FI57319B - Foerfarande foer maetning av smao kapacitanser - Google Patents

Description

(55F7I M (11} KUULUTUSJULKAISU ς7710

JjSTff l J ,'11' UTLÄG6N I NCSSKIIIFT 5 / ί I “ JS8 C (45) i-yc::r~ tty 13 :7 1930

Patent medilclat ^ ^ (51) K».lk?/lnt.CI.3 Ö 01 E 27/26 SUOMI—FINLAND (21) P*wrt*»wkemu·—r*wcsn«eki«l»| 773063 (22) H*k*«J»pWvl—Λη·β1α*ι*Λ| lU.10.77 (23) AlkupUvt—GlMgh«adif lU.10.77 (41) Tullut (ulklMkri — BIMt oftatllg 15 OU.79 ΡΜΜ» J. nkltt«4MIM« m) ,m.-

Patent· oeh reflateratyralaan Aiweku utla|d och utiiwiitM pubikwnd 31.03.80 (32)(33)(31) *rr*««y «υοΙΙι*ι·—»*|M priorittt (71) Vaisala Oy, 001+20 Helsinki 1+2, Suomi-Finland (FI) (72) Jorma Ponkala, Helsinki, Suomi-Finland(FI) (7I+) Forssan & Salomaa Oy (5^) Menetelmä pienten kapasitanssien mittaamiseksi -Förfarande för mätning av smä kapacitanser

Keksinnön kohteena on menetelmä pienten kapasitanssien mittaamiseksi siten, että hajakapasltanssien vaikutus saadaan eliminoiduksi, jossa menetelmässä käytetään RC-oskiIlaattorlpiiriä, Jonka lähtötaajuus on riippuvainen, sopi-vimmin kääntäen verrannollisesti, mitattavasta kapasitanssista.

Pienten kapasitanssien mittauksessa on ilmennyt vaikeuksia, etenkin sen takia, että mittaustulokseen vaikuttavat ennestään tunnettuja menetelmiä käytettäessä mittausjohtimien kapasitanssit Ja hajakapasitanssit, jotka voivat olla suuruusluokaltaan yhtä suuria kuin mitattavat pienet kapasitanssit.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on saada aikaan menetelmä, jossa edellä ilmenneet epäkohdat saadaan vältetyksi Ja pienet kapasitanssit mitatuksi siten, että hajakapasltanssien vaikutus saadaan eliminoidukst. Tarkoituksena on myös saada aikaan menetelmä, jossa mlttauspiirin syöttö-jännitteen pienet vaihtelut eivät vaikuta mittaustarkkuuteen.

Lisäksi keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä, joka on sopiva telemetrikäyttöön esim. radiosondelssa. Tarkoituksena on myös saada 2 57319 aikaan sellainen menetelmä, Joka on toteutettavissa yksinkertaisin ja hai vei n laiteratkaisuin.

Mainittuihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnölle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että menetelmässä mitattava kapasitanssi kytketään pieni-impedanssisen generaattorin ja vain virtaa mittaavan piirin välille, esim. invertoivan vahvistimen tulon Ja lähdön välille.

Keksinnön mukainen menetelmä on erityisesti tarkoitettu telemetrl käyttöön, jossa on useita mitattavia kapasitansseja, Jotka vuorotellen kytketään mittauspiirl in elektronisella vaihtokytkimellä. Keksinnön mukaisesti tällöin elektronisena vaihtokytkiminä käytetään sopivimmin CMOS-differenti-aaIivahvistinpakettia tai vastaavaa, Jonka eri vahvistimien lähdöt on kytketty kukin mitattavaan kapasitanssiin ja tulot askeltavaan piiriin mita+tavan signaalin ollessa johdettu mittauspiirin lähtöön CMOS-paketin tai vastaavan jännitesyötöstä.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyyn keksinnön erääseen sovellutusesimerkki in.

Kuvio I esittää piiriratkaisua, joka toteuttaa keksinnön mukaista menetelmää.

Kuvio 2 esittää sellaista keksinnön sovellutusta, jossa mitattava kapasitanssi on kytketty kahden koaksiaalikaapelin avulla etäälle mittauspiiristä.

