DE3623136A1

DE3623136A1 - Vorrichtung zur messung des verhaeltnisses zwischen zwei kleinen kapazitaeten

Info

Publication number: DE3623136A1
Application number: DE19863623136
Authority: DE
Inventors: Joel Choisnet
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1985-07-09
Filing date: 1986-07-09
Publication date: 1987-01-22
Also published as: FR2584822A1; FR2584822B1; GB2177806B; DE3623136C2; GB2177806A; US4797603A; JPS6214067A; GB8614836D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Verhältnisses zwischen zwei relativ kleinen Kapazitäten. Sie ist insbesondere anwendbar auf Geräte, die mit Meßwertaufnehmern ausgestattet sind, deren Kapazität oder eine von dieser abhängende Größe veränderlich ist.

Es wurden bereits verschiedene Einrichtungen zur Messung von Kapazitäten in sehr ausgedehnten Meßbereichen entwickelt. Hierzu wurden bereits zahlreiche elektronische Meßkreise vorgeschlagen. Zur Herausarbeitung der gestellten Aufgabe werden diese unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.

In Fig. 1 ist eine Schaltung gezeigt, welche als "Diodenpumpe" bekannt ist. Folgende Bezeichnungen werden verwendet:
V _D1 = Schwellspannung der Diode D ₁;
V _D2 = Schwellspannung der Diode D ₂;
E = Eingangssignal der Frequenz f;
e = Signal an den miteinander verbundenen Elektroden der Dioden.

Es wird auf Fig. 2 Bezug genommen. Das Signal E ist ein Rechtecksignal der Periode 1/f, das an den Nulldurchgängen zwischen maximalem Wert V ₁ und minimalem Wert -V ₂ variiert.

Das Ansprechverhalten der Dioden ist dergestalt, daß das Signal e synchron auftritt und im Bereich des Nulldurchganges zwischen den zwei Schwellspannungen V _D1 und -V _D2 variiert.

Bei jeder Anstiegsflanke des angelegten Signals E ändert sich die Ladung des Kondensators C um die Größe dq = C dv, deren Vorzeichen sich ändert, je nachdem, ob es sich um die positive oder negative Flanke handelt. Es gilt:

dv = (V ₁ - V _D1) - (-V ₂ + V_D2)

dv = (V ₁ + V ₂) - (V _D1 + V _D2)

Der Strommittelwert in den Dioden D ₁ und D ₂ ist durch folgende Beziehung gegeben:

i = C.dv.f

Nach dem Stand der Technik wurde eine solche Diodenpumpe verwendet, um Umsetzerschaltungen herzustellen, welche eine Kapazitätsänderung in eine Spannungsänderung umsetzen.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel weist ein Operationsverstärker 1 zwei mit + bzw. - bezeichnete Eingänge und einen mit S bezeichneten Ausgang auf, der über den Gegenkopplungswiderstand R auf den Punkt A zurückgeführt ist. Der Punkt A wird auf einem virtuellen Massepotential gehalten, und zwar aufgrund:
- der hohen Eingangsimpedanz des Verstärkers und seiner Verstärkung,
- des Siebkondensators C _o, dessen Wert erheblich größer als der des zu messenden Kondensators C ist. Der mittlere Strom in der Diode D ₂ ist gleich dem Gleichstrom im Widerstand R. Für eine Eingangsspannung E, die bei der Frequenz f um dv schwankt, ist die Ausgangsspannung S durch folgende Beziehung gegeben:

S = Ri = R . C . dv . f.

Wenn R, C und dv konstant sind, führt die Vorrichtung eine Umsetzung der Frequenz f in eine Gleichspannung S durch.

Wenn R, dv und f konstant sind, führt die Vorrichtung eine Umsetzung der Kapazität C in eine Gleichspannung S durch.

Bei einer anderen Ausführung wird das gleiche Schema wie nach Fig. 3 verwendet, wobei jedoch der Widerstand R durch einen Kondensator C ₁ ersetzt wird. Die Spannung S ist dann eine Spannungsrampe mit folgender Steigung:

Derartige Schaltungen weisen aber erhebliche Mängel auf. Zunächst hängt der Term dv = (V ₁ + V ₂) - (V _D1 + V _D2) wegen der Dioden-Schwellspannungen V _D1 und V _D2 von der Temperatur ab. Andererseits sind V _D1 und V _D2 nicht genau konstant, sondern ändern sich mit dem die Dioden durchfließenden Strom, was zu Nichtlinearitäten führen kann.

