DE3544187A1 - Kapazitaetsmessschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kapazitätsmeßschaltung mit einer Umschaltanordnung, welche die Meßkapazität mit einer vorgegebenen Umschaltfrequenz periodisch abwechselnd zur Aufladung an eine konstante Spannung legt und zur Entla­ dung mit einem Speicherkondensator verbindet, dessen Ka­ pazität groß gegen die Meßkapazität ist und dessen Klem­ menspannung durch einen kontrollierten Entladestrom im wesentlichen auf einem konstanten Bezugspotential gehal­ ten wird, wobei die Größe des Entladestroms der Meßkapa­ zität proportional ist und den Meßwert darstellt.

Kapazitätsmeßschaltungen dieser Art, die aus der DE-OS 31 43 114 bekannt sind, arbeiten nach dem Prinzip der "geschalteten Kondensatoren" ("switched capacitors"). Die Kapazitätsmessung beruht auf der Messung des mittle­ ren Entladestroms der periodisch abwechselnd auf eine konstante Spannung aufgeladenen und entladenen Meßkapazi­ tät. Gewöhnlich wird der mittlere Entladestrom durch einen Strom-Spannungs-Wandler in eine Spannung umgesetzt, die der Meßkapazität proportional ist. Durch Verwendung von zwei nach dem gleichen Prinzip arbeitenden Schaltungszwei­ gen ist es insbesondere möglich, Kapazitätsdifferenzen zwischen zwei Meßkapazitäten mit großer Empfindlichkeit und Genauigkeit zu messen, selbst wenn die Kapazitätsdiffe­ renzen sehr klein gegen die Meßkapazitäten sind.

Andererseits ist bei Kapazitätsmeßschaltungen oder kapa­ zitiven Sensoren, beispielsweise aus der US-PS 37 81 672 und der DE-AS 27 44 785, das Prinzip der "aktiven Schir­ mung" bekannt, das darin besteht, daß das Potential einer der Meßkapazität oder der Sensorkapazität zugeordneten Abschirmung ständig dem Potential der abzuschirmenden Elektrode nachgeführt wird. Dadurch ist es möglich, den Einfluß von Streukapazitäten und Störfeldern auf die Meß­ oder Sensorkapazität auszuschalten. Die Abschirmung kann beispielsweise eine die Meß- oder Sensorelektrode umge­ bende Abschirmelektrode sein, oder auch die Abschirmung eines Kabels, das die Meß- oder Sensorkapazität mit der Kapazitätsmeßschaltung verbindet. Nach dem Stand der Technik erfolgt die aktive Schirmung dadurch, daß das Potential der abgeschirmten Elektrode abgetastet und über einen Impedanzwandler an die Abschirmung angelegt wird. Diese Lösung ist aufwendig, weil als Impedanzwandler ein Operationsverstärker benötigt wird, der hohen Anforderun­ gen an Geschwindigkeit und Eingangskapazität genügen muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kapa­ zitätsmeßschaltung der eingangs angegebenen Art eine ak­ tive Schirmung auf sehr einfache und wirksame Weise zu erzielen.

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält die Kapazitätsmeßschal­ tung nach der Erfindung eine weitere Umschaltanordnung, welche eine der Meßkapazität zugeordnete Abschirmung mit der Umschaltfrequenz periodisch abwechselnd an Potentiale legt, die im wesentlichen der konstanten Spannung bzw. dem Bezugspotential entsprechen.