Kuvio 3 esittää sellaista keksinnön sovellutusta, Jossa on useita mitattavia kapasitansseja vuorotellen kytkettynä mittauspiIriin erityisellä keksinnön mukaisella vaihtokytkimellä.

Kuvio 4 esittää yksityiskohtaisesti kuviossa 3 esitettyjen CMOS-differentiaal1-vahvistimien periaatteellista rakennetta.

Kuvion I, 2 Ja 3 mukaisesti keksinnön menetelmää soveltavaan mittauspiiriin 10 kuuluu invertoiva vahvistin I pisteiden A ja B välillä. Invertoiva vahvistin I on vastuksen R( kautta kytketty bistabiilin värähtelypiirin 4 tuloon C. Bistabiili värähtelypiiri 4 on kuvioiden mukaisesti esitetty muodostuvaksi kahdesta invertoivasta vahvistimesta 2 ja 3 ja sen lähtö D on takaisinkytketty vastuksella R-j sen tuloon. Kyseinen bistabiili 3 5731 9 piiri 4 on esim. Schmitt-trigger!, Jonka toiminnalle tunnetusti on ominaista kaksi jännitetasoa ja niiden välinen hystereesi.

Mitattava kapasitanssi on kytketty invertoivan vahvistimen I tulon A ja lähdön B välille. BIstabi111n piirin 4 lähdöstä D saadaan taajuus f = l/T, Joka on mitattavan kapasitanssin CM mittana sopivimmin siten, että kyseisessä RC-oskiIlaattoripiirissä sen lähtötaajuus f on kääntäen verrannollinen mitattavaan kapasitanssiin C^. Eräänä olennaisena piirteenä keksinnön menetelmää soveltavassa piiriratkaisussa on se, että blstabil-lin piirin 4 lähtö D on resistiivisestI vastuksen R2 kautta takaisinkytketty invertoivan vahvistimen I tuloon A. Tärkeätä on myös se, että invertoivan vahvistimen I tulo A on riittävän selvästi erotettu (pieni kapasitanssi) sen lähdöstä B. Tärkeätä on myös pisteessä A riittävän suuri resistiivinen sisäämenoimpedanssi.

Edellä selostetun kytkennän toiminta on seuraava. Oletetaan, että piste D on aluksi syöttöjännitteen positiivisessa puolessa. Tällöin virta vastuksen R2 pyrkii nostamaan pisteen A jännitettä. Koska vahvistin I on invertoiva, niin pisteen A jännitteen nousemispyrkimys vaikuttaa alentavasti pisteen B jännitteeseen ja mitattavan kapasitanssin kautta myös alentavasti pisteen A jännitteeseen. Lopputuloksena on se, että Ideaali-tapauksessa pisteen A jännite ei muutu lainkaan. Tällöin mitattava kapasitanssi CM latautuu vakiovirralla, Jonka suuruuden määrää resistanssi Rj Ja pisteiden D ja A välinen jännite. Kun pisteen B jännite on alentunut bistabiilin piirin, kuvioissa Schmitt-triggerin 4, alemmalle Iiipaisutasolle, niin tällöin btstabiili piiri vaihtaa tilaansa Ja pisteen D jännite äkkinäisesti putoaa syöttöjännitteen negatiiviselle puolelle, mistä alkaen piirin toiminta Jatkuu edellä kuvatulla tavalla, kuitenkin niin, että virroilla on vastakkainen suunta edellä selostettuun nähden.

Tärkeätä edellä selostetussa on havaita se, että pisteen A jännite el lainkaan muuttunut toimintajakson aikana missään valheessa. Tästä on tärkeänä seurauksena se, että pisteestä A maahan kytkeeytyvä, oheisessa kuviossa I katkoviivoin esitetty hajakapasitanssi C^| ei vaikuta piirin Iähtötaajuuteen f juuri siksi, ettei pisteen A jännite muutu ja täten hajakapasitanssi a CH| ei ladata eikä pureta. Samoin on asianlaita jos kytketään pisteeseen B hajakapasitanssi, nimittäin tällöinkään lähtötaajuus f 4 5731 9 ei muutu, koska Ideaalitapauksessa Invertoiva vahvistin I pystyy antamaan +ai ottamaan riittävän suuren virran niin, että se voi muun toimensa ohella ladata Ja purkaa kyseistä hajakapasltanssta C^·

