FR2583169A1 - Procede et appareil de mesure de capacite - Google Patents

Abstract

L'APPAREIL DE DETERMINATION DE LA VALEUR D'UNE CAPACITE INCONNUE COMPREND UN GENERATEUR 12 DE TENSION DE REFERENCE VR, UN MOYEN D'ATTENUATION PROGRAMMABLE 18 RECEVANT ET ATTENUANT LA TENSION DE REFERENCE, UN REGISTRE D'APPROXIMATIONS SUCCESSIVES 24 DELIVRANT UNE SUCCESSION DE SIGNAUX DE SORTIE NUMERIQUES AU MOYEN D'ATTENUATION, UN PREMIER ET UN DEUXIEME CONDUCTEURS 59, 61, UN MOYEN 57 D'APPLICATION SELECTIVE DE LA TENSION DE REFERENCE AU PREMIER CONDUCTEUR, UN MOYEN 64, 66 DE COUPLAGE DE LA CAPACITE INCONNUE ENTRE LES PREMIER ET DEUXIEME CONDUCTEURS, ET UN MOYEN 22 DE COMPARAISON ENTRE LE SIGNAL DE SORTIE DU MOYEN D'ATTENUATION ET DE LA TENSION DU DEUXIEME CONDUCTEUR.

Description

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La présente invention concerne un procédé et un

appareil de mesure de capacité.

Les instruments permettant de mesurer des valeurs d'impédance offrent de manière souhaitable la possibilité de faire les mesures voulues lorsque l'appareil soumis à essai a été mis hors circuit, c'est-à-dire que l'instrument de mesure fournit La puissance nécessaire pour la mesure. Toutefois, des dispositifs qui peuvent faire l'objet d'essais représentent une

large gamme de conditions et de Limitations de tension.

Par exemple,si des jonctions pn sont incluses dans un

circuit soumis à essai, il faut que la tension appliquée soit suf-

fisamment basse pour empêcher d'endommager ou de mettre en circuit de manière non souhaitable les jonctions pn. En raison de la valeur variable de la tension d'excitation voulue et par suite de la volonté d'éviter, si possible, de commuter les gammes de L'instrument de mesure, il est avantageux de mesurer l'impédance de manière logométrique, c'est-à-dire en fonction d'une impédance étalon

plutôt qu'en fonction de la tension appliquée.

L'appareil disponible jusqu'à ce jour était conçu pour faire des mesures logométriques d'impédance, mais cet appareil demande habituellement un circuit assez compliqué et coûteux pour donner une lecture numérique. Ainsi, un circuit en pont classique ou son analogique électronique peuvent mesurer une impédance en fonction d'une deuxième impédanceou impédance étalon. De plus, des circuits de calculateur sont disponibles pour mesurer la

chute de tension aux bornes d'une impédance inconnue et d'une impé-

dance étalon et pour ensuite faire le calcul de leur rapport. Cette approche a une rapidité qui est gouvernée par la vitesse et la

complexité du calculateur.

L'élimination souhaitable de toute commutation entre

des gammes de mesure différentes a également jusqu'ici rendu néces-

saire un certain schéma de compression de l'échelle de mesure. Dans

le passé, on a employé un amplificateur logarithmique, mais, malheu-

reusement, un tel amplificateur tend à être instable, imprécis, coûteux et il occupe une surface considérable de plaquette de

circuit imprimé.

Lorsque la densité des plaquettes de circuit a augmenté,

il est apparu également un besoin pour un équipement d'essai suscep-

tible de mesurer plus rapidement des impédances, en particulier de petites capacités, entre de nombreux points de chaque plaquette sans l'abandon de la présicion de mesure. Pour augmenter la vitesse de la mesure et réduire l'encombrement de l'équipement de

vérification d'impédance entre de nombreux points, les construc-

teurs ont éliminé les commutateurs mécaniques servant à connecter des sondes de points d'essai avec l'appareil de mesure d'impédance et les ont remplacé par des commutateurs à semiconducteurs intégrés de grande vitesse et de grande densité. Toutefois, les commutateurs à semiconducteurs présentent typiquement des paramètres de résistance, de fuite et de capacité qui sont relativement élevés et qui peuvent introduire une erreur de mesure importante. La mesure d'une capacité de petite valeur (moins que 10-2 microfarad) est particulièrement

délicate en raison de la capacité parasite existant dans l'inter-

connexion de réseaux de commutation et, en partie, en raison de la

capacité des longscâbles reliant des postes d'essai à des ordina-

teurs centraux contenant l'équipement de mesure.

Il est-besoin d'un procédé et d'un appareil permettant de mesurer avec une vitesse élevée des impédances, en particulier des petites capacités, entre de nombreux points d'une plaquette de circuit, o les effets de la capacité propre de l'appareil de

mesure sont minimisés.