Bei der Kapazitätsmeßschaltung nach der Erfindung wird die Tatsache ausgenutzt, daß das Potential der abzuschir­ menden Elektrode nur zwei abwechselnde Werte annimmt, nämlich entweder das Bezugspotential oder das Potential der konstanten Spannung, auf die die Meßkapazität aufge­ laden wird. Daher wird auf eine Abtastung und Rückführung des abzuschirmenden Potentials verzichtet; statt dessen werden einfach im Takt der Umschaltfrequenz abwechselnd die beiden Potentialwerte an die Abschirmung angelegt. Hierfür genügt eine weitere Umschaltanordnung einfacher Art. Als besonderer Vorteil erweist es sich, daß keine engen Zeittoleranzen für die Ansteuerung und Ansprechge­ schwindigkeit der weiteren Umschaltanordnung bestehen, denn infolge des Prinzips der geschalteten Kondensatoren führen selbst erhebliche Zeitverschiebungen zwischen den Potentialänderungen der abgeschirmten Elektrode einer­ seits und der Abschirmung andererseits nicht zu Meßfehlern, wenn gewisse leicht zu erfüllende Bedingungen eingehalten werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Ausführungsform der Kapazitätsmeßschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktions­ weise der Kapazitätmeßschaltung von Fig. 1,

Fig. 3 das Prinzipschaltbild einer anderen Ausfüh­ rungsform der Kapazitätsmeßschaltung nach der Erfindung und

Fig. 4 Zeitdiagramme zur Erläuterung der Funktions­ weise der Kapazitätsmeßschaltung von Fig. 3.

Die in Fig. 1 gezeigte Kapazitätsmeßschaltung 10 liefert nach dem aus der DE-OS 31 43 114 bekannten Prinzip der "geschalteten Kondensatoren" ("switched capacitors") ein Ausgangssignal, das der Kapazität C _M eines Meßkondensa­ tors 11 proportional ist. Der Meßkondensator 11 kann sich in größerer Entfernung von der Kapazitätsmeßschaltung 10 befinden und ist mit dieser über ein abgeschirmtes Kabel 12 verbunden, das einen abgeschirmten Innenleiter 13 und eine Kabelabschirmung 14 hat. Wenn am Ort des Meßkonden­ sators 11 eine Abschirmelektrode 15 vorhanden ist, ist diese mit der Kabelabschirmung 15 verbunden.

Die Kapazitätsmeßschaltung 10 enthält einen Umschalter 16, der in der einen Stellung, die in Fig. 1 gezeigt ist, den Meßkondensator 11 über den Innenleiter 13 des Kabels 12 mit einer Klemme 17 verbindet, die gegen Masse eine konstante positive Gleichspannung +U führt, die beispiels­ weise die Betriebsspannung der Schaltung ist. In der an­ deren Stellung verbindet der Umschalter 16 den Meßkon­ densator 11 mit einem Speicherkondensator 18, dessen Ka­ pazität C ₀ sehr groß gegen die Meßkapazität C _M ist. An die miteinander verbundenen Klemmen des Umschalters 16 und des Speicherkondensators 18 ist auch der invertie­ rende Eingang eines Operationsverstärkers 20 angeschlos­ sen, dessen nichtinvertierender Eingang an Masse liegt und dessen Rückkopplungskreis zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang einen Widerstand 21 enthält.

Der Umschalter 16 wird durch ein Steuersignal A betätigt, das an einem Ausgang einer Steuerschaltung 22 abgegeben wird. Die Steuerschaltung 22 gibt an einem zweiten Aus­ gang ein Steuersignal B ab, das einen Umschalter 23 be­ tätigt, der die Kabelabschirmung 14 des Kabels 12 in der einen Stellung an die Spannung +U der Klemme 17 und in der anderen Stellung an Masse legt.

Die Funktionsweise der Kapazitätsmeßschaltung von Fig. 1 soll anhand der Zeitdiagramme von Fig. 2 erläutert werden.

Das Diagramm A von Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Steuersignals A, das den Umschalter 16 betätigt. Das Steuer­ signal A nimmt periodisch abwechselnd zwei Zustände 0 oder 1 an, wobei angenommen wird, daß der Umschalter 16 beim Wert 1 des Steuersignals A die in Fig. 1 gezeigte Stellung hat, in der er den Meßkondensator 11 mit der Klemme 17 ver­ bindet, während er beim Wert 0 des Steuersignals A den Meßkondensator 11 von der Klemme 17 abtrennt und dafür mit dem Speicherkondensator 18 verbindet.