Für das in Fig. 4 dargestellte Prinzip wurden im Stand der Technik bereits weitere Verbesserungen vorgeschlagen.

In der Schaltung nach Fig. 1 werden die Dioden durch Analogschalter SW 1 und SW 2 ersetzt. Diese Schalter empfangen Steuerimpulse 2 bzw. 3. Sie sind einerseits mit Masse und an einem Anschluß mit der unbekannten Kapazität C verbunden. Der andere Anschluß der Kapazität C empfängt ein Eingangssignal E.

In Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm der an die Schaltung angelegten Signale gezeigt. Die Steuersignale für die Analogschalter SW 1 und SW 2 sind Rechtecksignale von entgegengesetzter Phasenlage. Das Signal E ist ein Rechtecksignal, welches um den Nulldurchgang zwischen einem positiven maximalen Signal V ₁ und einem negativen minimalen Signal -V ₂ variiert, das dem Steuersignal für SW 2 um die Zeitspanne t vorauseilt.

Der mittlere Strom in den Schaltern SW 1 und SW 2 ist gegeben durch

i = C.(V ₁ + V ₂).f

worin V ₂ positiv ist. Die Vorrichtung weist keinen Schwellwert auf, und die Eigangswiderstände R _on der Schalter sind ohne Einfluß, ebenso wie der Term R _on. Die Kapazität C bleibt klein gegenüber der Periode 1/f der Signale.

In Fig. 6 ist eine Schaltung zur Kapazitätsmessung gezeigt, bei welcher das Prinzipschema nach Fig. 4 zur Anwendung kommt. Sechs Analogschalter SW 1 bis SW 6 sind einander paarweise in der Anordnung nach Fig. 4 zugeordnet. Ein Operationsverstärker 4 weist einen Ausgang S auf, der auf einen Schalter SW 5 zurückgeschleift ist. Der Ausgang s dieses Schalters ist einerseits über einen Schalter SW 6 an Masse und andererseits an einen ersten Anschluß eines Kondensators C 1 angelegt.

Ein Eingangssignal E wird einem Schalter SW 3 zugeführt, dessen Ausgang e einerseits über einen Schalter SW 4 an Masse und andererseits an einen ersten Anschluß eines Kondensators C 2 angelegt ist. Die beiden zweiten Anschlüsse der Kondensatoren C 1 und C 2 sind an einem Punkte B der Schaltung vereinigt und an zwei Analogschalter SW 1, SW 2 angelegt. Der erste Schalter SW 1 ist mit Masse und der zweite SW 2 mit einer virtuellen Masse A verbunden, welche dadurch hergestellt ist, daß der Eingang des Verstärkers 4 über einen großen Kondensator C an Masse gelegt ist.

In Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm dargestellt, welches die Betriebsweise der Schaltung nach Fig. 6 veranschaulicht. Die Signale E und S sind Gleichspannungen. Sie werden durch die Schalter SW 3 bis SW 6 in Signale e und s von entgegengesetzter Phasenlage zerhackt. Zu diesem Zweck werden die Schalter SW 3 und SW 5 einerseits und SW 4, SW 6 andererseits mit entgegengesetzter Phasenlage und mit der Frequenz f angesteuert. Um die gewünschten Funktionen zu erreichen, arbeiten die Schalter SW 1 und SW 2 mit entgegengesetzter Phasenlage und um die Zeitspanne t gegenüber den anderen Schaltern verzögert. Daraus ergibt sich, daß die Gleichspannungen E und S mittels der Analogschalter SW 3, SW 4, SW 5 und SW 6 in Rechtecksignale e, s umgesetzt werden, deren Frequenz f beträgt und deren Pegel 0 bis E bzw. 0 bis S betragen.

Diese Rechtecksignale e, s werden an die Kapazitäten C 1, C 2 angelegt, deren Verhältnis gemessen werden soll.

