur Erhöhung der Genauigkeit und Auflösung wird dieser Meßschritt durch periodisches Umschalten des Schalters S1 n-mal wiederholt, so daß die am Ausgang des Integrators abgegriffene Spannung U den Wert annimmt. Parallel zum Kondensator Cj ist ein Schalter So geschaltet, der zu Beginn jedes aus n Mealschritten bestehenden Meßzyklus kurzzeitig geschlossen wird und eine vollständige Entladung des beispielsweise durch einen vorhergehenden Meßzyklus noch aufgeladenen Kondensators C. sicherstellt.To increase the accuracy and resolution, this measuring step is repeated n times by periodically switching the switch S1, so that the voltage U tapped at the output of the integrator has the value accepts. A switch So is connected in parallel with the capacitor Cj, which switch is briefly closed at the beginning of each measurement cycle consisting of n meal steps and ensures complete discharge of the capacitor C, which has been charged, for example, by a previous measurement cycle.
Bei einer derartigen .Meßmethode tritt allerdings das Problem auf, daß der zu messenden Kapazität Cx in aller Regel Störkapazitäten überlagert sind, die in Fig. 1 zu einer der Kapazität Cx parallel geschalteten Störkapazität Cs zusammengefaßt sind. Ist diese Störkapazität C konstant bzw. mitteln sich eventuell vorhandene Instabilitäten durch die Mittelwertbildung bei der -fachen Integration weitestgehend aus, so können die durch die Steirkapazität C hervorgerufenen teßfehl er durch eine einfache Eichmessung berücksictigt werden.With such a measuring method, however, the problem arises that the capacitance to be measured Cx is usually superimposed on interference capacities, summarized in Fig. 1 to one of the capacitance Cx interfering capacitance Cs connected in parallel are. If this interference capacitance C is constant or any existing ones are averaged Instabilities due to the averaging with the -fold integration as far as possible off, the teßfehl caused by the steering capacitance C can be caused by a simple calibration measurement can be taken into account.
Die durch die Störkapazität Cs hervorgerufenen Meßfehler lassen sich jedoch dann ninicht mehr kompensieren, wenn die Störkapazität C5 relativ groß und instabil ist.The measurement errors caused by the interference capacitance Cs can be however, no longer compensate if the interference capacitance C5 is relatively large and is unstable.
Dies ist beispielsweise der Fall, wenn der Meßort räumlich weit entfernt vom Schalter S1 liegt, da dann die Störkapazität Cs überwiegend durch die Kabelkapazität bestimmt ist, die bei eventuellen Kabel verbiegungen starken Schwankungen unterliegen kann. Solche Verhältnisse können z. B. vorliegen, wenn kapazitive Bauelemente während ihres Transports mittels eines Greifarms gemessen werden sollen. Insbesondere bei Bauelementen geringer Kapazität sind die Meßfehler in einem solchen Fall derart groß, daß keine zuverlässigen Meßergebnisse erzielbar sind.This is the case, for example, when the measuring location is spatially far away from switch S1 is because then the Disturbance capacitance Cs predominantly is determined by the cable capacitance, which is strong in the event of cable bends May be subject to fluctuations. Such relationships can, for. B. exist if capacitive components measured during their transport by means of a gripper arm should be. The measurement errors are particularly in the case of components with low capacitance in such a case so large that no reliable measurement results can be obtained are.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Kapazitäts-Meßgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart auszugestalten, daß eine zuverlässige Messung auch geringer Kapazitäten ermöglicht ist.The invention is therefore based on the object of a capacitance measuring device to design according to the preamble of claim 1 such that a reliable Measurement of low capacities is also possible.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.This task is with the in the characterizing part of the claim 1 specified features solved.
