DE4135990C1 - Capacitance-frequency converter with offset compensation - has third changeover switch connected to compensating capacitor for switching to different potentials - Google Patents

Capacitance-frequency converter with offset compensation - has third changeover switch connected to compensating capacitor for switching to different potentials

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DE4135990C1 DE19914135990 DE4135990A DE4135990C1 DE 4135990 C1 DE4135990 C1 DE 4135990C1 DE 19914135990 DE19914135990 DE 19914135990 DE 4135990 A DE4135990 A DE 4135990A DE 4135990 C1 DE4135990 C1 DE 4135990C1
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Ludwig Dipl.-Ing. Wallrapp
Dieter Prof. 8520 Erlangen De Seitzer
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    • G01R27/00Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605Measuring capacitance

Abstract

The converter, providing a rectangular output signal with a pulse repetition frequency corresp. to the capacitance of a measured capacitor, uses a pair of change-over switches (S1, S2) on opposite sides of the measured capacitor (Cx), a further capacitor (C1), a current source (R*), a comparator (K1) and a pulse generation circuit (P) controlled by the output of the comparator (C1). A compensation (Ckomp) is coupled to one side of the measured capacitor at one pole and is coupled via a third change-over switch (S3) at its opposite pole, allowing it to be coupled to two different potentials (-kUB, UB), ADVANTAGE - Eliminates stray capacitance effect.

Description

Die vorliegende Zusatzerfindung betrifft eine Weiterbildung eines Kapazitäts-Frequenz-Wandlers zum Erzeugen eines im wesentlichen rechteckförmigen Wandlerausgangssignales mit einer von der Kapazität eines zu messenden Kondensators abhängigen Pulswiederholfrequenz, gemäß Patent Nr. 40 39 006.The present additional invention relates to further training a capacitance-frequency converter for generating an im essential rectangular converter output signals with one of the capacitance of a capacitor to be measured dependent pulse repetition frequency, according to Patent No. 40 39 006.

Aus dem Standardfachbuch Tietze-Schenk, Halbleiter-Schaltungstechnik, 9. Auflage, 1989, Seite 925 ist bereits ein Kapazitäts-Spannungs-Wandler bekannt. Um diesen Kapazitäts- Spannungs-Wandler zu einem Kapazitäts-Frequenz-Wandler zu erweitern, bedarf es eines zusätzlichen Spannungs-Frequenz- Wandlers. Die Ausgangsspannung des bekannten Kapazitäts-Spannungs-Wandlers ist von der Eingangsbezugsspannung abhängig, so daß Schwankungen der Eingangsbezugsspannung zu ent­ sprechenden Meßfehlern führen. Streukapazitäten, die am Eingang des bekannten Kapazitäts-Spannungs-Wandlers parallel zu der zu bemessenden Kapazität nach Masse liegen, gehen in die Ausgangsspannung direkt ein. Das führt dazu, daß der bekannte Kapazitäts-Spannungs-Wandler nur für solche Anwendungsfälle bei hinnehmbar niedrigen Meßfehlern einsetzbar ist, bei denen aufgrund von kurzen Zuleitungen zu der zu messenden Kapazität zu niedrige Streukapazitäten auftreten oder bei denen die zu messende Kapazität einen hohen Wert hat.From the standard textbook Tietze-Schenk, semiconductor circuit technology, 9th edition, 1989, page 925 is already a Capacitance-voltage converter known. To this capacity Voltage converter to a capacitance-frequency converter too expand, an additional voltage-frequency Converter. The output voltage of the known capacitance-to-voltage converter depends on the input reference voltage, so that fluctuations in the input reference voltage ent speaking measurement errors. Stray capacities at the entrance of the known capacitance-voltage converter in parallel of the capacitance to be measured are in the Output voltage directly on. The result is that the known Capacitance-to-voltage converters only for such applications can be used with acceptably low measurement errors, where due to short leads to the measured Capacity too low stray capacities occur or where the capacity to be measured has a high value.

Aus dem Datenbuch für Halbleiterschaltungen: Linear Databook 1990 der Firma Linear Technology Corporation, Seite 11 bis 23, rechte Abbildung oben ist ein Spannungs-Frequenz-Wandler bekannt, der eine geschaltete Kapazität zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers aufweist, wobei der nicht-invertierende Eingang einerseits über einen Widerstand mit Masse und andererseits über eine weitere Kapazität mit dem Ausgang verbunden ist und wobei ferner der invertierende Eingang über den Emitter eines Transistors mit einer negativen Bezugsspannung verbunden ist, dessen Basis an dem gemeinsamen Knoten einer Reihenschaltung eines weiteren Widerstandes und eines weiteren Kondensators anliegt, wobei diese Reihenschaltung zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und Masse liegt. Es ist zwar denkbar, bei einem derartigen Spannungs-Frequenz-Wandler die geschaltete Kapazität durch eine Kapazität zu ersetzen, deren Kapazitätswert zu bestimmen ist und somit bei fester Eingangsspannung diese Schaltung als Kapazitäts-Frequenz-Wandler einzusetzen. Jedoch wäre auch bei einer derartigen Abwandlung der bekannten Schaltung eine Streukapazität gegen Masse in Parallelschaltung zu der zu messenden Kapazität. Ferner wären zwei Bezugspunkte erforderlich, deren eventuelle Variationen direkt in die Ausgangsfrequenz und somit in die erzielbare Meßgenauigkeit eingehen würden.From the data book for semiconductor circuits: Linear Databook 1990 by Linear Technology Corporation, page 11 to 23, right figure above is a voltage-frequency converter known of a switched capacitance between the output and the inverting input of an operational amplifier has, the non-inverting input on the one hand via a resistor with ground and on the other hand via a  further capacity is connected to the output and where furthermore the inverting input via the emitter of a Transistor connected to a negative reference voltage whose base is at the common node of a series connection another resistance and another Capacitor is present, this series connection between the output of the operational amplifier and ground. It is conceivable with such a voltage-frequency converter the switched capacity by a capacity too replace, whose capacity value is to be determined and thus with a fixed input voltage this circuit as a capacitance-frequency converter to use. However, one would also such a modification of the known circuit a stray capacitance against ground in parallel with the one to be measured Capacity. Two reference points would also be required their possible variations directly in the output frequency and would therefore go into the achievable measurement accuracy.

In der Sensorik tritt häufig der Fall auf, daß sich eine Kapazität, die einem physikalischen Wert entspricht, über einen kleinen Bereich ihrer Gesamtkapazität ändert, während sich der zu erfassende physikalische Wert über einen großen Bereich geändert hat. In einen derartigen Fall kann der Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach dem Hauptpatent nur dann eine erhöhte Meßgenauigkeit des physikalischen Wertes liefern, wenn eine erhöhte Genauigkeit in der Messung der Ausgangsfrequenz erreicht wird. Diesem Ziel kann der Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach dem Hauptpatent nur im eingeschränkten Maße genügen.In sensors, there is often the case that a capacitance which corresponds to a physical value changes a small area of their total capacity while the physical value to be recorded has a large value Area has changed. In such a case, the capacitance-to-frequency converter can only one after the main patent deliver increased measurement accuracy of the physical value, if increased accuracy in the measurement of the output frequency is achieved. The capacity-frequency converter can achieve this goal according to the main patent only in limited Dimensions are enough.

Daher liegt der vorliegenden Zusatzerfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kapazitäts-Frequenz-Wandler zu schaffen, bei dem einerseits Streukapazität insbesondere im Bereich der Zuleitungen der zu messenden Kapazität nur einen geringen Einfluß haben und bei der die Meßgenauigkeit durch Schwankungen der Betriebsspannung des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers nur in geringem Maße beeinträchtigt wird und bei dem andererseits eine genauere Messung von kleinen Kapazitätsänderungen erreicht wird.The present additional invention therefore has the task to create a capacitance-to-frequency converter on the one hand stray capacity especially in the area of Supply lines of the capacity to be measured only a small one And the measuring accuracy due to fluctuations the operating voltage of the capacitance-frequency converter  is only slightly affected and on the other hand a more accurate measurement of small changes in capacity is achieved.