Das Diagramm U _CM von Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung am Meßkondensator 11 und somit auch die Span­ nung auf dem Innenleiter 13 des Kabels 12. In jeder Pha­ se I, die dem Wert 1 des Steuersignals A entspricht, wird der Meßkondensator 11 auf die Spannung +U aufgeladen. Die Aufladung erfolgt wegen der unvermeidlichen Zeitkonstante des Ladekreises nicht verzögerungsfrei, doch ist die Dauer der Phase I so groß bemessen, daß die Spannung U _CM am Meßkondensator 11 mit Sicherheit den vollen Wert +U erreicht.

In der Phase II, die dem Wert 0 des Steuersignals A ent­ spricht, entlädt sich der Meßkondensator C _M mit der ent­ sprechenden Zeitkonstante in den Speicherkondensator 18. Da die Kapazität C _n des Speicherkondensators 18 sehr groß gegen die Meßkapazität C _M ist, ist die Spannung an diesen beiden Kondensatoren nach dem Ladungsausgleich sehr klein gegen die Spannung +U. Die Dauer der Phase II, die vor­ zugsweise gleich der Dauer der Phase I ist, ist so be­ messen, daß der vollständige Ladungsausgleich mit Sicher­ heit stattfinden kann.

In der folgenden Phase I wird der Meßkondensator 11 wieder auf die Spannung +U aufgeladen, während die Ladung des Speicherkondensators 18 durch den als Strom-Spannungs- Wandler wirkenden Operationsverstärker 20 langsam abge­ führt wird. Der Ladungsausgleich erfolgt durch einen Strom, der über den Widerstand 21 fließt und bewirkt, daß die Spannung am Speicherkondensator 18 im Mittel im wesent­ lichen auf dem Wert Null gehalten wird. Der über den Wi­ derstand 21 fließende Strom ist gleich dem Mittelwert des Stroms, der vom Meßkondensator 11 entladen wird. Für die Aufrechterhaltung dieses Stroms nimmt die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 20 einen Wert U _C an, der der Meß­ kapazität C _M exakt proportional ist.

Wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen werden, addiert sich die Kabelkapazität C _K des abgeschirmten Kabels 12 zu der Meßkapazität C _M , und Kapazitätsänderungen des Kabels wirken sich auf die Messung aus. Zur Ausschaltung des Ein­ flusses der Kabelkapazität wird bei der Kapazitätsmeßschal­ tung von Fig. 1 eine aktive Schirmung angewendet, indem das Potential der Kabelabschirmung 14 dem Potential auf dem abgeschirmten Innenleiter 13 des Kabels 12 nachgeführt wird. Wenn zusätzlich eine Abschirmelektrode 15 vorhanden und mit der Kabelabschirmung 14 verbunden ist, wird auch das Potential der Abschirmelektrode 15 durch die aktive Schirmung dem Potential der von ihr abgeschirmten Konden­ satorelektrode nachgeführt, wodurch der Einfluß von Streu­ kapazitäten und Störfeldern auf die Meßkapazität ausge­ schaltet wird. Nach dem Stand der Technik erfolgt eine solche aktive Schirmung dadurch, daß das Potential der ab­ geschirmten Leitung dauernd abgetastet und über einen Im­ pedanzwandler an die Abschirmung gelegt wird. Im Gegensatz dazu erfolgt bei der Kapazitätsmeßschaltung von Fig. 1 die aktive Schirmung auf besonders einfache und wirksame Weise mit Hilfe des vom Steuersignal B betätigten Umschalters 23, ohne daß eine Rückführung des Potentials der abgeschirmten Leitung notwendig ist.