Selon la présente invention, dans un mode de réalisation particulier de celle-ci, une source de tension prédéterminée, qui peut être ajustée en fonction des besoins imposés par l'appareil

soumis à essai, est connectée à une combinaison série d'une impé-

dance inconnue et d'une impédance étalon. La même tension d'entrée est également atténuée de manière ajustable en fonction d'une valeur numérique déduite par approximations successives. La tension atténuée est comparée à une chute de tension associée à l'impédance -étalon, et, en résultat de cette comparaison, une valeur numérique est finalement déterminée qui constitue une mesure de l'impédance

inconnue en termes de rapport à l'impédance étalon.

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En particulier, la valeur numérique obtenue par approxi-

mations successives est délivrée par l'intermédiaire d'un registre dans lequel des chiffres binaires déterminent successivement le

degré d'atténuation de la tension prédéterminée avant sa comparai-

son avec la tension aux bornes de l'impédance inconnue. Par exemple, des chiffres binaires sont progressivement produits, à partir du chiffre de l'ordre le plus élevé, et chacun d'eux provoque une atténuation de la tension ci-dessus mentionnée en proportion

inverse de la valeur du chiffre binaire. Des comparaison succes-

sives sont effectuées et un nombre binaire s'accumule qui repré-

sente la valeur logométrique de l'impédance inconnue en fonction de l'impédance étalon. Ce processus est très rapide, car il ne demande qu'un nombre de cycles d'horloge égal au nombre de chiffres de sortie (la résolution) produits par le registre d'approximations successives. La technique est économique en matière de pièces constituantes et est relativement peu complexe par comparaison avec les dispositifs de la technique antérieure. De plus, il est effectué une compression d'échelle souhaitable, avec une précision considérable, ce qui évite l'emploi d'amplificateurs logarithmiques

et de moyens analogues.

Dans un mode de réalisation de l'invention, il est accédé à des capacités inconnues devant être mesurées par l'intermédiaire d'un bus et d'un circuit de multiplexage servant à sélectivement connecter au bus divers points d'un dispositif d'essai à distance qui est soumis à essai, ce qui permet que les capacités inconnues

existant entre des points soient mesurées logométriquement en succes-

sion rapide. Des moyens sont prévus pour mesurer togométriquement la capacité propre du bus et du circuit de multiplexage apparaissant en série avec la capacité inconnue. La capacité propre ainsi mesurée est ensuite utilisée comme impédance étalon lors de mesures logométriques ultérieures de capacités inconnues ayant une petite valeur. Des moyens sont également prévus pour mesurer de manière logométrique la capacité propre du bus et du circuit de multiplexage apparaissant en parallèle avec la capacité inconnue. La mesure logométrique de la capacité de petite valeur est ensuite corrigée pour tenir compte des

effets de la capacité propre placée en parallèle.

C'est donc un but de l'invention de proposer un procédé et un appareil de mesure de capacité perfectionnés qui permettent de mesurer rapidement et avec précision les capacités existant entre

plusieurs points d'essai sur une plaquette de circuit.

Un autre but de l'invention est de fournir un procédé et un appareil perfectionnés de mesure logométrique de capacité qui permettent de mesurer avec précision les capacités de petites valeurs grâce à l'emploi d'une capacité étalon ayant la plus petite valeur possible. C'est un autre but de l'invention de proposer un appareil perfectionné permettant de mesurer les capacités qui comporte un moyen de mesure de la capacité propre de l'appareil lui-même, si bien que les mesures de capacité du dispositif soumis à essai peuvent être corrigées pour qu'il soit tenu compte des effets des capacités

propres.

La description suivante, conçue à titre d'illustration

de l'invention, vise à donner une meilleurs compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un appareil de mesure d'impédance utilisé selon l'invention; - la figure 2 est un schéma de principe simplifié plus détaillé dudit appareil de mesure; - la figure 3 est une courbe montrant le pourcentage d'erreur de la mesure selon le procédé et l'appareil de l'invention en fonction de l'impédance mesurée; la figure 4 est un schéma de principe de l'appareil de mesure d'impédance de la figure 1, comportant en outre un bus et un réseau de multiplexage permettant à l'appareil de mesurer en successions rapides des impédances entre des points sélectionnés sur un dispositif soumis à essai; et - la figure 5 est un schéma de circuit constituant un modèle 'our l'impédance du bus et du réseau de commutation de la

figure 4.

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Comme on peut le voir sur les dessins, et en particulier

sur la figure 1, qui montre un système de mesure de composante logo-

métrique (RCMS) sous forme de schéma de principe, une tension

d'excitation Vr est produite en un noeud 10 du circuit par l'ampli-

ficateur 12, et cette tension d'excitation est appliquée à un circuit série comprenant une impédance inconnue 14 de valeur Zx et une impédance connue, ou étalon, 16 de valeur Zr, disposés entre le noeud 10 et la terre. Cette même tension d'excitation est appliquée, comme signal d'entrée de référence, à un atténuateur programmable ou convertisseur numérique-analogique multiplicateur, o la valeur Vr est atténuée afin de fournir sur le fil conducteur 20

une valeur qui est fonction du signal d'entrée d'atténuation numé-

rique 21. En particulier, le convertisseur numérique-analogique multiplicateur comprend un circuit R/2R, qui sera décrit plus complètement ci-après, recevant plusieurs signaux d'entrée binaires de détermination d'atténuation qui sont délivrés par un registre 24 d'approximations successives. Le registre 24, qui sera également décrit plus complètement ci-après, délivre des chiffres binaires successifs suivant un ordre prédéterminé, par exemple un ordre descendant, chaque chiffre provoquant un degré proportionnel de

conversion dans le convertisseur numérique-analogique 18.