Diese Aufgabe wird durch einen Kapazitäts-Frequenz-Wandler gemäß den Patentansprüchen 1 und 4 gelöst.This task is accomplished by a capacitance-to-frequency converter solved according to claims 1 and 4.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kapazitäts-Frequenz-Wandlers sind in den Unteransprüchen angegeben.Preferred developments of the capacitance-frequency converter according to the invention are specified in the subclaims.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kapazitäts-Frequenz-Wandlers näher erläutert. Es zeigt:Below are with reference to the accompanying Drawings preferred embodiments of the invention Capacity-frequency converter explained in more detail. It shows:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers nach dem Hauptpatent; Figure 1 shows a first embodiment of the capacitance-to-frequency converter according to the main patent.

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers nach dem Hauptpatent; Fig. 2 shows a second embodiment of the capacitance-to-frequency converter according to the main patent;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers nach dem Hauptpatent;3 shows a third embodiment of the capacitance-to-frequency converter according to the main patent.

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers nach der Zusatzerfindung; Fig. 4 shows an embodiment of the capacitance-to-frequency converter according to the invention additive;

Fig. 5 ein alternatives Ausführungsbeispiel des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers nach der Zusatzerfindung; Figure 5 is an alternative embodiment of the capacitance-to-frequency converter according to the invention additive.

Fig. 6 eine Ausgestaltung des in Fig. 4 gezeigten Kapazitäts-Frequenz-Wandlers nach der Zusatzerfindung für mehrere bezüglich ihrer Kapazität zu messende Kondensatoren; und Fig. 6 is an embodiment of the shown in Figure 4 capacitance-to-frequency converter according to the invention for a plurality of additive with respect to their capacity to be measured capacitors. and

Fig. 7 eine Ausgestaltung der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers nach der Zusatzerfindung, ebenfalls für mehrere bezüglich ihrer Kapazität zu messende Kondensatoren. FIG. 7 shows an embodiment of the embodiment of the capacitance-frequency converter shown in FIG. 5 according to the additional invention, likewise for a plurality of capacitors to be measured with regard to their capacitance.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt der Kapazitäts-Frequenz-Wandler, der in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, einen ersten Umschalter S1, der mit einem ersten Pol eines bezüglich seiner Kapazität zu messenden Kondensators CX verbunden ist und diesen in einem ersten Schaltzustand mit Masse verbindet oder in einem zweiten Schaltzustand, der in der Figur dargestellt ist, mit einer Betriebsspannung UB verbindet. Der zweite Pol des bezüglich seiner Kapazität zu messenden Kondensators CX ist mit einem zweiten Umschalter S2 verbunden, der diesen in einem ersten Schaltzustand mit einem Knoten KN des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers 1 oder in einem zweiten (hier dargestellten) Zustand mit Masse verbindet. Beide Pole bzw. Anschlüsse des bezüglich seiner Kapazität zu messenden Kondensators CX weisen Streukapazitäten CS1, CS2 gegen Masse auf. Bei den Streukapazitäten kann es sich beispielsweise um die Kapazitäten von Anschlußleitungen handeln, die insbesondere dann einen hohen Wert aufweisen können, wenn der Kondensator mit der zu messenden Kapazität CX über eine weite Strecke von dem Kapazitäts-Frequenz-Wandler beabstandet ist und an diesen über Koaxialleitungen angeschlossen ist. Ein weiterer Kondensator CI liegt zwischen dem Knoten KN und Masse. Der Knoten KN ist an eine spannungsgesteuerte Stromquelle R1, R2, K2, R3, T angeschlossen, die den Knoten mit einem konstanten Strom beaufschlagt, wie dies nachfolgend noch erläutert werden wird.As shown in FIG. 1, the capacitance-to-frequency converter, which is designated in its entirety by reference number 1 , comprises a first changeover switch S1, which is connected to a first pole of a capacitor C X to be measured with regard to its capacitance, and this connects to ground in a first switching state or connects to an operating voltage U B in a second switching state, which is shown in the figure. The second pole of the capacitor C X to be measured with respect to its capacitance is connected to a second changeover switch S2, which connects it in a first switching state to a node KN of the capacitance-frequency converter 1 or in a second state (shown here) to ground. Both poles or connections of the capacitor C X to be measured with regard to its capacitance have stray capacitances C S1 , C S2 to ground. The stray capacitances can be, for example, the capacitances of connecting lines, which can have a high value in particular if the capacitor with the capacitance C x to be measured is spaced a long distance from the capacitance-frequency converter and to it Coaxial lines is connected. Another capacitor C I lies between the node KN and ground. The node KN is connected to a voltage-controlled current source R1, R2, K2, R3, T, which applies a constant current to the node, as will be explained below.

Der Kapazitäts-Frequenz-Wandler 1 umfaßt ferner einen Komparator K1, dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Knoten KN und dessen invertierender Eingang mit Masse verbunden ist. Der Ausgang dieses Komparators K1 bildet den Ausgang des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers, welcher ein im wesentlichen rechteckförmiges Wandlerausgangssignal hat, dessen Frequenz fout proportional zu der Kapazität des zu messenden Kondensators ist. The capacitance-frequency converter 1 further comprises a comparator K1, the non-inverting input of which is connected to the node KN and the inverting input of which is connected to ground. The output of this comparator K1 forms the output of the capacitance-frequency converter, which has a substantially rectangular converter output signal, the frequency f out of which is proportional to the capacitance of the capacitor to be measured.

Der Wandlerausgang A ist mit dem Eingang einer Pulserzeugungsschaltung P verbunden, die zum Erzeugen je eines Impulses von vorgegebener Dauer T bei Auftreten je einer fallenden oder steigenden Flanke des im wesentlichen rechteckförmigen Wandlerausgangssignals dient.The converter output A is connected to the input of a pulse generation circuit P connected to generate one pulse each of predetermined duration T when a falling occurs or rising edge of the substantially rectangular Converter output signal is used.

Bei der Pulserzeugungsschaltung P, die an sich im Stand der Technik bekannt ist, kann es sich entweder um eine analog aufgebaute oder digital aufgebaute Schaltung handeln. Bei vielen Anwendungsfällen des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers wird es möglich sein, sich eines Taktsignales zu bedienen, dessen Taktfrequenz zur Ansteuerung einer digital aufgebauten Pulserzeugungsschaltung verwendet werden kann.In the pulse generation circuit P, which is in the state of the Known technology, it can either be an analog built or digital circuit. At many applications of the capacity-frequency converter it will be possible to use a clock signal whose clock frequency for controlling a digitally constructed Pulse generation circuit can be used.

Der Ausgang der Pulserzeugungsschaltung dient dazu, den ersten Umschalter S1 sowie den zweiten Umschalter S2 in den ersten bzw. zweiten Schaltzustand zu bringen.The output of the pulse generation circuit is used for the first Switch S1 and the second switch S2 in the bring first or second switching state.

Die spannungsgesteuerte Stromquelle, die mit dem Knoten KN verbunden ist, umfaßt einen n-Kanal-Feldeffekttransistor T, dessen Sourceelektrode mit dem Knoten KN verbunden ist und dessen Drainelektrode über einen dritten Widerstand R3 mit der Betriebsspannung UB verbunden ist. Die Drainelektrode des Feldeffekttransistors T ist mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers K2 verbunden, dessen nicht­ invertierender Eingang mit dem gemeinsamen Knoten eines durch zwei Widerstände R1, R2 gebildeten Spannungsteilers verbunden ist. Der Spannungsteiler ist einerseits gegen Masse und andererseits gegen die Betriebsspannung UB geschaltet.The voltage-controlled current source, which is connected to the node KN, comprises an n-channel field effect transistor T, the source electrode of which is connected to the node KN and the drain electrode of which is connected to the operating voltage U B via a third resistor R3. The drain electrode of the field effect transistor T is connected to the inverting input of an operational amplifier K2, the non-inverting input of which is connected to the common node of a voltage divider formed by two resistors R1, R2. The voltage divider is connected on the one hand to ground and on the other hand to the operating voltage U B.