Edellä esitettyyn perustuu se, että kuvion 2 mukaisesti voidaan mitattava kapasitanssi viedä esim. kahden koaksiaalikaapelin 5a Ja 5b avulla verraten kauas varsinaisesta mlttausplIrlstä. Tämä on käytännössä erittäin suuri etu, sillä esim. radlosondeissa mitattavat kapasitanssit sijaitsevat erillään toisistaan Ja keksintöä soveltaen voidaan eri kapasitanssit kytkeä esim. koaksiaalikaapeleilla kyseessä olevaan mittauspiIriin, ilman että mittaustarkkuus lainkaan vähenee. Ennestään tunnetuissa · pienten kapasitanssien mittausmenetelmässä tällainen järjestely on ollut täysin mahdotonta.

Tärkeä etu keksinnössä on myös se, että sitä sovellettaessa voidaan vaihtokytkimellä, Joka on mekaaninen tai elektroninen kytkin, vaihtaa mitattava kapasitanssi toisiin kapasitansseihin, Jotka voivat olla esim. referenssejä, Ilman että vaihtokytkimenkään hajakapasitanssit vaikuttavat mittaustuloksiin.

Kuviossa 3 ja 4 on esitetty eräs edullinen elektroninen vaihtokytkin kyseessä olevaan käyttöön. Kuvion 3 mukaisesti valhtokytklmessä on CMOS-different laa I I vahvisti npaketti, Jossa on kuusi vahvistinyksikköä 7j-7V|. Keksinnön mukaisessa elektronisessa valhtokytklmessä on omalaatuista Ja uutta se, että vahvistimet on kytketty "väärinpäin" siten, että eri vahvistimien 7|-7yj lähdöt (ulostulot) bj —by on kytketty mitattaviin kapasitansselhln Ja tulot aj-a^ (sIsäänmenot) on kytketty sinänsä tunnettuun askeltavaan piiriin 8, joka antaa nuolella 9 kuvatun vaikutustien kautta vuorotellen Impulssin Pj vahvistlnpaketin 6 kuhunkin tulonapaan aj-a^..

Kuviosta 4 selviää tarkemmin esimerkki CMOS-dI fferentlaa II vahvistimen rakenteesta yksinkertaisimmassa muodossaan, Jonka mukaisesti se muodostuu kahdesta transistorista T ja TM, Joista T on P-channel-MOS-translstorl ja TN = N-channel-MOS-transIstori. Vastus Johtavassa transistorissa Τ^,Τ^ on suuruusluokkaa 500Äja el Johtavassa transistorissa Τ^,Τ^ useita dekadeja suurempi. Kuvion 3 mukaisesti on edellä selostettuja vahvistimia yhdessä paketissa 7 kuusi kappaletta Ja näiden vahvistimien 7 kaikki VDD:t on kytketty yhteen samoin kuin kaikki VS$:t keskenään yhteen.

Claims (7)