Bei dem erfindungsgemäßen Kapazitäts-Meßgerät ist die zu messende Kapazität somit über die Schalteranordnung in Reihe zwischen die Bezugsspannungsquelle und den Integrator geschaltet, so daß die bei Betätigung der Schalteranordnung auftretenden Kapazitäts-Ladeströme durch den Integrator erfaßt werden. Da die Störkapazitäten nunmehr nicht länger parallel zu der zu messenden Kapazität liegen, sind ihre Auswirkungen drastisch verringert, so daß eine zuverlässige Kapazitätsmessung über einen sehr großen Kapazitätsbereich bis hin zu sehr geringen Kapazitäten ermöglicht ist.In the capacitance measuring device according to the invention, the one to be measured is Capacity thus via the switch arrangement in series between the reference voltage source and the integrator switched so that the occurring when the switch arrangement is actuated Capacity charging currents are detected by the integrator. Because the interference capacitance are no longer parallel to the capacitance to be measured, are their effects drastically reduced, so that a reliable capacitance measurement over a very large capacity range up to very small capacities is possible.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous further developments of the invention are the subject of the subclaims.
So ist beispielsweise mit den Ausgestaltungen gemäß den Patentansprüchen 2 und 3 sichergestellt, daß die zwischen den Anschlüssen der zu messenden Kapazität und lassen potential wirksamen Störkapazitäten über die Schalteranordnung zeitweilig kurz~eschlossen, d. h. vollständig entladen werden können.For example, with the configurations according to the claims 2 and 3 ensured that the between the connections of the to measuring capacitance and leave potentially effective interference capacitances over the switch arrangement temporarily short-circuited, d. H. can be fully discharged.
Mit der Weiterbildung gemäß Patentanspruch 4 wird eine völlige Neutralisierung der beispielsweise durch Kabelkapazitäten gebildeten Störkapazitäten erreicht.With the development according to claim 4, a complete neutralization is achieved the interfering capacitances formed, for example, by cable capacitances.
Die Ausgestaltung des Kapazitäts-Meßgeräts gemäß Patentanspruch 5 stellt zudem sicher, daß nicht nur Störkapazitäten völlig neutralisiert sind, sondern auch gegebenenfalls vorhandene, parallel zur zu messenden Kapazität liegende Widerstände keinerlei Meßverfälschungen hervorrufen. Damit können nicht nur die Auswirkungen eines gegebenenfalls vorhandenen Isolationswiderstands vollständig unterdrückt werden, sondern es ist nunmehr auch eine Kapazitätsmessung bei mit Parallelwiderständen versehenen Schaltungen möglich.The configuration of the capacitance measuring device according to claim 5 also ensures that not only interfering capacities are completely neutralized, but also also any resistances that are present parallel to the capacitance to be measured do not cause any falsification of the measurement. So not only can the effects any existing insulation resistance can be completely suppressed, but it is now also a capacitance measurement with parallel resistances provided circuits possible.
Mit der Ausgestaltung des Kapazitäts-Meßgeräts nach Patentanspruch 6 wird erreicht, daß die Schaltvorgänge sehr rasch und zuverlässig bei sehr geringer Leistungsaufnahme erfolgen können, so daß in äußerst kurzer Zeit eine sehr große Anzahl von Messungen wiederholbar ist, d. h. äußerst rasch zuverlässige Meßergebnisse bereitgestellt sind.With the design of the capacitance measuring device according to claim 6 it is achieved that the switching operations very quickly and reliably with very little Power consumption can take place, so that in an extremely short time a very large Number of measurements is repeatable, d. H. extremely quick and reliable measurement results are provided.