Der von der spannungsgesteuerten Stromquelle R1, R2, R3, T, K2 abgegebene Strom IS kann folgendermaßen in Abhängigkeit von der Betriebsspannung UB und von den Widerstandswerten des ersten bis dritten Widerstandes R1, R2, R3 ausgedrückt werden: The current I S output by the voltage-controlled current source R1, R2, R3, T, K2 can be expressed as a function of the operating voltage U B and the resistance values of the first to third resistors R1, R2, R3:

Nachfolgend wird die Betriebsweise der oben beschriebenen Schaltung näher erläutert. Es sei angenommen, daß das Potential an dem weiteren Kondensator CI ansteigt und soeben das Bezugspotential des Komparators K1 in Richtung auf die Betriebsspannung UB ansteigend durchläuft. Der Komparator K1 schaltet, woraufhin die Pulserzeugungsschaltung P während einer vorgegebenen Zeitdauer T die beiden Umschalter S1, S2 in den zweiten Schaltzustand, welcher in Fig. 1 dargestellt ist, setzt. In diesem Schaltzustand wird der bezüglich seiner Kapazität zu messende Kondensator CX auf die Betriebsspannung UB aufgeladen. Nach Ablauf dieser Zeit nehmen die beiden Umschalter S1, S2 den ersten Schaltzustand ein, welcher entgegengesetzt zu dem in Fig. 1 gezeigten Schaltzustand ist. In diesem Schaltzustand gibt der zu messende Kondensator CX seine Ladung Q an den weiteren Kondensator CI ab, so daß dessen Potential in die der Betriebsspannung entgegengesetzten Spannungsrichtung springt, wodurch der Komparator K1 wieder in seine Ausgangsstellung zurückfällt, woraufhin der weitere Kondensator CI und der bezüglich seiner Kapazität zu messende Kondensator CX über die Stromquelleneinrichtung T, R1 bis R3, K2 in Richtung auf die Betriebsspannung UB hin entladen werden. Sobald das Potential am Knoten KN das Bezugspotential des Komparators K1 in Richtung auf die Betriebsspannung UB hin durchläuft, wiederholt sich der oben beschriebene Vorgang.The mode of operation of the circuit described above is explained in more detail below. It is assumed that the potential at the further capacitor C I rises and just passes through the reference potential of the comparator K1 in the direction of the operating voltage U B rising. The comparator K1 switches, whereupon the pulse generation circuit P sets the two changeover switches S1, S2 to the second switching state, which is shown in FIG. 1, for a predetermined time period T. In this switching state, the capacitor C X to be measured with regard to its capacitance is charged to the operating voltage U B. After this time has elapsed, the two changeover switches S1, S2 assume the first switching state, which is opposite to the switching state shown in FIG. 1. In this switching state, the capacitor C X to be measured transfers its charge Q to the further capacitor C I , so that its potential jumps in the voltage direction opposite the operating voltage, as a result of which the comparator K1 falls back into its starting position, whereupon the further capacitor C I and the capacitor C X to be measured with regard to its capacitance is discharged via the current source device T, R1 to R3, K2 in the direction of the operating voltage U B. As soon as the potential at the node KN passes through the reference potential of the comparator K1 in the direction of the operating voltage U B , the process described above is repeated.

Die Ausgangsfrequenz der Schaltung ergibt sich aus der Schwingungsbedingung für die Schaltung, die wiederum erfordert, daß die der Stromquelleneinrichtung T, R1, R2, R3, K2 zugeführten Ladung derjenigen Ladung gleicht, die dem Knotenpunkt KN über den bezüglich seiner Kapazität zu messenden Kondensation CX zugeführt wird. Hieraus ergibt sich folgende Gleichung:The output frequency of the circuit results from the oscillation condition for the circuit, which in turn requires that the charge supplied to the current source device T, R1, R2, R3, K2 is equal to that charge which the node KN has via the condensation C X to be measured with regard to its capacitance is fed. This results in the following equation:

Wie man erkennt, fällt bei diesem Zusammenhang die Abhängigkeit von der Betriebsspannung UB heraus, so daß folgende Gleichung für die Ausgangsfrequenz gilt:As can be seen, the dependency on the operating voltage U B drops out in this connection, so that the following equation applies to the output frequency:

Die nachfolgende Betrachtung wird zeigen, daß auch die Einflüsse von Streukapazitäten zumindest weitgehend herausfallen.The following consideration will show that the influences of stray capacities at least largely fall out.

Soweit die erste Streukapazität CS1 betroffen ist, wird diese über den ersten Umschalter S1 entweder auf die Betriebsspannung UB geladen oder auf das Bezugspotential entladen. Unter der üblicherweise erfüllten Voraussetzung, daß der Durchgangswiderstand des ersten Umschalters S1 entsprechend niedrig ist, wird der bezüglich seiner Kapazität CX zu messende Kondensator innerhalb der Impulsbreite T, die von der Pulserzeugungsschaltung P festgelegt wird, trotz der ersten Streukapazität CS1 auf die Betriebsspannung UB aufgeladen. Damit hat die erste Streukapazität keinen Einfluß auf die Messung des bezüglich seiner Kapazität zu messenden Kondensators CX.As far as the first stray capacitance C S1 is concerned, it is either charged to the operating voltage U B or discharged to the reference potential via the first changeover switch S1. Under the usually fulfilled condition that the volume resistance of the first switch S1 is correspondingly low, the capacitor to be measured with respect to its capacitance C X becomes within the pulse width T, which is determined by the pulse generation circuit P, despite the first stray capacitance C S1 to the operating voltage U B charged. The first stray capacitance thus has no influence on the measurement of the capacitor C X to be measured with regard to its capacitance.

Soweit die zweite Streukapazität CS2 betroffen ist, so wird diese mit dem weiteren Kondensator CI von dem bezüglich seiner Kapazität CX zu messenden Kondensator einerseits geladen und andererseits über den wirksamen Widerstand R* der Stromquelleneinrichtung entladen. Solange sichergestellt ist, daß der Komparator K1 schaltet, sobald die Spannung an dem Knoten KN das Bezugspotential durchläuft, ist die zweite Streukapazität CS2 zum Schaltzeitpunkt vollständig entladen, so daß sie gleichfalls keinen Einfluß mehr auf die Bestimmung des Kapazitätswertes des zu messenden Kondensators CX hat.As far as the second stray capacitance C S2 is concerned, it is charged with the further capacitor C I on the one hand by the capacitor to be measured with regard to its capacitance C X and on the other hand discharged via the effective resistance R * of the current source device. As long as it is ensured that the comparator K1 switches as soon as the voltage at the node KN passes through the reference potential, the second stray capacitance C S2 is completely discharged at the switching time, so that it likewise no longer has any influence on the determination of the capacitance value of the capacitor C X to be measured Has.

Aus diesem Grunde kann bei dem Kapazitäts-Frequenz-Wandler 1 der bezüglich seines Kapazitätswertes zu messende Kondensator CX weit vom Meßort entfernt angeordnet sein. Insbesondere ist es möglich, den Anschluß dieses Kondensators über Koaxialkabel vorzunehmen, deren Abschirmung auf Bezugspotential liegt und deren Innenleiter den bezüglich seiner Kapazität zu messenden Kondensator CX und den zweiten Umschalter S2 verbindet.For this reason, in the case of the capacitance-to-frequency converter 1, the capacitor C X to be measured with regard to its capacitance value can be arranged far from the measurement location. In particular, it is possible to connect this capacitor via coaxial cables whose shielding is at reference potential and whose inner conductor connects the capacitor C X to be measured with regard to its capacitance and the second changeover switch S2.

Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der in Fig. 1 gezeigten Schaltung, derer man sich bedienen kann, wenn man lediglich die Kapazitätswerte von kleinen Kondensatoren CX bestimmen will. In diesem Fall wird die Stromquelleneinrichtung gemäß Fig. 1 durch einen Widerstand R* ersetzt. Voraussetzung hierfür ist, daß die Kapazität des weiteren Kondensators CI sehr viel größer ist als diejenige des zu messenden Kondensators CX. FIG. 2 shows a simplified embodiment of the circuit shown in FIG. 1, which can be used if one only wants to determine the capacitance values of small capacitors C X. In this case, the current source device according to FIG. 1 is replaced by a resistor R *. The prerequisite for this is that the capacitance of the further capacitor C I is very much larger than that of the capacitor C X to be measured.