Le signal de circuit atténué venant du convertisseur numérique-analogique 18 via le fil conducteur 20 est comparé, dans le comparateur 22, avec la tension présente sur le fil conducteur 25

connecté au point de prise 26 se trouvant entre l'impédance.

inconnue 14 et l'impédance connue 16. Le registre d'approximations successives 24 fournit des chiffres de sortie suivant un ordre

prédéterminé, par exemple en commençant par le bit le plus signi-

ficatif, et le comparateur 22 indique si la tension de sortie présente sur le fil 20 est supérieure à la tension présente sur le fil 25. Si la tension présente sur le fil 20 est la plus grande, le premier bit (le plus significatif) du signal de sortie du i registre 24 est effacé. Inversement, si la tension présente sur le fil 25 est la plus grande, le bit le plus significatif est

conservé comme signal d'entrée pour le convertisseur numérique-

analogique 18. Dans l'un et l'autre cas, le registre 24 délivre

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ensuite le bit qui vient immédiatement après dans L'ordre de signification au convertisseur numérique-analogique 18, et la séquence se répète. Le signal de sortie numérique 21 du registre

d'approximations successives 24 sélectionne finalement une atté-

nuation dans le convertisseur numérique-analogique 18 qui fait que le signal de sortie atténué 20 correspond sensiblement à la tension présente sur Le point de prise 26. Le signal de sortie numérique du registre 24 devient une représentation précise de la fraction de la tension d'excitation qui est présente sur le point de prise 26, si bien qu'il constitue une mesure précise de

l'impédance inconnue.

En supposant que les impédances sont des résistances, le résultat de conversion, soit N, s'exprime de la manière suivante: Vx/Vr = N/2n ou N = Vx.2n/Vr, (1) o n désigne la résolution du convertisseur numériqueanalogique 18, exprimé sous forme entière. Le résultat de la conversion, soit N, est une valeur entière appartenant à l'intervalle suivant: 04 N<2n et, du fait de la nature du réseau,

Vx < Vr.

On voit sur la figure 1 que: Vx = Vr.Rr/(Rx+Rr), (2) En portant l'équation (2) dans L'équation (1), on obtient: Rx = Rr((2n/N)-1). (3) Il faut noter que cette dernière expression de La valeur de Rx est indépendante de celle de la tension de référence Vr. La seule chose à prendre en considération en ce qui concerne la tension de référence est qu'elle doit être suffisamment grande pour réduire les effets de bruit, de déséquilibre et d'autres effets dus à ce que le monde réel n'est pas idéal. Dans le même temps, Vr doit être suffisamment petit pour éviter toute conduction non voulue via des jonctions pn et des éléments analogues connectés à la

résistance soumise à l'essai. Dans le mode de réalisation parti-

culier, Vr est délivré par l'amplificateur 12 et peut varier entre mV et 10 V sans que ceci produise d'effets sur la précision du s8 3 169 système. La valeur inconnue de l'équation (3) est exprimée en fonction de N, qui est le signal de sortie de valeur entière du registre d'approximations successives 24, et de la valeur de la résistance

étalon Rr.

Le résultat s'obtient très rapidement, le registre d'approximations successives 24 passant par le nombre de cycles d'horloge correspondant à sa résolution, qui vaut 12 dans le présent exemple. La valeur de résistance finale est déterminée de manière logométrique, c'est-à-dire en fonction de ta résistance étalon et non pas en fonction d'une valeur de tension, et elle est tout à fait précise. De plus, le circuit est économique et n'est pas compliqué. En outre, on obtient également l'effet d'une compression

d'échelle. En observant la fonction de transfert, à savoir l'équa-

tion (3), du point de vue de l'étendue de N, on note une relation asymptotique possédant deux valeurs limites. La première valeur limite de N est 2n-1 et la deuxième est 0. Dans les régions des limites, il existe un intervalle ascendant de valeurs de composante comprimées en un intervalle rétréci de valeurs de comptage. En différenciant l'équation (3) , on peut obtenir une expression du facteur d'échelle en fonction de N et de la composante de référence, à savoir: (d/dN)(Rx) = (d/dN)(Rr((2n/N)-1)) = (3')

- Rr(2n(N-2).

Le pourcentage d'erreurs en fonction de la composante mesurée pour une mise en oeuvre utilisant 12 bits est présenté sous forme de courbe sur la figure 3, o Rx est une résistance

inconnue, Rr est une résistance étalon, l'erreur de Rx étant pré-

sentée sous forme d'une courbe logarithmique. La courbe fournit l'erreur d'un seul bit en fonction de la résistance. On note que, pour les grands intervalles des résistances inconnues, l'erreur

est inférieure à 1 %.