Die Punkte A und B werden auf dem Potential einer virtuellen Masse gehalten. Der mittlere Strom im Schalter SW 2, welcher die Summe der Ströme ist, die C 1 und C 2 während der Zeit durchfließen, in welcher SW 2 auf hohem Pegel "ON" liegt, ist gleich Null, d. h.:

E C2 f + S C1 f = 0

oder

E C2 + S C1 = 0

In der US-PS 43 92 378 vom 12. Juli 1983 ist eine Ausführungsvariante einer solchen Schaltung gezeigt. Insbesondere ist ein Kapazitäts-Meßgerät beschrieben, bei welchem eine variable Kapazität mit einer Bezugskapazität verglichen wird. Ein periodisches Signal wird an die zu messende Kapazität angelegt. Eine Steuerlogik verbinded abwechselnd über Analogschalter die zwei Kapazitäten nacheinander mit dem Eingang eines Operationsverstärkers, der mit einem Kondensator belastet ist und als Integrator arbeitet. Die Bezugskapazität empfängt ein Signal, dessen Phase entgegengesetzt zu der des Eingangssignals der zu messenden Kapazität ist. Der Ausgang des Integrators wird einem Spannungskomparator zugeführt, welcher die integrierte Spannung mit einem Bezugspegel vergleicht. Das Vergleichssignal steuert die Steuerlogik. Die Steuerlogik liefert ein Signal, welches die zu messende Kapazität über das Verhältnis zur Bezugskapazität anzeigt. Sie gibt nämlich eine Reihe von Impulsen ab, deren Anzahl gezählt werden kann und ein Maß für den Kapazitätswert ist.

Diese Vorrichtungen sind jedoch mit schwerwiegenden Mängeln behaftet, insbesondere wenn die zu messende Kapazität einen kleinen Wert aufweist. Sie sind also ungeeignet, um relativ empfindliche Kapazitätssonden zu verwirklichen. So sind beispielsweise die Analogschalter mit Mängeln behaftet. Insbesondere besteht eine gewisse Kopplung zwischen den Steuersignalen für die Analogschalter SW 1, SW 2 und den geschalteten Signalen. Dies führt zum Auftreten eines mittleren Stromes io, der zu den mittleren Strömen hinzukommt, welche in den Kapazitäten C 1 und C 2 am Summierpunkt B fließen. Die Arbeitsweise des Systems wird dann durch folgende Gleichung wiedergegeben:

i _C1 + i _C2 + io = 0,

im Gegensatz zu der oben angegebenen Beziehung i _C1 + i _C2 = 0.

Der Strom io hängt nicht von dem Wert der Kapazitäten C 1 und C 2 ab und stört daher die Messungen nur für sehr kleine Werte von C 1 und C 2, denn er liegt dann in derselben Größenordnung wie die mittleren Ströme, welche durch diese Kapazitäten fließen. Weiterhin ist der Strom io auch temperaturabhängig.

Die Erfindung ermöglicht eine Behebung dieser Mängel der bekannten Anordnungen. Sie bietet auch eine Anzahl von Vorteilen, die zahlreiche Anwendungen erschließen. Insbesondere ermöglicht sie einen Betrieb bei hohen Frequenzen in der Größenordnung von 300 kHz. Die einzigen Frequenzbeschränkungen sind durch die Ansprechzeitcharakteristik der Analogschalter gegeben. Das angewendete Prinzipschema führt ferner dazu, daß der verwendete Verstärker kein breites Durchlaßband benötigt, denn er arbeitet mit Quasi- Gleichstromsignalen (mittlere Ströme in den Kapazitäten). Daraus ergibt sich, daß dieses Meßprinzip auf Kapazitäten von kleinem Wert angewendet werden kann, wobei ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis erhalten bleibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich weiterhin durch eine gute Unempfindlichkeit gegenüber eventuellen Signalfrequenzschwankungen aus. Überdies entfällt jeglicher Abgleich. Das erhaltene Spannungsverhältnis ist direkt gleich dem Verhältnis der Kapazitäten. Es wurde auch ein gutes Verhalten hinsichtlich der Temperaturabdriften beobachtet. Schließlich gestattet die Erfindung durch die Einfachheit der verwendeten Mittel die Verwirklichung einer kostengünstigen Vorrichtung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Verhältnisses zwischen zwei Kapazitäten von geringem Wert enthält Paare von Analogschaltern, die mit entgegengesetzter Phasenlage arbeiten, so daß eine erste Eingangsspannung und eine zweite Ausgangsspannung eines Integrators zerhackt werden. Sie ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Mittel enthält, um die eine oder andere der beiden Kapazitäten zwischen zwei Paaren von Analogschaltern umzuschalten, wobei jedes Paar zwei Analogschalter aufweist, deren zwei einander entsprechende Anschlüsse einen gemeinsamen Punkt bilden, an den die eine oder andere der beiden Kapazitäten angeschlossen wird, während von den anderen Anschlüssen der eine an Masse und der andere an ein bekanntes Potential angelegt ist, wobei ferner der Schalter des ersten Paares andererseits mit dem Eingang eines Integrators und der Schalter des zweiten Paares mit dem Ausgang des Integrators verbunden ist, daß sie ferner eine Steuerlogik enthält, welche die Steuersignale für die Steuerelektroden der Schalter liefert, und daß sie ferner ein Meßorgan umfaßt, welches das Verhältnis der beiden Kapazitäten mißt und das Ansprechverhalten der Vorrichtung auf die eine oder andere der zwei geschalteten Kapazitäten liefert.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Die Fig. 1 bis 7 Schaltbilder und Zeitdiagramme bekannter Ausführungen;