Falls die letztgenannte Bedingung erfüllt ist, ist die maximale Spannung UCI max nach Parallelschaltung des zu messenden Kondensators CX und des weiteren Kondensators CI sehr viel kleiner als die Betriebsspannung UB. Die an dem weiteren Kondensator CI maximal auftretende Spannung läßt sich daher folgendermaßen ausdrücken:If the latter condition is met, the maximum voltage U CI max after connecting the capacitor C X to be measured and the further capacitor C I in parallel is very much lower than the operating voltage U B. The maximum voltage occurring at the further capacitor C I can therefore be expressed as follows:

Die mittlere Entladespannung UCI mittel an dem weiteren Kondensator CI kann folgendermaßen ausgedrückt werden:The average discharge voltage U CI medium across the further capacitor C I can be expressed as follows:

Der über eine Periode gemittelte Strom IR mittel durch den Widerstand R* kann folgendermaßen ausgedrückt werden:The current I R averaged over a period through the resistor R * can be expressed as follows:

Aus der siebten Gleichung ist es ersichtlich, daß für Kapazitätswerte des weiteren Kondensators CI, die viel größer als der Kapazitätswert des zu messenden Kondensators sind, folgende Gleichung gilt:It can be seen from the seventh equation that the following equation applies to capacitance values of the further capacitor C I , which are much larger than the capacitance value of the capacitor to be measured:

Obwohl die obige Gleichung für besonders hohe Werte der Kapazität des weiteren Kondensators CI besonders gut erfüllt wird, ist es dennoch nicht möglich, beliebig hohe Kapazitätswerte des weiteren Kondensators CI zu wählen. Die Dimensionierung des weiteren Kondensators CI muß unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Komparators K1 erfolgen, der als reale Schaltung für abnehmende Eingangsspannungsänderungen zunehmende Schaltzeiten für das Umschalten des Ausgangssignals zeigt.Although the above equation for particularly high values of capacitance of the further capacitor C I met particularly well, it is not possible yet to choose arbitrarily high capacitance values of the further capacitor C I. The dimensioning of the further capacitor C I must take into account the properties of the comparator K1, which, as a real circuit for decreasing changes in input voltage, shows increasing switching times for switching the output signal.

Unter Berücksichtigung dieser Eigenschaften des Komparators K1 wird man jedoch bemüht sein, den Kapazitätswert des weiteren Kondensators CI so groß als möglich zu wählen, um auch eventuelle parasitäre Ströme, die zum Bezugspotential hin abfließen, zu verringern. In erster Näherung können diese folgendermaßen ausgedrückt werden:Taking these properties of the comparator K1 into account, however, efforts will be made to choose the capacitance value of the further capacitor C I as large as possible, in order to also reduce any parasitic currents which flow off to the reference potential. In a first approximation, these can be expressed as follows:

Hieraus ergibt sich, daß die Einflüsse parasitärer Widerstände mit ansteigendem Kapazitätswert des weiteren Kondensators CI abnehmen.It follows from this that the influences of parasitic resistances decrease as the capacitance value of the further capacitor C I increases .

Bei geeignet hoher Wahl des Kapazitätswertes des weiteren Kondensators CI ermöglicht somit der erfindungsgemäße Kapazitäts-Frequenz-Wandler 1 die Messung von Kapazitäten CX mit schlechter Güte, wie dies z. B. bei kapazitiven Feuchtesensoren der Fall ist.With a suitably high choice of the capacitance value of the further capacitor C I , the capacitance-to-frequency converter 1 according to the invention thus enables the capacitance C X to be measured with poor quality, as is the case, for. B. is the case with capacitive humidity sensors.

Der Ersatzschaltbild eines Kondensators schlechter Güte entspricht einem idealen Kondensator mit parallel geschaltetem Widerstand. Dieser Wiederstand Rparasitär ist zum Bezugspotential hin wirksam, solange während der Entladephase der erfindungsgemäßen Kapazitäts-Frequenz-Wandlerschaltung der bezüglich seiner Kapazität zu messende Kondensator CX parallel zu dem weiteren Kondensator CI geschaltet ist.The equivalent circuit diagram of a poor quality capacitor corresponds to an ideal capacitor with a resistor connected in parallel. This resistance R is parasitic towards the reference potential as long as the capacitor C X to be measured with regard to its capacitance is connected in parallel with the further capacitor C I during the discharge phase of the capacitance-to-frequency converter circuit according to the invention.

Die Schaltung gemäß Fig. 2 ist verglichen mit der Schaltung nach Fig. 1 dahingehend vorteilhafter, daß sie einfacher, billiger und temperaturstabiler ist, bezüglich der Alterung stabiler ist und breitbandiger arbeitet.The circuit according to FIG. 2 is more advantageous compared to the circuit according to FIG. 1 in that it is simpler, cheaper and more temperature-stable, is more stable with regard to aging and works in a broadband manner.

Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung ist andererseits gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Schaltung dahingehend nachteilig, daß die Ausgangsfrequenz eine geringe Abhängigkeit von der Betriebsspannung UB aufweist, da der Kapazitätswert des weiteren Kondensators CI nicht unendlich groß gewählt werden kann. Bei Verwendung eines einfachen Spannungsreglers für die Betriebsspannung UB kann jedoch die Ausgangsfrequenz als allein von dem zu messenden Kapazitätswert CX abhängig angesehen werden.The circuit shown in FIG. 2, on the other hand, is disadvantageous compared to the circuit shown in FIG. 1 in that the output frequency has little dependence on the operating voltage U B , since the capacitance value of the further capacitor C I cannot be chosen to be infinitely large. When using a simple voltage regulator for the operating voltage U B , however, the output frequency can be regarded as being dependent solely on the capacitance value C X to be measured.

Ferner hat die Schaltung gemäß Fig. 2 eine gewisse Nicht-Linearität der Ausgangsfrequenz in Abhängigkeit vom Kapazitätswert des zu messenden Kondensators CX sowie dem Kapazitätswert des weiteren Kondensators CI, wie dies bereits beschrieben wurde. Falls das durch die Schaltung erzielte Ausmaß an Linearität unzureichend ist, kann die Schaltung durch eine Eichung gemäß der obigen Berechnung von Linearitätsfehlern befreit werden.Furthermore, the circuit according to FIG. 2 has a certain non-linearity of the output frequency depending on the capacitance value of the capacitor C X to be measured and the capacitance value of the further capacitor C I , as has already been described. If the degree of linearity achieved by the circuit is insufficient, the circuit can be freed from linearity errors by calibration according to the above calculation.

Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung stimmt mit Ausnahme der nachfolgend erläuterten Abweichung mit der Schaltung gemäß Fig. 2 überein. Jedoch dient diese zur Messung der Kapazität von einer Mehrzahl N von zu messenden Kondensatoren CX1, CX2, . . . , CS2. Eine entsprechende Mehrzahl N von ersten Schaltern S1₁, . . . , S1N ist je einem der zu messenden Kondensatoren CX1, . . . , CXN zugeordnet. Zwischen dem zweiten Umschalter und dem anderen Pol eines jeden der zu messenden Kondensatoren CX1, . . . , CXN liegt jeweils ein Schalter aus einer entsprechenden Mehrzahl N von dritten Schaltern S3₁, . . . , S3N.The circuit shown in FIG. 3 corresponds to the circuit according to FIG. 2 with the exception of the deviation explained below. However, this is used to measure the capacitance of a plurality N of capacitors C X1 , C X2,. . . , C S2 . A corresponding plurality N of first switches S1₁,. . . , S1 N is one of the capacitors C X1,. . . , C assigned to XN . Between the second switch and the other pole of each of the capacitors C X1,. . . , C XN is a switch from a corresponding plurality N of third switches S3₁,. . . , S3 N.