Sur la figure 2, le circuit est de nouveau représenté, le registre d'approximations successives 24 et le convertisseur

numérique-analogique 18 apparaissant d'unemanière plus détaillée.

Un exemple particulier de registre d'approximations successives comprend une paire de semblables registres formée d'un registre du

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type "MC 14559B" indiqué en 32 et d'un registre du type "MC 14549B"

indiqué en 34, qui sont tous deux fabriqués par la société Motorola.

La sortie du comparateur 22 est connectée aux entrées de données D de chaque registre, tandis que la sortie fin-de-conversion FC du registre 32 est connectée à l'entrée début-de-conversion DC du

registre 34. La sortie fin-de-conversion du registre 34 (non repré-

sentée) est utilisée, comme cela est bien connu, pour indiquer que les approximations successives ont été terminées. Les deux registres sont utilisés ensemble pour produire un signal de sortie de 12 bits

servant à actionner successivement des commutateurs 36 du conver-

tisseur numérique-analogique 18.

Le convertisseur numérique-analogique 18 est, de manière convenable, un dispositif du type "AD 7541" fabriqué par la société Analog Devices. IL comprend un réseau R/2R classique, tel que représenté, o la connexion série 38 de valeurs R est connectée entre le noeud 10 et la terre via une branche 2R terminale 40, tandis que les branches de résistances 2R 42 sont respectivement connectées à l'entrée de l'amplificateur de sortie 44 du dispositif

par l'intermédiaire des commutateurs 36 respectifs. Les commuta-

teurs 36 sont, en réalité, constitués de circuits de commutation CMOS, inclus dans le convertisseur, qui sont respectivement fermés, de manière électronique, par les signaux de sortie numériques binaires venant du registre 24 d'approximations successives. Dans l'état non activé, les commutateurs 36 sont commodément connectés

à la terre.

On considère maintenant le fonctionnement du circuit.

Les registres 32 et 34 ont pour fonction de fournir, sur le fil conducteur 46, des signaux de sortie successifs partant du signal de sortie ayant le bit de l'ordre le plus élevé. Un tel signal de sortie ferme le commutateur 50 en connectant la résistance 42 avec l'entrée de l'amplificateur 44, et, si le comparateur 22 délivre un signal d'entrée de donnée D indiquant que la tension existant sur le point de prise 26 est plusélevée que la tension fournie par l'amplificateur 44, alors le bit de sortie existant sur le fil conducteur 46 est conservé et le commutateur supérieur 50 de l'ensembLe 36 de commutateurs reste fermé. Inversement, si L'inverse est vrai, alors te signal de sortie présent sur te fil conducteur 46 est abandonné et le commutateur 50 s'ouvre. Ensuite, le bit venant après dans l'ordre des significations est produit sur le fil conducteur 48 afin de fermer le commutateur 52 si bien que, par conséquent, la résistance 54 (qui fournit sensiblement la moitié du courant qui aurait été délivré par la résistance 50)

délivre alors également un signal d'entrée à l'amplificateur 44.

De nouveau, si la tension présente sur le point de prise 26 est plus élevée que le signal de sortie de l'amplificateur 44, le signal de sortie 48 est conservé et le commutateur 52 reste fermé. Autrement, le signal de sortie présent sur le fil 48 est abandonné et le commutateur 52 s'ouvre. Ce processus poursuit sa progression binaire tout au long des 12 bits de sortie fournis par le registre 24 d'approximations successives, si bien que les signaux de sortie numériques finals présents en 21 représentent la valeur N ci-dessus mentionnée à partir de laquelle on déduit facilement la valeur de

la résistance inconnue 14.

La mesure des capacités peut employer la technique ci-

dessus présentée pour donner des résultats rapides et d'une grande précision. Dans ce cas, la mesure repose sur la distribution de charges sur un réseau formé d'une capacité inconnue Cx et d'une capacité de référence Cr. Apres que les deux condensateurs ont été déchargés, on les charge tous deux jusqu'à ce que Vr atteigne

une valeur prédéterminée, puis on arrête le processus de charge.

Puisque tous deux ont été charges à l'aide du même courant pendant la même durée, la tension Vx présente sur le point de prise 26 de la figure I sera donc: Vr = VR(1/Cr)/((1/Cr)+(1/Cx)), (4) En portant l'équation (4) dans l'équation (1), on obtient Cx = Cr.N/(2n-N). (5) De nouveau, on constate que la valeur de la tension ou du courant

qui a chargé le réseau n'a pas d'effet sur la mesure de capacité.

Dans de nombreux cas, cette technique élimine les effets parasites des impédances de ligne et de commutation, puisqu'aucun courant ne

circule pendant que la mesure a lieu.