Das erfindunqsgemäße Kapazitäts-Meßgerät ermöglicht bei geeigneter Wahl der Bezugsspannung, des Integrationskondensators und der Anzahl n der Messungen die Messungen von Kapazitäten im Bereich von 0,01 pF bis mehr als 10 pF mit einer Genauigkeit von 2 7> bei einer Meßzeit von weniger als 100 ms, selbst wenn Koaxial-Kabel von mehreren Metern Länge als Meßleitungen verwendet werden.The capacitance measuring device according to the invention enables with suitable Choice of the reference voltage, the integration capacitor and the number n of measurements the measurements of capacities in the range of 0.01 pF to more than 10 pF with a Accuracy of 2 7> with a measurement time of less than 100 ms, even with coaxial cable several meters long can be used as test leads.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von nusführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Meßgeräts und Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Meßgeräts.The invention is described below with reference to examples below Described in more detail with reference to the drawing. They show: FIG. 2 a first exemplary embodiment of the capacitance measuring device and FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of the capacitance measuring device.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Meßgeräts ist die zu messende Kapazität Cx in Reihe zwischen eine die Bezugsspannung U ref bereitstellende, mit dem in Fig. 2 linksseitig dargestellten Eingangsanschlup verundene Bezugsspannungsquelle und den aus dem Operationsverstärker Al und dem zwischen dessen Eingang und Ausgang geschalteten Integrationskondensator Ci gebildeten Integrator geschaltet, an dessen Ausgang die Meßspannung Ua auftritt. Der dem Integrationskondensator Ci parallel geschaltete Schalter SO wird wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Meßgerät zu Beginn jedes Meßzyklus kurzzeitig geschlossen, um eine vollständige anfängliche Entladung des Integrationskondensators C sicherzustellen, und verbleibt nachfolgend für den gesamten Meßzyklus im geöffneten Zustand.In the embodiment of the capacitance measuring device shown in FIG is the capacitance to be measured Cx in series between a reference voltage U ref providing, connected to the input connector shown on the left in Fig. 2 Reference voltage source and the one from the operational amplifier Al and the one between it Input and output switched integration capacitor Ci formed integrator switched, at the output of which the measuring voltage Ua occurs. The integration capacitor Ci switch SO connected in parallel is as in the measuring device shown in FIG closed briefly at the beginning of each measuring cycle to obtain a complete initial Ensure discharge of the integration capacitor C, and remains subsequently for the entire measuring cycle in the open state.
Die zu messende Kapazität Cx ist über einen Schalter S1 in dessen erster Schalterstellung mit der Bezugsspannungsquelle und in dessen zweiter Schalterstellung mit Massepotential sowie über einen Schalter S2.in dessen erster Schalterstellung mit dem Eingang des Integrators und in dessen zweiter Schalterstellung mit Massepotential verbindbar. Die eine Schalteranordnung bildenden Schalter S1 und S2 werden bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel synchron im (;leichtakt umgeschaltet, der- art, da vor Beginn der Messung beide Schalter S1, S2 auf Massepotential geschaltet sind. Damit sind nicht nur die zwischen die beiden Schalter S1, 52 geschaltete zu messende Kapazität Cx sondern in gleicher Weise auch die beispielsweise durch Kabelkapazitäten hervorgerufenen Störkapazitäten C51 und C s2 kurzgeschlossen, die zwischen den beiden Anschlüssen der Kapazität Cx und Masse störend auftreten.The capacitance Cx to be measured is in its via a switch S1 first switch position with the reference voltage source and in its second switch position with ground potential and via a switch S2 in its first switch position with the input of the integrator and in its second switch position with ground potential connectable. The switches S1 and S2 forming a switch arrangement are used in the The embodiment shown in Fig. 2 synchronously in (; easily switched, the- kind, because both switches S1, S2 are switched to ground potential before the start of the measurement. This means that not only those switched between the two switches S1, 52 are to be measured Capacity Cx but in the same way also that, for example, by cable capacities caused interference capacitances C51 and C s2 short-circuited between the two Connections of the capacitance Cx and ground occur disturbing.
Zu Beginn der Messung werden die beiden Schalter S1 und S2 synchron umgeschaltet, so daß die zu messende Kapazität Cx nunmehr in Reihe mit der Bezugsspannungsquelle und dem Integratoreingang liegt. Dabei wird der in seiner Größe bekannte 1 ntegrationskondensator Ci von dem durch die zu messende Kapazität Cx fließenden Ladestrom aufgeladen. Hierbei wirkt sich die Streu- bzw. Störkapazität C52 nicht störend aus, da sie parallel zum virtuell auf 0 liegenden Operationsverstärkereingang liegt.At the beginning of the measurement, the two switches S1 and S2 become synchronous switched so that the capacitance to be measured Cx is now in series with the reference voltage source and the integrator input. The integration capacitor, which is known for its size, is used Ci is charged by the charging current flowing through the capacitance Cx to be measured. Here the stray or interference capacitance C52 does not have a disruptive effect, since it is parallel to the operational amplifier input which is virtually at 0.