Eine Schaltersteuerung SS1, SS2, welche von einem Schalteingang SE zur Auswahl des zu messenden Kondensators CX1, . . . , CXN angesteuert wird, aktiviert einen der ersten Umschalter S1₁, . . . , S1N in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Pulserzeugungsschaltung P und schaltet die übrigen ersten Umschalter in ihren ersten Schaltzustand. Ferner schließt die Schaltersteuerung den entsprechenden dritten Schalter S3₁, . . . , S3N und öffnet alle übrigen der dritten Schalter S3₁, . . . , S3N.A switch control SS1, SS2, which is used by a switching input SE to select the capacitor C X1,. . . , C XN is activated, activates one of the first changeover switches S1 1,. . . , S1 N as a function of the output signal of the pulse generation circuit P and switches the remaining first changeover switches to their first switching state. Furthermore, the switch control closes the corresponding third switch S3₁,. . . , S3 N and opens all other of the third switch S3₁,. . . , S3 N.

Soweit nur Kapazitäten CN1 . . . , CXN mit hoher Güte gemessen werden, können die dritten Schalter S3₁, . . . , S3N entfallen, da die nicht interessierenden Kapazitäten bezüglich der zu messenden Kapazität lediglich als Streukapazitäten wirken, die nicht in die Ausgangsspannung eingehen.So far only capacities C N1 . . . , C XN can be measured with high quality, the third switch S3₁,. . . , S3 N are omitted since the capacities of no interest with regard to the capacitance to be measured only act as stray capacitances which are not included in the output voltage.

Soweit nicht nur Kondensatoren mit hoher Güte, sondern auch solche mit schlechter Güte gemessen werden sollen, ist es vorteilhaft, von den dritten Schaltern S3₁, . . . , S3N Gebrauch zu machen, da sie das Fließen parasitärer Ströme über die nicht zu messenden Kapazitäten CX1, . . . , CXN verhindern.As far as not only capacitors with high quality, but also those with poor quality are to be measured, it is advantageous to use the third switches S3 1,. . . To make use of S3 N since they prevent the flow of parasitic currents via the capacitances C X1,. . . , C prevent XN .

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kapazitäts-Frequenz-Wandlers nach Fig. 2 mit einer Kapazitäts-Offset-Kompensation. Diejenigen Schaltungsteile, die mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, stimmen mit der Schaltung nach Fig. 2 überein, so daß auf deren erneute Erläuterung verzichtet werden kann. FIG. 4 shows a modification of the embodiment of the capacitance-to-frequency converter according to FIG. 2 with a capacitance offset compensation. Those parts of the circuit which are designated by the same reference numerals correspond to the circuit according to FIG. 2, so that it is not necessary to explain them again.

Die in Fig. 4 gezeigte Kapazitäts-Frequenz-Wandlerschaltung, die in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfaßt zusätzlich zu der Schaltung gemäß Fig. 2 einen Kompensationskondensator Ckomp, einen dritten Umschalter S3 sowie einen Inverter INV. Der Kompensationskondensator Ckomp ist mit einem Pol mit dem anderen Pol des bezüglich seiner Kapazität zu messenden Kondensators CX verbunden. Der andere Pol des Kompensationskondensators Ckomp ist über den dritten Umschalter S3 entweder in einem ersten Schaltzustand gegen Masse oder in einem zweiten Schaltzustand gegenüber einem ausgangsseitigen Potential des Inverters INV schaltbar. Bei diesem ausgangsseitigen Potential - k · UB handelt es sich um ein Potential, das proportional zu der Betriebsspannung UB und invers zu dieser ist.The capacitance-to-frequency converter circuit shown in FIG. 4, which is designated in its entirety by reference number 1 , comprises, in addition to the circuit according to FIG. 2, a compensation capacitor C comp , a third changeover switch S3 and an inverter INV. The compensation capacitor C comp is connected with one pole to the other pole of the capacitor C X to be measured with regard to its capacitance. The other pole of the compensation capacitor C comp can be switched via the third changeover switch S3 either to ground in a first switching state or to a potential of the inverter INV on the output side in a second switching state. This potential on the output side - k · U B is a potential which is proportional to the operating voltage U B and inversely to it.

Nachfolgend wird die Funktionsweise dieser Schaltung insoweit erläutert, als sie sich von der Funktionsweise der Schaltung gemäß Fig. 2 unterscheidet. In dem gezeigten zweiten Schaltzustand findet die Ladephase des zu messenden Kondensators CX sowie des Kompensationskondensators Ckomp statt. The operation of this circuit is explained below insofar as it differs from the operation of the circuit according to FIG. 2. In the second switching state shown, the charging phase of the capacitor C X to be measured and of the compensation capacitor C comp takes place.

Werden der erste, zweite und dritte Umschalter durch eine Schaltersteuerung, die durch die Pulserzeugungsschaltung P bewirkt sein kann, in den nicht gezeigten ersten Schaltzustand gebracht, so wird der weitere Kondensator CI nur noch mit der Differenz der Ladungen von dem zu messenden Kondensator CX und dem Kompensationskondensator Ckomp beaufschlagt, womit auch die Ausgangsfrequenz fout nur noch von der Differenz der Ladungen abhängt.If the first, second and third changeover switches are brought into the first switching state (not shown) by a switch control, which can be brought about by the pulse generation circuit P, then the further capacitor C I is only removed from the capacitor C X to be measured with the difference in charges and applied to the compensation capacitor C comp , with which the output frequency f out only depends on the difference in the charges.

Auch für die in Fig. 4 gezeigte Schaltung gelten die Gleichungen (1) und (2).Equations (1) and (2) also apply to the circuit shown in FIG. 4.

Aus den Schwingbedingungen für diese Schaltung folgen jedoch die nachfolgend aufgeführten, leicht veränderten Zusammenhänge:However, it follows from the oscillation conditions for this circuit the slightly changed relationships listed below:

Hieraus folgt:From this it follows:

mitWith

Daher gelten für die Schaltungen gemäß Fig. 4 bezüglich der differentiellen Meßkapazität ΔCX diejenigen Zusammenhänge, die bei der Schaltung gemäß Fig. 2 für die Meßkapazität CX selbst gelten.Therefore, for the circuits according to FIG. 4, with regard to the differential measuring capacitance ΔC X, those relationships apply which apply to the measuring capacitance C X itself in the circuit according to FIG. 2.

Für die Streukapazität CS1, CS2 gilt gleichfalls das unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläuterte.The same applies to the stray capacitance C S1 , C S2 as explained with reference to FIG. 2.

An der Kompensationskapazität Ckomp können entsprechende Streukapazitäten anliegen. Da die Ansteuerung der Kompensationskapazität Ckomp und deren Beschaltung der Ansteuerung und der Beschaltung der Meßkapazität CX entsprechen, wirken sich auch hier die Streukapazitäten nicht auf die Ausgangsfrequenz der Schaltung aus. Daher kann auch die Kompensationskapazität Ckomp ebenso wie die Meßkapazität beispielsweise über ein Koaxialkabel angeschlossen werden und sich entfernt von der Schaltung befinden, ohne daß dies die Funktionsweise der Schaltung beeinträchtigen würde.Corresponding stray capacitances can be present at the compensation capacitance C comp . Since the actuation of the compensation capacitance C comp and its wiring correspond to the actuation and the wiring of the measuring capacitance C X , the stray capacitances also have no effect on the output frequency of the circuit. Therefore, the compensation capacitance C comp as well as the measuring capacitance can be connected, for example, via a coaxial cable and be located away from the circuit without this affecting the functioning of the circuit.

Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß Fig. 4. Bei dieser Ausgestaltung ist der Kompensationskondensator Ckomp mit seinem einen Pol gegen Masse geschaltet, während der andere Pol mittels des dritten Umschalters S3 entweder in einem ersten Schaltzustand mit dem anderen Pol des Kondensators CX oder in einem zweiten Schaltzustand mit der Betriebsspannung UB verbindbar ist. Die in Fig. 4 gezeigte Inverterschaltung INV entfällt. FIG. 5 shows a modification of the embodiment according to FIG. 4. In this embodiment, the compensation capacitor C comp is connected to ground with its one pole, while the other pole is connected to the other pole of the capacitor C by means of the third switch S3 either in a first switching state X or in a second switching state can be connected to the operating voltage U B. The inverter circuit INV shown in FIG. 4 is omitted.

Die in Gleichung (3d) angegebene Konstante k ist bei dieser Schaltung 1.The constant k given in equation (3d) is for this Circuit 1.