1. 5 57319 Olennaista keksinnön mukaiselle edellä selostetulle valhtokytklmelle on ensinnäkin, kuten edellä todettiin, että vahvistimet 7 on kytketty "väärinpäin" ja se, että mitattava signaali Johdetaan edellä selostettuun mittauspiirlin CMOS-paketin 6 Jännltesyötöstä, esim. sen VDDrstä. Kuvion 3 mukaisesti tämä tapahtuu siten, että vastus tuo käyttöjännitteen +U vaihtokytkimelle Ja mainittu Jännite on kapasitanssin C| avulla erotettu keksinnön mukaisesta RC-oskiMaattoripiiristä. Vastus R^ on sopivimmin suuruusluokkaa 150 k A ja kapasitanssi C| sopivimmin suuruusluokkaa 10 nF. Mainitun kapasitanssin C| on oltava luonnollisesti riittävän suuri, Jotta sen osuus mitattavaan taajuuteen f olisi häviävän pieni. Edellä mainitun Cj suuruus 10 nF on sopiva, jos mitattavat kapasitanssit CM ovat suuruusluokkaa muutamasta pF:sta muutamiin kymmeniin pF:in. Edellä selostetun elektronisen vaihtokytkimen toiminnalle on ominaista se, että kunkin vuorossa olevan kapasitanssin kytkeytyessä kuviosta 3 näkyvällä tavalla mittauspiiriin, kytkeytyvät muut kapasitanssit maahan. Keksintö ei mitenkään ahtaasti ole rajoitettu edellä vain esimerkin vuoksi selostettuihin yksityiskohtiin, jotka voivat vaihdella seuraavassa esitettävien patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.
2. 1. Menetelmä pienten kapasitanssien (C^) mittamiseksi siten, että hajakapa-sitanssi en (C|^|) vaikutus saadaan eliminoiduksi, Jossa menetelmässä käytetään RC-oskiIlaattoripiIriä, Jonka lähtötaajuus (f) on riippuvainen, sopivimmin kääntäen verrannollisesti, mitattavasta kapasitanssista (C^), tunnettu siitä, että menetelmässä mitattava kapasitanssi (C^) kytketään pieni-impedanssisen generaattorin ja vain virtaa mittaavan piirin välille, esim. Invertoivan vahvistimen (I) tulon (A) ja lähdön (B) välille. 2. patenttivaatimuksen I mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että Invertoivan vahvistimen (I) lähtö kytketään blstabiilin värähtelypiirin (4) tuloon (C) ja että b i stab i111 n värähtelypiirin (4) lähtö (D), josta saadaan mitattavan kapasitanssin (C^) mittana oleva taajuus (f), on 6 5731 9 resistiivises+l (R^) takaisinkytketty mainitun invertoivan vahvistimen (I) tuloon (A).
3. 3. Patenttivaatimuksen I mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että b ΐ stab Tilina värähtelypiirinä käytetään Schmitt-triggeriä (2,3,Rj).
4. 4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, Jossa mitattava kapasitanssi on etäällä mittauspi i ristä (1^,4^), tunnettu siitä, että mitattava kapasitanssi (C^) on kytketty Invertoivan vahvistimen (I) tulon (A) Ja lähdön (B) välille kahdella koaksiaalikaapelilla (5a,5b), joiden toinen napa on kytketty maahan.
5. 5. Patenttivaatimuksen I, 2, 3 tai 4 mukainen menetelmä, etenkin sondeissa telemetri käyttöön, jossa on useita mitattavia kapasitansseja (C^ ,Ο^· · .0^)* jotka vuorotellen kytketään mittauspi I riin (1^,4^) elektronisella vaihtokytklmellä (6,8) tunnettu siitä, että elektronisena kytkimenä käytetään CMOS-differentiaaIivahvtstinpakettia tai vastaavaa (6,7|...7^), Jonka eri vahvistimien (7|...7^) lähdöt (b|...b^) on kytketty kukin mitattavaan kapasitanssiin (CM)...C^N) Ja tulot (aj...aN) askeltavaan piiriin (8) ja että mitattava signaali (C^ .. .C^) johdetaan mittauspi l-rin lähtöön CMOS-paketin (6) tai vastaavan Jännltesyötöstä (VDDjVSS).
6. 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mitattavien kapasitanssien (C^j.. .C^) toiset navat on kytketty yhdessä mittauspiirin toiseen tuloon (B) ja toiset navat vuorotellen patenttivaatimuksessa 5 määritellyn elektronisen kytkimen (6,7,8) välityksellä mittauspiirin toiseen tuloon (A).
7. 7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että CMOS-paketin (6) tai vastaavan toinen Jännitesyöttö (VSS) on kytketty maahan ja toinen jännitesyöttö (VDD) on kytketty mitattavia kapasitansseja (Cjyj) useita dekadeja suuremmalla kapasitanssilla (C|) mittauspi i r in tuloon (A) ja että viimemainittu Jännitesyöttö (VDD) on kytketty suuren, sopivimmin 100 k Λ:η suuruusluokkaa olevan vastuksen (R^) kautta syöttö jännitteeseen (+U). 7 57319