Selbst wenn der Operationsverstärker Al nicht ausreichend rasch auf den Ladestromstoß reagieren kann, tritt die Störkapazität C52 nicht störend in Erscheinung, da sie dann zwar vorübergehend aufgeladen wird, ihre Ladung aber nach Einregelung des Operationsverstärkers Al wieder abgebaut wird. Damit wirkt die Störkapazität C s2 allenfalls vorübergehend als Zwischenspeicher, ohne die Messung zu verfälschen.Even if the operational amplifier Al does not react quickly enough can react to the charging current surge, the interference capacitance C52 does not appear disruptive, because it is then temporarily charged, but its charge after adjustment of the operational amplifier Al is dismantled again. The interference capacitance thus acts C s2 at most temporarily as a buffer without falsifying the measurement.
Der von.der Störkapazität C51 geführte Ladestrom fließt nach Masse ab und beeinflußt die Messung somit ebenfalls nicht.The charging current carried by the interference capacitance C51 flows to ground and thus does not affect the measurement either.
Somit haben die vorhandene Streu- bzw. Störkapazitäten keinerlei Auswirkungen auf die Messung, so daß eine durch Störkapazitäten hervorgerufene Meßergebnisverfäl- schung zuverlässig vermeidbar, d. h. eine exakte Messung der Kapazität Cx sichergestellt ist.The existing stray or interference capacities therefore have no effects on the measurement, so that a measurement result distortion caused by interfering capacitances schung reliably avoidable, d. H. an exact measurement of the capacitance Cx is ensured is.
Wird dieser Umschaltvorgang bei geöffnetem Schalter 50 n-mal wiederholt, so gilt für die Ausgangsspannung a folgende Beziehung: Die Ausgangsspannung a stellt folglich ein zuverlässiges Maß für die zu messende Kapazität Cx dar und kann in äußerst einfacher Weise nachfolgend auf bekannte Weise verarbeitet werden.If this switching process is repeated 50 n times with the switch open, the following relationship applies to the output voltage a: The output voltage a consequently represents a reliable measure for the capacitance Cx to be measured and can subsequently be processed in an extremely simple manner in a known manner.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel können allerdings trotz sehr guter Störkapazitätsunterdrückung Meßveränderungen dann auftreten, wenn der zu messenden Kapazität Cx ein Widerstand R x parallel geschaltet ist.In the embodiment shown in FIG. 2, however, Despite very good interference capacitance suppression, measurement changes occur when a resistor R x is connected in parallel with the capacitance Cx to be measured.
Dieser Widerstand kann beispielsweisedurch einen Isolations- oder Leckwiderstand hervorgerufen werden oder aber z. B. bei der Messung von RC-Gliedern dei Parallelwiderstand entsprechen.This resistance can, for example, be provided by an insulation or Leak resistance are caused or z. B. when measuring RC elements correspond to the parallel resistance.
Bei Vorhandensein eines derartigen, der zu messenden Kapazität Cx parallel liegenden Widerstands R ergibt sich eine der folgenden Gleichung entsprechende veränderte Ausgangsspannung Ua: Hierbei bezeichnet ta die Ladezeit. Bei bekanntem Widerstand Rx läßt sich der widerstandsabhängige additive Spannungsterm zwar durch eine entsprechende Spannungs-oder Auswertungskompensation kompensieren, jedoch schei- tert dies bei unbekanntem Widerstand R Mit den in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Meßgeräts lassen sich nicht nur die Störkapazitäten, sondern auch die Auswirkungen eines derartagen Widerstands R Rx eliminieren. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in allen Einzelheiten mit der einzigen Ausnahme, daß die Schalter S1 und S2 synchron im Gegentakt, d. h.The presence of such a resistor R parallel to the capacitance Cx to be measured results in a changed output voltage Ua corresponding to the following equation: Here, ta denotes the charging time. If the resistance Rx is known, the resistance-dependent additive voltage term can be compensated for by a corresponding voltage or evaluation compensation, but this fails if the resistance R is unknown eliminate the effects of such a resistance R Rx. This embodiment corresponds to the embodiment shown in Fig. 2 in all details with the only exception that the switches S1 and S2 synchronously in push-pull, ie
gegenphasig angesteuert werden.can be controlled in phase opposition.