Bezüglich der Funktionsweise stimmt die in Fig. 5 gezeigte Schaltung mit Ausnahme ihres Verhaltens bezüglich der Streukapazität des Kompensationskondensators Ckomp vollständig mit der in Fig. 4 gezeigten Schaltung überein.With regard to the mode of operation, the circuit shown in FIG. 5 completely agrees with the circuit shown in FIG. 4, with the exception of its behavior with regard to the stray capacitance of the compensation capacitor C comp .

In Fig. 5 wurde eine weitere Streukapazität CS3 des Kompen­ sationskondensators Ckomp dargestellt. Bezüglich dieser Streukapazität ist die Schaltung nach Fig. 5 gegenüber der Schaltung von Fig. 4 nachteilig, da, wie erläutert, die Schaltung gemäß Fig. 4 auch gegenüber Streukapazitäten des Kompensationskondensators unempfindlich ist.In Fig. 5, a further stray capacitance C of the S3 was Kompen sationskondensators C shown comp. With regard to this stray capacitance, the circuit according to FIG. 5 is disadvantageous compared to the circuit of FIG. 4, since, as explained, the circuit according to FIG. 4 is also insensitive to stray capacitances of the compensation capacitor.

Daher kommt die Schaltung gemäß Fig. 5 in Betracht, wenn es nicht auf den Absolutbetrag der Kompensationskapazität Ckomp ankommt und wenn sichergestellt ist, daß sich die Streukapazität CS3 nicht zeitabhängig ändert.The circuit according to FIG. 5 can therefore be considered if the absolute amount of the compensation capacitance C comp is not important and if it is ensured that the stray capacitance C S3 does not change over time.

Die Schaltungen nach den Fig. 6 und 7 zeigen die Anwendung des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers mit Kapazitäts-Offset-Kompensation nach den Fig. 4 und 5 auf die in Fig. 3 gezeigte Kapazitäts-Frequenz-Wandlerschaltung mit einer Vielzahl von bezüglich ihres Kapazitätswertes zu messenden Kondensatoren CX1 bis CXN. Bezüglich der Grundstruktur stimmen daher die Schaltungen nach den Fig. 6 und 7 mit derjenigen gemäß Fig. 3 überein. Es sind lediglich die in Fig. 3 als dritte Schalter S3₁ bis S3N bezeichneten Schalter in den Fig. 6 und 7 als vierte Schalter S4₁ bis S4N bezeichnet. Die Schaltung gemäß Fig. 6 hat somit eine Mehrzahl N von bezüglich ihrer Kapazität zu messenden Kondensatoren CX1, . . . , CXN, eine entsprechende Mehrzahl von ersten Umschaltern S1₁, . . . , S1N, die mit diesen Kondensatoren verbunden sind, eine entsprechende Mehrzahl von vierten Schaltern S4₁, . . . , S4N zwischen den Kondensatoren CX1, . . . , CXN und dem zweiten Umschalter S2, sowie eine entsprechende Mehrzahl N von Kompensationskondensatoren Ckomp1 bis CkompN. Insoweit ist die Schaltung gemäß Fig. 6 identisch zu derjenigen gemäß Fig. 7.The circuits according to FIGS. 6 and 7 show the application of the capacitance-frequency converter with capacitance offset compensation according to FIGS. 4 and 5 to the capacitance-frequency converter circuit shown in FIG. 3 with a variety of capacitance values capacitors to be measured C X1 to C XN . With regard to the basic structure, the circuits according to FIGS. 6 and 7 therefore correspond to those according to FIG. 3. There are only designated in Fig. 3 as the third switch S3₁ to S3 N switch in Figs. 6 and 7 as the fourth switch S4₁ to S4 N. The circuit of FIG. 6 thus has a plurality of N with respect to their capacity to be measured capacitors C X1. . . , C XN , a corresponding plurality of first switches S1₁,. . . , S1 N , which are connected to these capacitors, a corresponding plurality of fourth switches S4₁,. . . , S4 N between the capacitors C X1,. . . , C XN and the second switch S2, and a corresponding plurality N of compensation capacitors C komp1 to C kompN . In this respect, the circuit according to FIG. 6 is identical to that according to FIG. 7.

Bei der Schaltung gemäß Fig. 6 ist eine entsprechende Mehrzahl N von dritten Umschaltern S3₁, . . . , S3N vorgesehen, mit denen jeweils der andere Pol eines zugeordneten Kompensationskondensators Ckomp1, . . . , CkompN entweder in einem ersten Schaltzustand gegen das Bezugspotential oder Massepotential oder in einem zweiten Schaltzustand gegen die Ausgangsspannung des Inverters INV, die gegenüber der Betriebsspannung invers und proportional zu dieser ist, schaltbar ist.In the circuit of Fig. 6 is a corresponding plurality of N third switches S3₁. . . , S3 N are provided, with each of which the other pole of an assigned compensation capacitor C komp1,. . . , C kompN can be switched either in a first switching state against the reference potential or ground potential or in a second switching state against the output voltage of the inverter INV, which is inverse to and proportional to the operating voltage.

Zwischen dem einen Pol eines jeden Kompensationskondensators Ckomp1 bis CkompN und dem zweiten Umschalter S2 liegt eine entsprechende Mehrzahl N von fünften Schaltern S5₁, . . . , S5N. Eine Schaltersteuerung SS1, SS2 aktiviert je einen der ersten und dritten Umschalter abhängig von dem Ausgangssignal der Pulserzeugungsschaltung P und schaltet die übrigen der ersten und dritten Umschalter in den ersten Schaltzustand. Ferner schließt sie den entsprechenden vierten und fünften Schalter und läßt die übrigen vierten und fünften Schalter geöffnet.Between the one pole of each compensation capacitor C komp1 to C kompN and the second changeover switch S2 there is a corresponding plurality N of fifth switches S5 1,. . . , S5 N. A switch control SS1, SS2 activates one of the first and third changeover switches depending on the output signal of the pulse generation circuit P and switches the remaining of the first and third changeover switches to the first switching state. It also closes the corresponding fourth and fifth switches and leaves the remaining fourth and fifth switches open.

Bei der alternativen Schaltung gemäß Fig. 7 ist jeder Kompensationskondensator Ckomp1 bis CkompN mit einem Pol gegen Masse geschaltet. Der andere Pol eines jeden Kompensationskondensators Ckomp1 bis CkompN ist mittels eines zugeordneten dritten Umschalters S3₁ bis S3N in einem ersten Schaltzustand mit dem anderen Pol des zugeordneten, zu messenden Kondensators CX1 bis CXN oder in einem zweiten Schaltzustand mit der Betriebsspannung UB verbindbar.In the alternative circuit according to FIG. 7, each compensation capacitor C komp1 to C kompN is connected to ground with one pole. The other pole of each compensation capacitor C komp1 to C kompN is by means of an assigned third switch S3₁ to S3 N in a first switching state with the other pole of the assigned capacitor C X1 to C XN to be measured or in a second switching state with the operating voltage U B connectable.

Claims (16)