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On peut de même effectuer La mesure des inductances de manière logométrique. On place une composante de référence de valeur connue Lr à La place de Zr dans le réseau série. En appliquant une tension Vr au réseau série et en effectuant une lecture après un temps d'établissement, on peut obtenir le rapport des deux compo- santes Lx (inductance inconnue) et Lr (inductance connue). Puisque, de manière générale, V = L(di/dt), (6) on a donc Vr = (Lx+lr)(di/dt) (7) et Vx = Lr(di/dt), (8)

sachant que i désigne le courant.

En portant les équations (7) et (8) dans l'équation (1), on obtient: N = (Lr)(di/dt)(2n)(1/(Lr+Lx)(di/dt)) = (Lr)(2n)(1/(Lr+Lx)) ou Lx = Lr((2n/N)1). (9)

On suppose que la tension d'excitation Vr ne présente pas de limi-

tation afin que l'équation (9) soit valable. Ainsi, aussi longtemps que le circuit d'excitation peut entretenir un niveau suffisant pour di/dt, l'équation (9) est valable. Toutefois, en pratique, il

faut tenir compte de la limite de courant pour le moyen d'excita-

tion. On va considérer l'exemple suivant de mesure d'inductance.

On suppose que la tension d'excitation est Vr = 0,25 V pour une valeur limite du courant de 15 mA. On suppose que l'inductance

composite Lx+Lr est L=10 mH. En portant ces valeurs dans l'équa-

tion (6), on obtient:

di/dt = 25 A/s.

Avec la limite de courant de 15 mA ci-dessus imposée et la valeur

trouvée de 25 A/s pour di/dt, on obtient un temps de 15/25=0,6 ms.

Ceci signifie que la mesure doit être effectuée en 0,6 ms après

l'application de la tension d'excitation au réseau.

La figure 4 montre, sous forme d'un schéma de principe un appareil de mesure de capacité selon l'invention, qui est conçu pour mesurer, en successions rapides, les capacités existant entre

un grand nombre de points d'essai sur un dispositif soumis à essai.

L'appareil comporte un système de mesure de composante logométrique (RCMS) 11, comme représenté sur la figure 1, comportant un convertisseur numérique-analogique 18, un comparateur 22, un registre d'approximations successives 24 et un amplificateur 12 servant à produire une tension d'excitation Vr. La capacité inconnue

Cx à mesurer est éloignée du RCMS 11, et on y a accès par l'inter-

médiaire d'un bus de ligne 55 et d'un réseau multiplexe 66. Le réseau multiplexe 66 comprend un ensemble de n rangées de m multiplexeurs, chaque multiplexeur du réseau possédant 3 états de&'commutation de sorte qu'il puisse sélectivement connecter une borne d'entrée 68 à l'une ou l'autre de deux sorties 70 ou bien déconnecter la borne 68 de l'une et l'autre de ses sorties. Chacune des deux sorties correspondantes des multiplexeurs de chaque rangée du réseau 66 est connectée en parallèle avec les entrées d'un autre

multiplexeur 64 de manière à connecter sélectivement l'une quelcon-

que de ses 2n entrées à une première ligne 59 du bus 55, tout en connectant une quelconque autre de ses entrées à une deuxième

ligne 61 du bus.

Les entrées 68 de chaque multiplexeur du réseau 66 peu-

vent être connectées en divers points d'un dispositif soumis à essai, et les multiplexeurs 64 et 66 peuvent être positionnés de

façon à connecter deux quelconques semblables points au bus 55.

Ainsi, la capacité Cx qui doit être mesurée à l'aide du RCMS 11 peut être celle apparaissant entre deux quelconques des bornes 68 du réseau 66 selon les états de commutation des multiplexeurs. En modifiant sélectivement les états de commutation des multiplexeurs du réseau, on peut mesurer à l'aide du RCMS 11, en successions rapides, les impédances présentes entre un grand nombre de points

d'un dispositif soumis à essai.

Pour effectuer une mesure logométrique de capacité, on connecte la capacité Cx choisie aux bornes du bus à l'aide du réseau de multiplexeurs, et on applique la tension d'excitation Vr venant de l'amplificateur 12 sur un côté de la capacité Cx par l'intermédiaire de la première ligne 59 du bus 55, connectée à

la sortie de l'amplificateur 12 par l'intermédiaire d'un commu-

tateur 57. La tension Vx apparaissant sur l'autre côté de la capa-

cité Cx est transmise via la deuxième ligne 61 du bus couplée à l'entrée d'inversion du comparateur 22. Un condensateur 60 de

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capacité Cr, dont une extrémité est mise à la terre, peut être connectée à la deuxième ligne de bus 61 par L'intermédiaire d'un

commutateur 62 afin de constituer la capacité de référence.

Toutefois, pour ta mesure de petites capacités à L'aide de L'appareil de la figure 4, diverses capacités propres associées

aux commutateurs à circuit intégré du réseau 66 et au bus 55 appa-

raissent en parallèle sur la capacité inconnue Cx ouenparallèlesur la capacité de référence Cr, ce qui entraîne des erreurs sur la valeur déterminée pour Cx lorsque le calcul est effectué suivant l'équation (5) ci-dessus. L'existence d'une capacité en parallèle avec Cx tend à faire apparaitre la valeur plus grande qu'elle n'est en réalité, tandis que l'existence d'une capacité en parallèle avec Cr tend à faire apparaître la valeur de Cx plus petite qu'elle

n'est en réalité.