Fig. 8 ein Prinzipschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 9 bis 15 verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.

Die Fig. 1 bis 7 wurden bereits besprochen. Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 8 näher erläutert.

Die Vorrichtung enthält zwei Paare K ₁, K ₂ sowie K ₃, K ₄ von Analogschaltern. Sie sind mit entgegengesetzter Polung an die Anschlüsse einer Schalteinrichtung C angeschlossen, die während einer ersten Zeitspanne eine erste Kapazität C 1 und in einer zweiten Zeitspanne die Kapazität C 2 mißt. In der folgenden Beschreibung wird mit "C" der eine oder andere Wert dieser Kapazitäten bezeichnet.

Die Vorrichtung enthält ferner eine Steuerlogik 6, welche die Steuersignale für die Steuerelektroden 7 bis 10 der Analogschalter liefert. Diese Steuerlogik arbeitet weitgehend in gleicher Weise wie die nach Fig. 7. Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß ein zusätzliches Zerhacken vermieden wird, indem dem ersten Schalterpaar K ₁, K ₂ eine Spannungsquelle Vo über einen Widerstand R nachgeschaltet wird. Der Schalter K ₂ ist ebenfalls mit dem Punkt A verbunden, der die virtuelle Masse des Integrators bildet, der durch den Kondensator Co und den Verstärker 5 gebildet ist. Die Ausgangsspannung S dieser Schaltungsanordnung wird durch eine Komponente 11 gemessen, die das Verhältnis der Ausgangsspannungen der Schaltungsanordnung mißt, je nachdem, ob die Kapazität C 1 oder die Kapazität C 2 durch die Schalteinrichtung C angeschaltet wird. Der Ausgang S wird ferner einem Schalter K ₃ des zweiten Schalterpaares zugeführt.

Es wird nun die Arbeitsweise dieses Prinzipschemas beschrieben. Es wird angenommen, daß sich ein Wert C im Stromkreis zwischen den beiden Schalterpaaren befindet. Die Summe aller am Punkt A (virtuelle Masse) ankommenden Ströme ist Null. Diese Ströme sind:
- mittlerer Strom über Schalter K ₂ und Kapazität C: C.S.f
- Schaltstrom von K ₁ und K ₂: io
- Strom im Widerstand R, der zwischen Vo und A liegt: Vo/R
- Polarisationsstrom für den Verstärker i′o: d. h. C S f + Io = 0

Gemäß der Erfindung werden innerhalb des mit C bezeichneten Blocks die Kapazitäten C ₁ und C ₂ nacheinander angeschaltet. Die Spannung S nimmt nacheinander die Werte S 1 und S 2 an. Wenn Io und f kurzzeitig konstant sind, so gilt:

C1 S1 f + Io = 0

C2 S2 f + Io = 0,

woraus

Das Meßergebnis ist nun vollkommen von Io unabhängig. Die Kenntnis der Bezugskapazität C 2 und die Messung von S 2/S 1 gestattet die Messung der Kapazitäten C 1 oder die Änderungen derselben in einer empfindlichen Sonde.