Das Diagramm B von Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Steuersignals B, das mit der gleichen Folgefrequenz wie das Steuersignal A periodisch abwechselnd die Werte 0 und 1 annimmt. Das Diagramm U _K von Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung, die durch den Umschalter 23 an die Kabelabschirmung 14 angelegt wird. Wenn das Steuersignal B den Wert 1 annimmt, wird die Kabelabschirmung 14 an die Spannung +U gelegt, und die Spannung U _K erreicht den Span­ nungswert +U nach einer durch die Zeitkonstante bedingten Umladezeit T _K . Wenn das Steuersignal B den Wert 0 annimmt, wird die Kabelabschirmung 14 an Massepotential gelegt, und die Spannung U _K erreicht den Spannungswert 0 wieder nach der Umladezeit T _K .

Aus dem Diagramm von Fig. 2 ist folgendes zu erkennen: Wenn die Steuersignale A und B genau phasengleich sind, haben auch die Spannungen U _CM und U _K im wesentlichen den gleichen zeitlichen Verlauf. Damit ist die Bedingung der aktiven Schirmung erfüllt, daß das Potential der Abschirmung stän­ dig dem Potential der abgeschirmten Elektrode folgt. In Fig. 2 sind aber die Steuersignale A und B absichtlich ge­ geneinander phasenverschoben dargestellt, um zu zeigen, daß es nicht auf die Einhaltung exakter zeitlicher Beziehungen ankommt. Es gibt dann zwar in jeder Phase II am Anfang einen Zeitabschnitt IIa, in welchem sich der Meßkonden­ sator 11 bereits in den Speicherkondensator 18 entlädt, während an der Kabelabschirmung noch die Spannung +U an­ liegt, so daß sich die Kabelkapazität C _K auflädt und die entsprechende Ladung Q _K in den Speicherkondensator 18 fließt; wenn jedoch anschließend im Abschnitt IIb der glei­ chen Phase II die Kabelabschirmung 14 an Masse gelegt wird, während der abgeschirmte Leiter 13 noch mit dem Speicher­ kondensator 18 verbunden ist, fließt im wesentlichen die gleiche Ladung Q _K wieder vom Speicherkondensator 18 in die Kabelkapazität C _K zurück. Diese Ladungsverschiebungen heben sich also im Mittel gegenseitig auf, so daß auf dem Speicherkondensator 18 effektiv nur die zu erfassende La­ dung Q _M des Meßkondensators 11 verbleibt. Somit ist die Ladung Q _M allein für den Strom über den Widerstand 21 und damit für die Spannung U _C am Ausgang des Operationsver­ stärkers 20 maßgeblich.

Die Anforderungen an die zeitliche Lage des Steuersignals B in bezug auf das Steuersignal A sind also unkritisch. Es sind nur die zeitlichen Bedingungen einzuhalten, daß die Abschirmspannung U _K vor dem Beginn jeder Phase II den Spannungswert +U und vor dem Beginn jeder Phase I den Spannungswert 0 erreicht haben muß. Unter Berücksichtigung der Umladezeit T _K bedeutet dies, daß das Steuersignal B spätestens um die Zeitspanne T _K vor dem Beginn jeder Pha­ se II auf den Wert 1 und spätestens um die Zeitspanne T _K vor dem Beginn jeder Phase I auf den Wert 0 gebracht sein muß. Daraus ergeben sich die im Diagramm B′ dargestellten zeitlichen Bedingungen: Das Steuersignal B kann in den kreuzschraffierten Bereichen beliebige Werte haben und muß nur in den mit "1" bzw. "0" markierten Bereichen der Dauer T _K den angegebenen Signalwert haben.

Wie bereits erwähnt, soll die Kapazität C ₀ des Speicher­ kondensators 18 möglichst groß gegen die Meßkapazität C _M sein. Das Verhältnis C ₀/C _M kann in der Praxis den Wert 1000 erreichen. Da dieses Verhältnis aber nicht beliebig groß gemacht werden kann, wird bei der Umladung aus dem Meßkon­ densator 11 in den Speicherkondensator 18 in der Phase II die Spannung am Speicherkondensator 18 durch die aus dem Meßkondensator 11 stammende Ladung Q _M etwas ansteigen. Dem­ entsprechend fließt im Abschnitt IIb der Phase II auch nicht genau die vollständige Ladung Q _K in die Kabelkapazi­ tät C _K zurück, sondern etwas weniger. Die Reduktion der wirksamen Kabelkapazität C _K entspricht deshalb in erster Näherung dem Verhältnis C ₀/C _M , doch ist der Restfehler vernachlässigbar.