Die beiden Schalter S1 und S2 befinden sich vor Beginn des Meßzyklus in der in Fig. 3 gezeigten Stellung.The two switches S1 and S2 are located before the start of the measuring cycle in the position shown in FIG.
Zu Beginn der Messung werden die Schalter S1, S2 synchron umgeschaltet, so daß der in Fig. 3 links gezeigte Anschluß der Kapazität Cx mit der Bezugsspannung gespeist wird, während der andere Kapazitätsanschluß auf Masse liegt. Während dieser anfänglichen Ladephase liegen somit die zu messende Kapazität Cx der Widerstand Rx und die Störkapazität Csl. parallel zur Bezugsspannungsquelle, während die Störkapazität Cs2 kurz geschlossen ist. Dabei ist der durch den Widerstand R fließende Strom nicht störend, sondern stellt lediglich eine geringfügige Last für die Bezugsspannungsquelle dar. Während der durch anschließendes Umschalten der Schalter S1, S2 eingeleiteten Entladephase liegen die Kapazität Cx.der Widerstand R x und die Störkapazität C52 dann parallel zu dem virtuell auf Null liegenden Eingang des Operationsverstärkers Al während nunmehr die Störkapazität C51 kurz geschlossen ist. Der Widerstand R bewirkt hierbei keinerlei Meßverfälschungen, unter der in aller Regel erfüllten Vorraussetzung, daß der Widerstand R sehr viel größer ist als der virtuelle Operationsverstärkereingangswiderstand Virtuell Hierbei sind die Bezugsspannung Uref und die Ausgangsspannung Ua phasengleich. Werden die Schalter S1 und S2 n-mal bet"tigt, gilt Vorteilhafterweise sind die Schalter S1, 52 und S0 bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen durch MOS-Schalter, insbesondere durch MOS-Feldeffekttransistoren gebildet. Diese Schalter können in besonderer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft durch einen Mikroprozessor gesteuert werden, der auch die Auswertung übernimmt. Die bei n-facher Wiederholung der Messung erforderliche Integration kann auch durch andere geeignete Bauteile erfolgen.At the beginning of the measurement, the switches S1, S2 are switched over synchronously, so that the connection of the capacitance Cx shown on the left in FIG. 3 is fed with the reference voltage, while the other capacitance connection is connected to ground. During this initial charging phase, the capacitance Cx to be measured, the resistance Rx and the interference capacitance Csl are therefore present. parallel to the reference voltage source, while the interference capacitance Cs2 is short-circuited. The current flowing through the resistor R is not disturbing, but only represents a slight load for the reference voltage source. During the discharge phase initiated by subsequently switching the switches S1, S2, the capacitance Cx, the resistor R x and the interference capacitance C52 are then parallel to the input of the operational amplifier A1, which is virtually at zero, while the interference capacitance C51 is now short-circuited. The resistor R does not cause any falsification of the measurement, under the prerequisite, which is usually fulfilled, that the resistor R is much greater than the virtual operational amplifier input resistance virtual. Here, the reference voltage Uref and the output voltage Ua are in phase. If switches S1 and S2 are operated n times, the following applies In the exemplary embodiments described above, switches S1, 52 and S0 are advantageously formed by MOS switches, in particular by MOS field effect transistors. In a special embodiment of the invention, these switches can advantageously be controlled by a microprocessor which also takes over the evaluation. The integration required when the measurement is repeated n times can also be carried out using other suitable components.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel des Kapazitätstteßgeräts eignet sich insbesondere auch zur Messung von Chip-Schaltungen mit eingehautem Parallel-Widerstand, da derartige Parallel-Widerstände keinerlei störende Auswirkungen auf das Meßergebnis zeigen. Die Schalterbetätigung erfolgt vorzugsweise n-mal , so daß der periodische Ladestromstoß der zu messenden Kapazität Cx delll Eingang des tntegrators bzw. Integrator-Verstärkers n-fach zugeführt wird.The embodiment of the capacitance testing device shown in FIG. 3 is particularly suitable for measuring chip circuits with built-in parallel resistance, since such parallel resistors have no disruptive effects on the measurement result demonstrate. The switch is preferably operated n times, so that the periodic Charging current surge of the capacitance to be measured Cx delll input of the integrator or integrator amplifier is fed n-fold.
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