1. Kapazitäts-Frequenz-Wandler zum Erzeugen eines im wesentlichen rechteckförmigen Wandlerausgangssignales mit einer von der Kapazität eines zu messenden Kondensators abhängigen Pulswiederholfrequenz, mit:
  • - einem ersten Umschalter (S1), mit dem ein Pol des Kondensators (CX) entweder in einem ersten Schaltzustand gegen ein erstes Potential oder in einem zweiten Schaltzustand gegen ein zweites Potential (UB) schaltbar ist,
  • - einem zweiten Umschalter (S2), mit dem der andere Pol eines Kondensators (CX) entweder in einem ersten Schaltzustand mit einem Knoten (KN) verbindbar oder in einem zweiten Schaltzustand gegen ein drittes Potential schaltbar ist,
  • - einem weiteren Kondensator (CI), der einerseits mit dem Knoten (KN) und andererseits mit einem vierten Potential verbunden ist,
  • - einer mit dem Knoten (KN) verbundenen Stromquelleneinrichtung (R*; R1, R2, R3, K2, T),
  • - einem Komparator (K1), dessen erster Eingang mit dem Knoten (KN) und dessen zweiter Eingang mit einem fünften Potential verbunden sind und dessen Ausgang das Wandlerausgangspotential liefert, und
  • - einer an den Ausgang des Komparators (K1) angeschlossenen Pulserzeugungsschaltung (P) zum Erzeugen je eines Pulses von vorgegebener Dauer (T) bei Auftreten einer Flanke des im wesentlichen rechteckförmigen Wandlerausgangssignals, deren Ausgang mit den den Schaltzustand steuernden Eingängen des ersten und zweiten Umschalters (S1, S2) verbunden ist, nach Patent Nr. 40 39 006,
1. Capacitance-frequency converter for generating an essentially rectangular converter output signal with a pulse repetition frequency that is dependent on the capacitance of a capacitor to be measured, with:
  • a first changeover switch (S1) with which a pole of the capacitor (C X ) can be switched either in a first switching state against a first potential or in a second switching state against a second potential (U B ),
  • a second changeover switch (S2) with which the other pole of a capacitor (C X ) can either be connected to a node (KN) in a first switching state or can be switched to a third potential in a second switching state,
  • a further capacitor (C I ) which is connected on the one hand to the node (KN) and on the other hand to a fourth potential,
  • - a current source device (R *; R1, R2, R3, K2, T) connected to the node (KN),
  • a comparator (K1), the first input of which is connected to the node (KN) and the second input of which is connected to a fifth potential and the output of which provides the converter output potential, and
  • - A pulse generating circuit (P) connected to the output of the comparator (K1) for generating one pulse each of a predetermined duration (T) when an edge of the substantially rectangular converter output signal occurs, the output of which pulse with the inputs of the first and second changeover switches controlling the switching state ( S1, S2) is connected, according to Patent No. 40 39 006,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein Kompensationskondensator (Ckomp) vorgesehen ist, der mit seinem einen Pol mit dem anderen Pol des Kondensators (CX) verbunden ist, und
  • - daß ein dritter Umschalter (S3) vorgesehen ist, mit dem der andere Pol des Kompensationskondensators (Ckomp) entweder in einem ersten Schaltzustand gegen ein sechstes Potential oder in einem zweiten Schaltzustand gegen ein siebtes Potential (-kUB), das eine gegenüber dem zweiten Potential (UB) inverse Polarität hat, schaltbar ist.
characterized by
  • - That a compensation capacitor (C comp ) is provided, which is connected with its one pole to the other pole of the capacitor (C X ), and
  • - That a third changeover switch (S3) is provided, with which the other pole of the compensation capacitor (C comp ) either in a first switching state against a sixth potential or in a second switching state against a seventh potential (-kU B ), one against the second potential (U B ) has inverse polarity, is switchable.
2. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, dritte, vierte, fünfte und sechste Potential gleich einem Bezugspotential sind.2. capacitance-frequency converter according to claim 1, characterized in that the first, third, fourth, fifth and sixth potential are equal to a reference potential. 3. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
daß das zweite Potential gleich der Betriebsspannung (UB) des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers ist, und
daß das siebte Potential proportional zu der inversen Betriebsspannung ist.
3. capacitance-frequency converter according to claim 1 or 2, characterized in that
that the second potential is equal to the operating voltage (U B ) of the capacitance-frequency converter, and
that the seventh potential is proportional to the inverse operating voltage.
4. Kapazitäts-Frequenz-Wandler zum Erzeugen eines im wesentlichen rechteckförmigen Wandlerausgangssignales mit einer von der Kapazität eines zu messenden Kondensators abhängigen Pulswiederholfrequenz, mit:
  • - einem ersten Umschalter (S1), mit dem ein Pol des Kondensators (CX) entweder in einem ersten Schaltzustand gegen ein erstes Potential oder in einem zweiten Schaltzustand gegen ein zweites Potential (UB) schaltbar ist,
  • - einem zweiten Umschalter (S2), mit dem der andere Pol des Kondensators (CX) entweder in einem ersten Schaltzustand mit einem Knoten (KN) verbindbar oder in einem zweiten Schaltzustand gegen ein drittes Potential schaltbar ist,
  • - einem weiteren Kondensator (CI), der einerseits mit dem Knoten (KN) und andererseits mit einem vierten Potential verbunden ist,
  • - einer mit dem Knoten (KN) verbundenen Stromquelleneinrichtung (R*; R1, R2, R3, K2, T),
  • - einem Komparator (K1), dessen erster Eingang mit dem Knoten (KN) und dessen zweiter Eingang mit einem fünften Potential verbunden sind und dessen Ausgang das Wandlerausgangssignal liefert, und
  • - einer an den Ausgang des Komparators (K1) angeschlossenen Pulserzeugungsschaltung (P) zum Erzeugen je eines Pulses von vorgegebener Dauer (T) bei Auftreten einer Flanke des im wesentlichen rechteckförmigen Wandlerausgangssignales, deren Ausgang mit den den Schaltzustand steuernden Eingängen des ersten und zweiten Umschalters (S1, S2) verbunden ist, nach Patent Nr. 40 39 006,
4. capacitance-frequency converter for generating an essentially rectangular converter output signal with a pulse repetition frequency that is dependent on the capacitance of a capacitor to be measured, with:
  • a first changeover switch (S1) with which a pole of the capacitor (C X ) can be switched either in a first switching state against a first potential or in a second switching state against a second potential (U B ),
  • a second changeover switch (S2) with which the other pole of the capacitor (C X ) can either be connected to a node (KN) in a first switching state or can be switched to a third potential in a second switching state,
  • a further capacitor (C I ) which is connected on the one hand to the node (KN) and on the other hand to a fourth potential,
  • - a current source device (R *; R1, R2, R3, K2, T) connected to the node (KN),
  • - a comparator (K1), the first input of which is connected to the node (KN) and the second input of which is connected to a fifth potential and the output of which provides the converter output signal, and
  • - A pulse generation circuit (P) connected to the output of the comparator (K1) for generating one pulse each of a predetermined duration (T) when an edge of the essentially rectangular converter output signal occurs, the output of which pulse with the inputs of the first and second changeover switches controlling the switching state ( S1, S2) is connected, according to Patent No. 40 39 006,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß ein Kompensationskondensator (Ckomp) vorgesehen ist, der mit seinem einen Pol gegen ein achtes Potential geschaltet ist, und
  • - daß ein dritter Umschalter (S3) vorgesehen ist, mit dem der andere Pol des Kompensationskondensators (Ckomp) entweder in einem ersten Schaltzustand mit dem anderen Pol des Kondensators (CX) oder in einem zweiten Schaltzustand mit einem neunten Potential (UB) verbindbar ist.
characterized,
  • - That a compensation capacitor (C comp ) is provided, which is connected with its one pole to an eighth potential, and
  • - That a third changeover switch (S3) is provided with which the other pole of the compensation capacitor (C comp ) either in a first switching state with the other pole of the capacitor (C X ) or in a second switching state with a ninth potential (U B ) is connectable.
5. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste, dritte, vierte, fünfte und achte Potential gleich dem Bezugspotential sind.5. capacitance-frequency converter according to claim 4, characterized in that the first, third, fourth, fifth and eighth potential are equal to the reference potential. 6. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite und neunte Potential gleich der Betriebsspannung (UB) sind.6. capacitance-frequency converter according to claim 4 or 5, characterized in that the second and ninth potential are equal to the operating voltage (U B ). 7. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelleneinrichtung eine spannungsgesteuerte Stromquelle (R1, R2, R3, K2, T) ist,7. capacitance-frequency converter according to one of claims 1 to 6, characterized, that the current source device is a voltage controlled Current source (R1, R2, R3, K2, T), 8. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stromquelleneinrichtung einen Spannungsteiler (R1, R2), einen Operationsverstärker (K2), dessen nichtinvertierender Eingang mit dem Spannungsteilerknoten des Spannungsteilers (R1, R2) verbunden ist, einen FET-Transistor (T) und einen Widerstand (R3) aufweist,