Sur la figure 5, il est présenté un modèle constituant un circuit équivalent du bus et des parties de commutation du circuit de la figure 4, lorsqu'on regarde vers L'extérieur depuis

le RCMS 11.

La capacité inconnue Cx est sélectivement connectée à

la première ligne 59 et à la deuxième ligne 61 du bus par l'inter-

médiaire d'une paire de commutateurs S1 et S2 représentant les multiplexeurs du réseau. Une capacité Cp représente la capacité parasite existant entre la première ligne 59 et la terre en même temps que d'autres capacités propres du système qui se trouvent en parallèle avec la source de tension d'excitation. La capacité Cp n'introduit aucune erreur dans la mesure de la capacité Cx puisqu'elle est chargée au niveau de la source d'excitation et

n'affecte pas le rapport mesuré des tensions Vx et Vr.

Une capacité de déséquilibre Cf représente toutes les

capacités parasites de l'appareil de mesure apparaissant en paral-

lèle avec Cx, y compris la capacité existant entre la première et la deuxième ligne du bus 55, tandis qu'une capacité Ca représente toutes les capacités de l'appareil apparaissant en parallèle avec la capacité de référence Cr, y compris la capacité entre la ligne 61 et la terre et les capacités propres vis-à-vis de la terre qui sont associées au commutateur S2 du multiplexeur et aux fils de sonde

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associés. Si le réseau 66 de la figure 4 est mis en oeuvre sous forme monolithique, tous les multiplexeurs du réseau possèdent des caractéristiques de capacité identiques et si tous les fils de sonde allant du dispositif sous essai à chaque multiplexeur du réseau 66 ont la même longueur, alors les valeurs des capacités Ca et Cf restent relativement constantes quels que soient les multiplexeurs du réseau qui connectent la capacité inconnue Cx

au bus 55.

Les première et deuxième lignes du bus 55 peuvent être sélectivement couplées via un commutateur 58 et un condensateur 56

ayant une valeur de référence connue Cra afin de fournir une capa-

cité de référence auxiliaire, tandis que la deuxième ligne 61 peut être couplée à la terre via un condensateur 60 (d'une capacité

de référence Cr) en série avec un commutateur 62.

Les capacités Ca et Cf affectent le rapport des tensions Vx et Vr, en particulier lorsque Cx est très petite, si bien que Ca et Cf sont mesurés et pris en compte lors du calcul de Cx à

partir d'une mesure par RCMS. Pour mesurer Ca, on ouvre les commu- tateurs 57 et 62, on ouvre les commutateurs S1 et S2, et on ferme

le commutateur 58, de façon que la tension de référence Vr appa-

raisse aux bornes de la combinaison série des capacités Cra et Ca. On peut déterminer la valeur de Ca à partir du signal de sortie N final résultant du RCMS en fonction de l'expression suivante: Ca = (Cra/N)(2n-N) (10) Une fois la valeur de la capacité Ca connue, on peut

ensuite déterminer la valeur de la capacité Cf en ouvrant les commu-

tateurs 58, 62, S1 et S2, en fermant le commutateur 57, et en portant le signal de sortie N résultant du RCMS dans l'expression suivante: Cf = Ca. N/(2 -N) (11) Les valeurs de Ca et Cf étant connues, on peut déterminer avec la plus grande précision la valeur de petites capacités Cx inconnues en effectuant une mesure RCMS à l'aide de la seule petite capacité propre Ca comme capacité de référence, le commutateur 62 étant ouvert pour déconnecter le condensateur 60 de la deuxième ligne 61, et le commutateur 57, ainsi que les commutateurs S1 et S2 appropriés, étant fermés pour connecter la capacité sélectionnée Cx

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à L'entrée du RCMS. On calcule ensuite la valeur Cx à partir du signal de sortie final résultant N du RCMS selon l'équation suivante: Cx = (Ca. N/(2n-N)) - Cf (12) Pour rétrécir l'intervalle des mesures de capacité sur

un intervalle donné de signaux de sortie N du RCMS, on peut égale-

ment ajouter la capacité Cr 60 en parallèle avec la capacité Ca par fermeture du commutateur 62, ce qui augmente l'amplitude de la capacité de référence utilisée dans le mesure RCMS. On calcule ensuite la valeur de Cx à partir du signal de sortie du RCMS selon l'équation suivante: Cx = ((Ca+Cr)N/(2 -NN)) - Cf (13) Pour effectuer des mesures précises de Cx de l'ordre du picofarad, il faut déterminer avec précision la valeur de la capacité de déséquilibre Cf. La plus grande partie de la capacité de déséquilibre résulte des capacités parasites associées aux commutateurs du type état solide du réseau de multiplexeur, et ces

capacités parasites peuvent varier de plusieurs dizaines de pico-

farads selon la tension d'excitation utilisée pour faire la mesure.