Die Umschalter 16 und 23 sind in Fig. 1 nur symbolisch als mechanische Schalter dargestellt. In Wirklichkeit han­ delt es sich um schnelle elektronische Schalter, beispiels­ weise um MOS-Feldeffekttransistoren. Da solche elektroni­ schen Schalter nicht als Umschalter, sondern als einfache Ein-Aus-Schalter wirken, muß jeder Umschalter von Fig. 1 durch zwei derartige elektronische Schalter ersetzt wer­ den. In Fig. 3 ist eine unter Verwendung von elektroni­ schen Schaltern ausgebildete Kapazitätsmeßschaltung dar­ gestellt, und Fig. 4 zeigt die entsprechenden Zeitdiagram­ me.

Soweit die Bestandteile der Kapazitätsmeßschaltung von Fig. 3 mit denjenigen der Ausführungsform von Fig. 1 über­ einstimmen, sind hierfür die gleichen Bezugszeichen ver­ wendet. Die Kapazitätsmeßschaltung von Fig. 3 unterschei­ det sich von der Ausführungsform von Fig. 1 in erster Linie dadurch, daß der Umschalter 16 durch zwei MOS-Feld­ effekttransistoren 24 und 25 ersetzt ist, die durch Steuer­ signale C bzw. D angesteuert werden, die von der Steuer­ schaltung 22 geliefert werden. Der zeitliche Verlauf der Steuersignale C, D ist in dem mit den gleichen Buchstaben bezeichneten Diagramm von Fig. 4 dargestellt. Jedes der beiden Steuersignale C und D nimmt periodisch abwechselnd den Signalwert 0 und den Signalwert 1 an, wobei die beiden Steuersignale im wesentlichen gegenphasig zueinander sind. Jeder MOS-Feldeffekttransistor 24, 25 ist beim Wert 1 des angelegten Steuersignals stromführend und beim Wert 0 des angelegten Steuersignals gesperrt. In der Phase I hat das Steuersignal C den Wert 1 und das Steuersignal D den Wert 0. Demzufolge ist in der Phase I der Meßkondensator 11 mit der Klemme 17 verbunden und vom Speicherkondensator 18 abgetrennt. Dies entspricht der ersten Stellung, die der Umschalter 16 von Fig. 1 in der Phase I von Fig. 2 ein­ nimmt. In der Phase II von Fig. 4 hat das Steuersignal C den Wert 0 und das Steuersignal D den Wert 1, so daß der Meßkondensator 11 von der Klemme 17 abgetrennt und mit dem Speicherkondensator 18 verbunden ist. Dies entspricht der anderen Stellung,die der Umschalter 16 von Fig. 1 in der Phase II von Fig. 2 einnimmt. Somit ergibt die Schaltungs­ anordnung von Fig. 3 hinsichtlich der Aufladung und Entla­ dung des Meßkondensators 11 in den Phasen I und II die gleiche Wirkung wie die Schaltungsanordnung von Fig. 1.

Gemäß den Zeitdiagrammen von Fig. 4 ist jedoch zwischen jeder Phase I und der folgenden Phase II eine Zwischen­ phase I′ und zwischen jeder Phase II und der folgenden Phase I eine Zwischenphase II′ eingefügt, in der die bei­ den Steuersignale C und D den Wert 0 haben, so daß die beiden MOS-Feldeffekttransistoren 24 und 25 gleichzeitig gesperrt sind. Diese Zwischenphasen sind verhältnismäßig kurz und sollen nur sicherstellen, daß die beiden MOS-Feld­ effekttransistoren gleichzeitig Strom führen, denn dann wäre der Speicherkondensator 18 kurzzeitig direkt an die Spannung +U gelegt.