Es werden nun verschiedene Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.

Bei gewissen Anwendungen ist es nützlich, zwei getrennte Spannungen zu liefern, wovon die eine C 1 und die andere C 2 betrifft. Bei der Ausführungsform nach Fig. 9 sind die Schaltungsanordnungen zur Erzeugung der Steuersignale für die verschiedenen Schalter nicht dargestellt. Nur das Zeitdiagramm ist in Fig. 10 gezeigt. Die Schalteinrichtung C nach Fig. 8 ist folgendermaßen ausgeführt: Die Gleichspannung V am Ausgang des Verstärkers Ao wird in Rechtecksignale durch die Schalter K 3 und K 4 umgesetzt und dann abwechselnd zu C 1 geführt, wenn T 1 geschlossen (Zustand ON) ist, wobei V den Wert V 1 annimmt, oder zu C 2 geführt, wenn T 2 geschlossen (Zustand ON) ist, wobei V dann den Wert V 2 annimmt. Die beiden Werte V 1 und V 2, welche die Spannung V annehmen kann, werden mittels Schalter M 1, M 2, Speicherkondensatoren 28, 30 und zugeordneten Trennverstärkern 29, 31 gespeichert. Diese sechs Bauteile stellen eine Ausführungsform der Schalteinrichtung 11 nach Fig. 8 dar, welche das Spannungsverhältnis mißt.

Im Betrieb des Systems gilt:

V1 . C1 = V2 C2

oder

Die Spannung U und das zugeordnete Potentiometer 22 gestatten die Einstellung des Eichpegels für die doppelte Messung. Ein Kondensator 24 dient zur Siebung der Ausgangsspannung V des Integrators, der durch den Operationsverstärker Ao und den Kondensator 23 gebildet ist. Ein RC-Filter 21 gewährleistet die Verbindung des Schalters K 2 mit dem Eingangspunkt des Verstärkers Ao. In der Einrichtung C werden die Kapazitäten C 1 und C 2 durch die Schalter T 1 bis T 4 umgeschaltet, mit denen sie über abgeschirmte Leitungen 25 und 26 verbunden sind, deren Abschirmungen mit Masse verbunden sind. Der Ausgang der Einrichtung C, der zum Schalterpaar K 1, K 2 führt, ist ebenfalls abgeschirmt, und zwar durch ein geschirmtes Doppel-T 27, welches mit Masse verbunden ist.

Bei der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform liefert der Ausgang der Meßeinrichtung 11 eine einzige Spannung.

Ein solches Ausgangssignal kann in manchen Fällen leichter verarbeitet werden als das Verhältnis von zwei Gleichspannungen. Es kann erhalten werden, indem die Schaltung nach Fig. 9 derart verändert wird, daß eine der beiden Spannungen, z. B. V 1, einen festen Wert erhält. Eine solche Ausführungsform ist in Fig. 11 gezeigt, und ihre Arbeitsweise ist in Fig. 12 verdeutlicht. Die Schalteinrichtung C ist unverändert. Ferner sind auch die beiden Paare von Analogschaltern K 1 bis K 4 in gleicher Weise geschaltet und gesteuert. Bei dieser Ausführungsvariante sind aber drei Anpassungsverstärker A 1, A 3, A 4 der Verstärkung 1 hinzugefügt worden, so daß die Vorrichtung weniger empfindlich auf Temperaturabdriften anspricht.

Der Integrator enthält einen Operationsverstärker Ao, eine Integrierkapazität 43 und eine Parallelschaltung an dieser Kapazität, welche einen als Adapter geschalteten Verstärker A 4 umfaßt. Der mit + bezeichnete Anschluß dieses Verstärkers A 4 wird durch eine Kapazität 45 belastet und über einen Schalter M 1 mit dem Wert V des Integrators gespeist. Der mit - bezeichnete Eingang des Integrators Ao ist an ein RC-Filter 44 angeschlossen.