Cette variation de capacité est due au phénomène "varactor" selon lequel des distributions de dopages variant de manière non linéaire dans la couche de déplétion entourant les jonctions pn dans un commutateur du type état solide donnent naissance à une capacité

de jonction dépendant de la tension. Puisque la capacité de désé-

quilibre Cf est partiellement due à une telle capacité de jonction, Cf dépend de la tension. Par conséquent, il faut mener la mesure RCMS de Cx en utilisant la même tension d'excitation que pour la

mesure de Cf.

Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer,

à partir du procédé et de l'appareil dont la description vient

d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention.

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Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Prozcédé de détermination de la valeur d'une capacité inconnue (Cx) pouvant être connectée entre une première et une deuxième borne (58) d'un réseau de commutation (64, 66) qui sont respectivement couplées par ledit réseau de commutation à une première et une deuxième borne (10, 26; 59, 61) d'un moyen de mesure (18, 24, 22) conçu pour mesurer une impédance inconnue qui lui est connectée de manière logométrique en comparant (22) la chute de tension aux bornes de ladite résistance inconnue avec la chute de tension aux bornes d'une impédance de référence connue couplée entre la deuxième borne (26) dudit moyen de mesure et un point de potentiel de référence commun, une première capacité (Cf) apparaissant entre les première et deuxième bornes dudit

réseau de commutation et une deuxième capacité propre (Ca) appa-

raissant entre la deuxième borne dudit réseau de commutation et le point de potentiel de référence commun, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: a. mesurer la valeur de ladite deuxième capacité propre en déconnectant la première borne du réseau de commutation vis-à-vis de la première borne du moyen de mesure, en couplant une capacité

de référence auxiliaire aux bornes dudit moyen de mesure, en appli-

quant une tension à la première borne dudit moyen de mesure, et en comparant la tension présente sur ladite deuxième borne avec la tension existant entre les première et deuxième bornes dudit moyen de mesure afin de déterminer la valeur de ladite deuxième capacité

propre de manière logométrique; -

b. mesurer la valeur de ladite première capacité propre en appliquant une tension à ladite première borne dudit moyen de mesure alors que cette borne est couplée à la première borne dudit moyen de commutation, et en comparant la tension présente sur la deuxième borne avec la tension existant entre les première et deuxième bornes dudit moyen de mesure afin de déterminer la valeur de ladite première capacité propre de manière logométrique; et c. mesurer la valeur de ladite capacité inconnue en couplant la capacité inconnue entre les première et deuxième bornes du moyen de commutation, en appliquant une tension à ladite

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première borne du moyen de mesure alors que cette borne est couplée à La première borne dudit moyen de commutation, en comparant la tension présente sur la deuxième borne avec la tension existant entre les première et deuxième bornes dudit moyen de mesure afin de déterminer la valeur de la combinaison de ladite capacité inconnue et de ladite première capacité propre de manière logométrique, et

en soustrayant la valeur de ladite première capacité propre.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième capacité propre, déterminée au cours de l'opération a, est employée comme impédance de référence logométrique au cours de

l'opération b.

3. Procédé selon La revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième capacité propre, déterminée au cours de l'opération a, est employée comme impédance de référence logométrique au cours de

l'opération c.

4. Procédé de détermination du rapport d'une première capacité (Cx) et d'une deuxième capacité (Cr) en vue de l'obtention de la valeur de L'uned'elles,o lapremièrecapacitéestdestinéeà être couplée via un première conducteur (59) et un deuxième conducteur (61) à un moyen de mesure (18, 2,, 22), tandis que la deuxième capacité est destinée à être couplée entre le deuxième conducteur et un point de potentiel de référence commun, les conducteurs étant associés à une capacité propre, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: - déconnecter le premier conducteur, coupler une capacité de référence auxiliaire aux bornes du moyen de mesure, et mesurer une première capacité-propre entre le deuxième conducteur et le point de potentiel de référence commun en proportion de ladite capacité de référence auxiliaire; - reconnecter le premier conducteur et mesurer une deuxième capacité propre entre les conducteurs en proportion de ladite première capacité propre utilisée comme capacité de référence; et - coupler ladite première capacité entre lesdits conducteurs et mesurer la combinaison de ladite première capacité et de ladite deuxième capacité propre en proportion de ladite deuxième capacité

comprenant au moins ladite première capacité propre.