daß der Widerstand (R3) zwischen dem zweiten Potential (UB) und der Drainelektrode des FET-Transistors (T) geschaltet ist,
daß das Gate des FET-Transistors (T) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (K2) und dessen Sourceelektrode (S) mit dem Knoten (KN) des Kapazitäts-Frequenz-Wandlers (1) verbunden ist, und
daß der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (K2) mit der Drainelektrode (D) des FET-Transistors (T) verbunden ist.
8. capacitance-frequency converter according to claim 7, characterized in
that the current source device has a voltage divider (R1, R2), an operational amplifier (K2), the non-inverting input of which is connected to the voltage divider node of the voltage divider (R1, R2), a FET transistor (T) and a resistor (R3),
that the resistor (R3) is connected between the second potential (U B ) and the drain electrode of the FET transistor (T),
that the gate of the FET transistor (T) is connected to the output of the operational amplifier (K2) and its source electrode (S) to the node (KN) of the capacitance-to-frequency converter ( 1 ), and
that the inverting input of the operational amplifier (K2) is connected to the drain electrode (D) of the FET transistor (T).
9. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kapazität des Kondensators (CX) viel kleiner als die Kapazität des weiteren Kondensators (CI) ist, und
daß die Stromquelleneinrichtung durch einen zwischen den Knoten (KN) und ein drittes Spannungspotential (UB) geschalteten Widerstand (R*) gebildet ist.
9. capacitance-frequency converter according to one of claims 1 to 8, characterized in
that the capacitance of the capacitor (C X ) is much smaller than the capacitance of the further capacitor (C I ), and
that the current source device is formed by a resistor (R *) connected between the node (KN) and a third voltage potential (U B ).
10. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Spannungspotential gleich dem ersten Spannungspotential (UB) ist.10. capacitance-frequency converter according to claim 9, characterized in that the third voltage potential is equal to the first voltage potential (U B ). 11. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder nach einem der Ansprüche 7 bis 10 in Rückbeziehung auf Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mehrzahl (N) von zu messenden Kondensatoren (CX1, . . . , CXN) vorgesehen sind,
daß eine entsprechende Mehrzahl (N) von ersten Umschaltern (S1₁, . . . , S1N) mit den Kondensatoren (CX1, . . . , CXN) verbunden sind,
daß eine entsprechende Mehrzahl (N) von vierten Schaltern (S4₁, . . . , S4N) zwischen den Kondensatoren (CX1, . . . , CXN) und dem zweiten Umschalter (S2) geschaltet sind,
daß eine entsprechende Mehrzahl (N) von Kompensationskondensatoren Ckomp1, . . . , CkompN) vorgesehen sind,
daß eine entsprechende Mehrzahl (N) von dritten Umschaltern (S3₁, . . . , S3N) vorgesehen sind, mit denen der andere Pol eines zugeordneten Kompensationskondensators (Ckomp1, . . . , CkompN) entweder in einem ersten Schaltzustand gegen das sechste Potential oder in einem zweiten Schaltzustand gegen das siebte Potential schaltbar ist, und
daß zwischen dem einen Pol eines jeden Kompensationskondensators (Ckomp1, . . . , CkompN) und dem zweiten Umschalter (S2) je einer aus einer entsprechenden Mehrzahl (N) von fünften Schaltern (S5₁, . . . , S5N) angeordnet ist.
11. Capacity-frequency converter according to one of claims 1 to 3 or according to one of claims 7 to 10 in relation to claim 1, characterized in that
that a plurality (N) of capacitors to be measured (C X1 , ... , C XN ) are provided,
that a corresponding plurality (N) of first switches (S1₁,..., S1 N ) are connected to the capacitors (C X1 ,..., C XN ),
that a corresponding plurality (N) of fourth switches (S4₁,..., S4 N ) are connected between the capacitors (C X1 ,..., C XN ) and the second changeover switch (S2),
that a corresponding plurality (N) of compensation capacitors C komp1,. . . , C kompN ) are provided,
that a corresponding plurality (N) of third switches (S3₁,.., S3 N ) are provided with which the other pole of an assigned compensation capacitor (C komp1 , ... , C kompN ) either in a first switching state against the sixth Potential or in a second switching state is switchable against the seventh potential, and
that between the one pole of each compensation capacitor (C komp1 , ... , C kompN ) and the second changeover switch (S2) one of a corresponding plurality (N) of fifth switches (S5 1,..., S5 N ) is arranged .
12. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 10 in Rückbeziehung auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Mehrzahl (N) von zu messenden Kondensatoren (CX1, . . . , CXN) vorgesehen sind,
daß eine entsprechende Mehrzahl (N) von ersten Umschaltern (S1₁, . . . , S1N) mit den Kondensatoren (CX1, . . . , CXN) verbunden sind,
daß eine entsprechende Mehrzahl (N) von vierten Schaltern (S4₁, . . . , S4N) zwischen den Kondensatoren (CX1, . . . , CXN) und dem zweiten Umschalter (S2) geschaltet sind,
daß eine entsprechenden Mehrzahl (N) von Kompensationskondensatoren (Ckomp1, . . . , CkompN) vorgesehen sind, und
daß eine entsprechende Mehrzahl (N) von dritten Umschaltern (S3₁, . . . , S3N) vorgesehen sind, mit denen jeweils der andere Pol von einem der zugeordneten Kompensationskondensatoren (Ckomp1, . . . , CkompN) entweder in einem ersten Schaltzustand mit dem anderen Pol von einem der zugeordneten Kondensatoren (CX) oder in einem zweiten Schaltzustand mit dem neunten Potential (UB) verbindbar sind.
12. capacitance-frequency converter according to one of claims 4 to 10 in relation to claim 4, characterized in that
that a plurality (N) of capacitors to be measured (C X1 , ... , C XN ) are provided,
that a corresponding plurality (N) of first switches (S1₁,..., S1 N ) are connected to the capacitors (C X1 ,..., C XN ),
that a corresponding plurality (N) of fourth switches (S4₁,..., S4 N ) are connected between the capacitors (C X1 ,..., C XN ) and the second changeover switch (S2),
that a corresponding plurality (N) of compensation capacitors (C komp1 , ... , C kompN ) are provided, and
that a corresponding plurality (N) of third switches (S3₁,.., S3 N ) are provided, with each of which the other pole of one of the associated compensation capacitors (C komp1 , ... , C kompN ) either in a first switching state can be connected to the other pole of one of the assigned capacitors (C X ) or in a second switching state to the ninth potential (U B) .
13. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltersteuerung (SS1, SS2) je einen der ersten und dritten Umschalter (S1₁, . . . , S1N, S3₁, . . . , S3N) abhängig von dem Ausgangssignal der Pulserzeugungsschaltung (P) aktiviert und die übrigen der ersten und dritten Umschalter in den ersten Schaltzustand schaltet und den entsprechenden vierten und fünften Schalter (S4₁, . . . , S4N, S5₁, . . . , S5N) schließt und die übrigen vierten und fünften Schalter öffnet.13. capacitance-frequency converter according to claim 11, characterized in that a switch control (SS1, SS2) each one of the first and third changeover switches (S1₁,..., S1 N , S3₁,..., S3 N ) depending on the output signal of the pulse generating circuit (P) is activated and the rest of the first and third changeover switches are switched to the first switching state and the corresponding fourth and fifth switches (S4₁,..., S4 N , S5₁,..., S5 N ) are closed and the remaining fourth and fifth switches opens. 14. Kapazitäts-Frequenz-Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltersteuerung (SS1, SS2) je einen der ersten und dritten Umschalter (S1₁, . . . , S1N; S3₁, . . . , S3N) abhängig von dem Ausgangssignal der Pulserzeugungsschaltung (P) aktiviert und die übrigen ersten und dritten Umschalter in den ersten Schaltzustand schaltet und den entsprechenden vierten Schalter (S4₁, . . . , S4N) schließt sowie die übrigen vierten Schalter öffnet.14. Capacity-frequency converter according to claim 12, characterized in that a switch control (SS1, SS2) each one of the first and third changeover switches (S1₁,..., S1 N ; S3₁,..., S3 N ) depending on the output signal of the pulse generating circuit (P) is activated and the remaining first and third changeover switches are switched to the first switching state and the corresponding fourth switch (S4 1,..., S4 N ) closes and the other fourth switches are opened.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19744152A1 (en) * 1997-10-07 1999-04-29 Ifm Electronic Gmbh Circuit arrangement for detecting the capacitance or a change in capacitance of a capacitive circuit or component
WO2002075331A1 (en) * 2001-03-16 2002-09-26 Nils Aage Juul Eilersen Capacitance measuring circuit

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