Die Meßeinrichtung 11 zur Messung des Verhältnisses zwischen den Kapazitäten ist insofern abgewandelt, als sie nur noch einen Schalter M 2 und einen Verstärker A 2 umfaßt, welcher durch die Kapazität 46 die Ausgangsspannung V 2 speichert, die ein Meßwert für das Verhältnis zwischen den Kapazitäten ist.

Zu diesem Zweck wird eine Spannung V 1 durch eine Spannungsquelle Uo erzeugt, welche mit einer Referenz-Zenerdiode Z 1 über einen Vorwiderstand 42 belastet ist. Ein Potentiometer 40, dem ein Siebkondensator 41 zugeordnet ist, greift eine kompensierte Spannung ab, die an einen als Operationsverstärker ausgeführten Anpassungsverstärker A 1 angelegt wird.

Zwei Analogschalter T 5 und T 6 legen die Spannung V ₁ oder das Ausgangssignal des Integrators an das Schalterpaar K 3, K 4 über einen Anpaßverstärker A 3 an.

Wenn T 5 geschlossen ist, was im Zeitdiagramm der Fig. 12 mit ON verdeutlicht ist, wird die Bezugsspannung V 1 durch die Schalter K 3 und K 4 in Rechtecksignale umgesetzt und über den Anpaßverstärker A 3 zu C 1 geführt. Die Ausgangsspannung V des Verstärkers Ao nimmt den Wert V 1 an, welcher über A 4 und den zugeordneten Speicherkondensator gespeichert wird. Die Spannung v 1 bewirkt die Eichung des Systems und bleibt unverändert, wenn T 5 geöffnet ist (Zustand "0"). Wenn T 6 geschlossen ist (Zustand ON), nimmt die Ausgangsspannung V von Ao den Wert V 2 an, wird durch die Schalter K 3, K 4 in Rechtecksignale umgesetzt und über A 3 zu C 2 geführt. V 2 wird durch A 2 und den zugeordneten Speicherkondensator gespeichert. Für die Arbeitsweise des Systems gilt wie zuvor:

V1 . C1 = V2 . C2

d. h.

Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform war V 1 ebenso wie V 2 mit Temperaturabdriften der Eichung behaftet, und nur das Verhältnis V 2/V 1 dieser Spannungen ist temperaturstabil.

Bei einer anderen Ausführungsform ist die Schalteinrichtung C zur Anschaltung der Kapazitäten C 1 und C 2 in anderer Weise ausgebildet. In Fig. 13 wird das abwechselnde Anschalten der Kondensatoren C 1 und C 2 an den Stromkreis hinter den Kondensatoren C 1, C 2 und nicht vor diesen durchgeführt. Ansonsten ist die Arbeitsweise unverändert.

Diese in Fig. 13 gezeigte Ausführungsvariante kann bei bestimmten Anwendungen zweckmäßig sein, bei denen der Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren vorzugsweise auf einem mit niedriger Impedanz behafteten Pegel liegt. Die gleiche Anordnung der Einrichtung C ist im Schema nach Fig. 11 vorgesehen.

Bei einer anderen Ausführungsform wird die Meßeinrichtung 11 nach Fig. 8 als sogenannter Digitalausgang bezeichnet.

In dieser Weise werden Ausgangsgrößen vom Typ zyklisches Verhältnis, Frequenz, Frequenzverhältnis usw. bezeichnet.

Die oben angegebenen Ausführungen bauen auf dem Schema nach Fig. 8 und auf einem Meßverfahren mit Doppelmessung auf.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 erfolgt eine Rückschleifung der Ausgangsspannung S des Integrators, wobei die Arbeitsfrequenz f der Schalter wenigstens kurzfristig während der Zeit einer Meßsequenz konstant bleibt. Für die Arbeitsweise des Systems gilt:

C.S.f + Io = 0

Es kann ersichtlich auch eine Frequenzrückschleifung statt einer Spannungsrückschleifung stattfinden, indem in die Schleife ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) eingefügt wird, gemäß der in Fig. 14 gezeigten und durch das Zeitdiagramm nach Fig. 15 verdeutlichten Ausführungsform.

Die Arbeitsweise einer solchen Ausführungsform ist sehr ähnlich derjenigen nach Fig. 8 und führt zu der Beziehung:

C.V.f + Io = 0

Darin hat Io dieselbe Bedeutung wie zuvor.