5. Appareil permettant de déterminer la valeur d'une capacité inconnue (Cx) pouvant être connectée entre une première et une deuxième borne par un réseau de commutation (64, 66), une première capacité propre (Cf) apparaissant entre les première et deuxième bornes dudit réseau de commutation et une deuxième capacité propre (Ca) apparaissant entre la deuxième borne (61) dudit réseau de commutation et un point de potentiel de référence commun, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend: - un moyen (64, 66) permettant de sélectivement connecter la capacité inconnue entre les première et deuxième bornes;

- un moyen (12) servant à produire une tension de réfé-.

rence (Vr); - un moyen (18, 24, 22) servant à mesurer une deuxième tension (Vx) sur ladite deuxième borne; - une capacité de référence (Cr, Cra); un moyen (58) servant à sélectivement appliquer la

tension de référence (Vr) à la deuxième borne (61) par l'intermé-

diaire de la capacité de référence (Cra), ce qui permet de mesurer la deuxième tension (Vx) sur la deuxième borne en fonction des amplitudes relatives de la capacité de référence et de la deuxième capacité propre lorsque la capacité inconnue n'est pas connectée entre lesdites bornes; et - un moyeh (62) servant à appliquer sélectivement la tension de référence à la première borne, ce qui permet de mesurer la deuxième tension (Vx) présente sur la deuxième borne en fonction des amplitudes relatives des première et deuxième capacités propres lorsque la capacité inconnue n'est pas connectée entre lesdites bornes, et en fonction des amplitudes relatives de la capacité inconnue, de la première capacité et de la deuxième capacité,

lorsque la capacité inconnue est connectée entre lesdites bornes.

6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen servant à mesurer la deuxième tension comprend: - un moyen (18) d'atténuation programmable recevant la tension de référence en entrée en vue de l'atténuer, le moyen

d'atténuation programmable possédant plusieurs entrées de déter-

mination d'atténuation qui sont rangées suivant un ordre numérique prédéterminé; - un registre d'approximations successives (24) conçu pour produire une succession de signaux de sortie numériques ayant

des valeurs successives, o lesdits signaux numériques sont appli-

qués de manière à produire les signaux d'entrée d'atténuation des-

tinés au moyen d'atténuation programmable; et - un moyen (22) servant à comparer le signal de sortie du moyen d'atténuation programmable avec la deuxième tension afin de délivrer un signal d'entrée de détermination de conversion au registre d'approximations successives pour ainsi faire que la tension de référence ainsi atténuée soit dans une relation fixe par rapport à la deuxième tension, si bien que le signal de sortie

numérique final du registre d'approximations successives est indi-

catif de l'amplitude de la deuxième tension relativement à l'ampli-

tude de tension de référence.

7. Appareil permettant de déterminer la valeur d'une capacité inconnue (Cx), caractérisé en ce qu'il comprend: - un moyen (12) qui produit une tension de référence (Vr); - un moyen d'atténuation programmable (18) recevant ladite tension de référence en entrée en vue de l'atténuer, ledit moyen

d'atténuation programmable possédant plusieurs entrées de détermi-

nation d'atténuation qui sont rangées suivant un ordre numérique prédéterminé; - un registre d'approximations successives (24) conçu pour produire une succession de signaux de sortie numérique ayant des valeurs successives, o lesdits signaux de sortie numériques

sont couplés de façon à produire les signaux d'entrée de détermi-

nation d'atténuation destinés audit moyen d'atténuation programmable; - un premier et un deuxième conducteur (59, 61); - un moyen (57) servant à sélectivement appliquer ladite tension de référence audit premier conducteur; - un moyen (64, 66) servant à sélectivement coupler

ladite capacité inconnue entre lesdits premier et deuxième conduc-

teurs, le deuxième conducteur (61) étant couplé à un point de potentiel de référence commun par l'intermédiaire d'une capacité propre (Ca) associée audit moyen de couplage et audit deuxième conducteur; et

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- un moyen (22) servant à comparer le signal de sortie dudit moyen d'atténuation programmable avec une tension apparaissant sur ledit deuxième conducteur afin de délivrer un signal d'entrée

de détermination de conversion au registre d'approximations succes-

sives pour faire que ladite tension de référence soit atténuée suivant une relation fixe vis-à-vis de ladite tension présente sur ledit deuxième conducteur, si bien que, lorsque ladite tension de référence est appliquée audit premier conducteur et que ladite capacité inconnue est couplée entre lesdits premier et deuxième conducteurs, le signal de sortie numérique final dudit registre d'approximations successives est indicatif de ta valeur de ladite capacité inconnue relativement à la valeur de ladite capacité propre.

8. Procédé de détermination du rapport d'une première capacité (Cx) et d'une deuxième capacité (Cr) permettant de trouver la valeur de l'une d'elles, o la première capacité est destinée

à être couplée via un premier conducteur (59) et un deuxième con-

ducteur (61) à un moyen de mesure (18, 24, 22), tandis que la deuxième capacité est destinée à être couplée entre le deuxième conducteur et un point de potentiel de référence, les conducteurs étant associés à une capacité propre; caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes:

- déconnecter le premier conducteur, coupler une capa-

cité de référence auxiliaire aux bornes du moyen de mesure, et mesurer une capacité propre entre le deuxième conducteur et le point de potentiel de référence commun en' proportion de ladite capacité de référence auxiliaire; et

- coupler ladite première capacité entre ledit conduc-

teur et mesurer une capacité en proportion d'au moins ladite capa-

cité propre à l'aide dudit moyen de mesure.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend l'opération consistant à ajuster une autre capacité

de référence en parallèle avec ladite capacité propre.