Das Diagramm U _CM von Fig. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung U _CM am Meßkondensator 11, der durch die zu­ vor geschilderte Ansteuerung der MOS-Feldeffekttransisto­ ren 24, 25 mittels der Steuersignale C, D erzielt wird.

Der Umschalter 23 von Fig. 1 könnte in gleicher Weise durch zwei MOS-Feldeffekttransistoren ersetzt werden. Fig. 3 zeigt jedoch eine andere Lösung, die eine weitere Vereinfachung ergibt. Der Umschalter 23 ist hier durch einen als Schwellenwert-Diskriminator wirkenden Inverter 26 ersetzt, dessen Stromversorgungsklemmen an die Spannung +U bzw. an Masse angeschlossen sind. An den Signaleingang des Inverters 26 ist das Steuersignal B angelegt, und der Aus­ gang des Inverters 26 ist mit der Kabelabschirmung 14 verbunden. Der Inverter 26 ist in der üblichen Weise so ausgebildet, daß seine Ausgangsspannung das höhere Versor­ gungsspannungspotential annimmt, wenn sein Eingangssignal unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, also insbe­ sondere den Wert 0 hat, und daß seine Ausgangsspannung das niedrigere Versorgungsspannungspotential annimmt, wenn sein Eingangssignal über dem Schwellenwert liegt, also insbesondere den Wert 1 hat. Praktisch sind die beiden elektronischen Schalter, die zusammen den Umschalter bil­ den, im Inverter enthalten und so angeordnet, daß sie den Ausgang des Inverters entweder mit der einen oder mit der anderen Versorgungsspannungsklemme verbinden. Bei der Ka­ pazitätsmeßschaltung von Fig. 3 nimmt somit die Ausgangs­ spannung des Inverters 26 den Wert +U an, wenn das Steuer­ signal B den Wert 0 hat, und sie nimmt das Massepotential an, wenn das Steuersignal B den Wert 1 hat. Demzufolge hat die Spannung U _K an der Kabelabschirmung 14, die an den Ausgang des Inverters 26 angeschlossen ist, den im Dia­ gramm U _K von Fig. 4 dargestellten zeitlichen Verlauf. Es ist unmittelbar zu erkennen, daß dieser zeitliche Verlauf die zuvor erläuterten Bedingungen für die aktive Schirmung erfüllt, ohne daß enge Zeittoleranzen für die Ansteuerung des Inverters 26 oder für dessen Ansprechgeschwindigkeit einzuhalten sind.

Claims (3)

1. Kapazitätsmeßschaltung mit einer Umschaltanordnung, welche die Meßkapazität mit einer vorgegebenen Umschalt­ frequenz periodisch abwechselnd zur Aufladung an eine konstante Spannung legt und zur Entladung mit einem Spei­ cherkondensator verbindet, dessen Kapazität groß gegen die Meßkapazität ist und dessen Klemmenspannung durch einen kontrollierten Entladestrom im wesentlichen auf einem konstanten Bezugspotential gehalten wird, wobei die Größe des Entladestroms der Meßkapazität proportio­ nal ist und den Meßwert darstellt, gekennzeichnet durch eine weitere Umschaltanordnung, welche eine der Meßkapa­ zität zugeordnete Abschirmung mit der Umschaltfrequenz periodisch abwechselnd an Potentiale legt, die im wesent­ lichen der konstanten Spannung bzw. dem Bezugspotential entsprechen.

2. Kapazitätsmeßschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jede Umschaltanordnung durch zwei elek­ tronische Schalter gebildet ist, die durch gegenphasige Steuersignale geöffnet bzw. gesperrt werden.

3. Kapazitätsmeßschaltung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die weitere Umschaltanordnung durch einen Schwellenwert-Diskriminator gebildet ist, der eines der gegenphasigen Steuersignale empfängt.