Auch hier wird das Meßprinzip der doppelten Messung angewendet.

In der mit C bezeichneten Komponente werden die Kapazitäten C 1, C 2 nacheinander angeschaltet. Die Frequenz f nimmt nacheinander den Wert f bzw. f 2 an. Wenn Uo und Io kurzzeitig konstant sind, so gilt:

C1.Uo.f1 + Io = 0

C2.Uo.f2 + Io = 0

d. h.

Das Signal W ist eine direkte Meßgröße für das Verhältnis C 1/C 2. Es wird auf die Steuerelektroden der Schalter K 1 bis K 4 zurückgeschleift, um die Vorrichtung auf den Wert der Kapazität C 1 bzw. C 2, der in der Komponente C umgeschaltet wird, zu regeln. Zu diesem Zweck werden beide Schalterpaare K 1 bis K 4 durch eine Steuerlogik 50 für K 1, K 2 bzw. 51 für K 3, K 4 zwangsgesteuert, wobei deren Betrieb gegenüber dem Zeitdiagramm nach Fig. 15 unverändert ist.

Aus dem Prinzipschema können leicht die Ausgangsschaltungen für Frequenzverhältnis, Frequenz, zyklisches Verhältnis usw. abgeleitet werden, die allgemein als digitale Schaltungen vorgesehen sein können.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung des Verhältnisses zwischen zwei Kapazitäten von kleinem Wert, mit Paaren von Analogschaltern, die mit entgegengesetzter Phasenlage derart betrieben werden, daß eine erste bzw. Eingangsspannung und eine zweite bzw. Ausgangsspannung eines Integrators zerhackt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (C) zur Anschaltung der einen oder anderen der beiden Kapazitäten zwischen zwei Paaren Analogschaltern (K 1, K 2 bzw. K 3, K 4) vorgesehen ist, daß jedes Paar von Analogschaltern zwei Schalter umfaßt, deren zwei einander entsprechende Anschlüsse einen gemeinsamen Punkt bilden, an welchen die eine oder andere der zwei Kapazitäten angeschlossen wird, während von den zwei anderen Anschlüssen der eine an Masse und der andere an ein bekanntes Potential angelegt sind, daß der Schalter (K 2) des ersten Paares einerseits mit dem Eingang eines Integrators (5, Co) verbunden ist und der Schalter (K 3) des zweiten Paares mit dem Ausgang (S) des Integrators verbunden ist, daß ferner eine Steuerlogik (6) vorgesehen ist, welche die Steuersignale für die Steuerelektroden (7-10) der Schalter (K 1-K 4) liefert, und daß eine Meßeinrichtung (11) vorhanden ist, welche das Verhältnis der zwei Kapazitäten (C ₁/C ₂) mißt und das Antwortsignal der Vorrichtung auf die eine oder andere der zwei geschalteten Kapazitäten liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (6) die Gruppen von zwei Signalen mit entgegengesetzter Phasenlage, welche zur Steuerung der Analogschalter geliefert werden, um eine vorbestimmte Zeitspanne (t) gegeneinander versetzt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (C) zur Anschaltung bzw. Umschaltung der Kapazitäten (C 1 oder C 2) zwei Paare von Analogschaltern (T 1-T 4) umfaßt, wovon das erste Paar (T 1, T 2) einen gemeinsamen Anschluß aufweist, der auch einen gemeinsamen Anschluß der Schalter (K 3, K 4) bildet, während der andere Anschluß des Schalters (T 1) mit einem Anschluß der Kapazität (C 1) verbunden ist, daß das zweite Paar von Schaltern (T 3, T 4) einen gemeinsamen, mit Masse verbundenen Anschluß aufweist, während der andere Anschluß des Schalters (T 3) mit einem Anschluß der Kapazität (C 2) und mit dem freien Anschluß des Schalters (T 2) verbunden ist, wobei der freie Anschluß des Schalters (T 4) ebenfalls mit dem Anschluß des Schalters (T 1) verbunden ist, welcher mit dem Anschluß der Kapazität (C 1) verbunden ist, und daß die freien Anschlüsse der Kapazitäten (C 1, C 2) gemeinsam mit dem gemeinsamen Anschluß der Schalter (K 1, K 2) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (C 1, C 2) an die Schalter (T 1-T 4)jeweils über ein abgeschirmtes Kabel (25, 26) angeschlossen sind, deren Abschirmung an Masse liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten (C 1, C 2) an die Schalter (K 1, K 2) über ein abgeschirmtes Doppel-T-Element (27) angeschlossen sind, dessen Abschirmung mit Masse verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlogik (6) Steuersignale an die Steuerelektroden der Schalter (T 1-T 4) in solcher Weise anlegt, daß die zwei Kapazitäten (C 1, C 2) dieselbe elektrische Ladung speichern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11) zur Messung des Verhältnisses der Ausgangsspannungen zwei Analogschalter (M 1, M 2) umfaßt, welche abwechselnd gesteuert werden und jeweils an eine Speicherkapazität (28, 30) und an einen Folge- oder Anpassungsverstärker (29, 31) angeschlossen werden, deren Ausgänge die zu vergleichenden Spannungen (V 1, V 2) liefern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator einen Operationsverstärker (Ao) umfaßt, dessen invertierender Eingang über eine Integratorkapazität (23) mit dem Ausgang (V) des Verstärkers verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (S) des Integrators durch ein Filter (24) gesiebt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integratoranschluß (A) des Integrators ein Potentiometer (22) aufweist, welches zwischen der Quelle (Vo) und Masse geschaltet ist, um eine Eichung für den Meßvorgang herzustellen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zerhackte Ausgangsspannung des Schalters (K 2) durch ein RC-Glied (21) vor der Einspeisung in den Integrator gesiebt wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator durch ein RC-Glied (20) abgeglichen ist, welches zwischen Masse und den positiven Eingang geschaltet ist, der symmetrisch zu dem invertierenden Integriereingang ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator einen an eine Integrierkapazität (43) angeschlossenen Verstärker (A 4) umfaßt, der als Adapter geschaltet ist und dessen nichtinvertierender Eingang mit einer Kapazität (45) belastet ist und über einen Schalter (M 1) das Ausgangssignal (V) des Integrators empfängt, während der invertierende Eingang das Ausgangssignal des Schalters (K 2) über ein RC-Glied (44) empfängt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11) zur Messung des Verhältnisses der Kapazitäten (C 1/C 2) eine einzige Spannung (V 2) liefert, welche eine Meßgröße für dieses Verhältnis ist und durch einen als Adapter geschalteten Verstärker (A 2) erzeugt wird aus einer temperaturkompensierten Spannung (V 1) oder dem Ausgangssignal (V) des Integrators, über einen Analogschalter (M 2) und eine Speicherkapazität (46).

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die kompensierte Spannung (V 1) aus einer Gleichspannung (Vo) und mittels einer Zenerdiode (Z 1) gewonnen wird, welche über einen Vorwiderstand (42) zwischen Masse und die Quelle (Uo) geschaltet ist, mit einem Potentiometer (40), welches einen einstellbaren Bruchteil der Zenerspannung abgreift, die anschließend durch eine Kapazität (41) gesiebt und einem als Adapter geschalteten Verstärker (A 1) zugeführt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die kompensierte Spannung (V 1) durch einen Analogschalter (T 5) dem Paar von Schaltern (K 3, K 4) über einen als Adapter geschalteten Verstärker (A 3) zugeführt wird, und daß ein Schalter (T 6), der mit entgegengesetzter Phasenlage zu dem Schalter (T 5) arbeitet, die Ausgangsspannung des Integrators periodisch an die Einrichtung (C) zur Umschaltung der Kapazitäten liefert.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (C) Analogschalter (T 1-T 4) aufweist, welche in Stromflußrichtung hinter den Kapazitäten (C 1, C 2) angeordnet sind, wobei zwei miteinander verbundene Anschlüsse dieser Kapazitäten (C 1, C 2) direkt an einem ersten Paar (K 1, K 2) von Analogschaltern anliegen, so daß sie ein niedriges Impedanzniveau antreffen.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Integrators mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) verbunden ist, dessen Ausgang eine Meßgröße für das Kapazitätsverhältnis liefert und auf die Schalter (K 1-K 4) rückgeschleift ist über eine Logikeinrichtung (50, 51) zur Ansteuerung der Steuerelektroden der Schalter.