FR2756048A1 - Floating capacitative measuring bridge. - Google Patents
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Abstract
Description
"Pont de mesure capacitif flottant et système de mesure
multi-capacitif associé"
DESCRIPTION
La présente invention concerne un pont de mesure capacitif flottant. Elle vise également un système de mesure multi-capacitif réalisé à partir de ponts de mesure selon l'invention."Floating capacitive measuring bridge and measuring system
associated multi-capacitive "
DESCRIPTION
The present invention relates to a floating capacitive measuring bridge. It also relates to a multi-capacitive measurement system produced from measurement bridges according to the invention.
Dans les systèmes de mesure capacitive, pour garantir des caractéristiques satisfaisantes de précision, de dynamique et de résolution des capteurs, il est essentiel de minimiser l'influence de capacités parasites liées à l'amplificateur de charge placé en aval du capteur capacitif et aux connexions d'entrée. Une solution connue consiste à ne pas référencer l'amplificateur de charge à la terre, mais à l'alimenter par une source de tension continue flottante à haut isolement électrique résistif et capacitif1 par rapport à la terre, l'ensemble étant inclus dans une garde portée au potentiel de la garde du capteur comme l'enseigne la demande de brevet français n086 17898. In capacitive measurement systems, to guarantee satisfactory characteristics of accuracy, dynamics and resolution of the sensors, it is essential to minimize the influence of stray capacitances linked to the charge amplifier placed downstream of the capacitive sensor and to the connections entry. A known solution consists in not referencing the charge amplifier to earth, but to supply it by a floating DC voltage source with high resistive and capacitive electrical insulation1 relative to earth, the assembly being included in a guard. brought to the potential of the sensor guard as taught in French patent application n086 17898.
Ce document divulgue ainsi une chaîne de mesure dimensionnelle capacitive dans laquelle l'amplificateur de charge n'est pas référencé à la terre mais alimenté par une source de tension continue flottante à haut isolement électrique résistif et capacitif par rapport à la terre, ensemble étant inclus dans une garde portée au potentiel de la garde du capteur capacitif. Cette chaîne de mesure capacitive comprend un transformateur d'alimentation dont les enroulements sont des conducteurs coaxiaux. Le conducteur de l'enroulement primaire de ce transformateur est connecté à la sortie d'un générateur sinusoïdal. This document thus discloses a capacitive dimensional measurement chain in which the charge amplifier is not referenced to earth but supplied by a floating DC voltage source with high resistive and capacitive electrical isolation from earth, all being included. in a guard brought to the guard potential of the capacitive sensor. This capacitive measurement chain includes a power transformer whose windings are coaxial conductors. The conductor of the primary winding of this transformer is connected to the output of a sinusoidal generator.
Par ailleurs, le document FR 2640373 décrit une chaîne de mesure dimensionnelle capacitive à sortie linéaire. Furthermore, the document FR 2640373 describes a capacitive dimensional measurement chain with linear output.
Cette chaîne de mesure comprend une source de tension de polarisation mettant en oeuvre un transformateur triaxial.This measurement chain includes a bias voltage source using a triaxial transformer.
Le circuit de mesure de cette chaîne comprend un amplificateur de charge, un amplificateur de niveau, un démodulateur synchrone et un intégrateur. Le secondaire du transformateur triaxial est disposé entre la capacité à mesurer et l'amplificateur de charge, le primaire de ce transformateur triaxial étant relié à un modulateur synchrone. L'entrée négative de l'amplificateur de charge est soumise à une tension alternative de référence à travers un condensateur d'excitation. La source de tension de référence, le modulateur synchrone et le démodulateur synchrone sont synchronisés par une même base de temps.The measurement circuit of this chain includes a charge amplifier, a level amplifier, a synchronous demodulator and an integrator. The secondary of the triaxial transformer is placed between the capacity to measure and the charge amplifier, the primary of this triaxial transformer being connected to a synchronous modulator. The negative input of the charge amplifier is subjected to a reference alternating voltage through an excitation capacitor. The reference voltage source, the synchronous modulator and the synchronous demodulator are synchronized by the same time base.
Les ponts capacitifs divulgués ont cependant l'inconvénient de nécessiter la mise en oeuvre d'un transformateur triaxial d'isolement, ce qui conduit à des coûts élevés et constitue un obstacle à toute intégration de l'électronique au sein d'un dispositif capteur. The disclosed capacitive bridges however have the drawback of requiring the use of a triaxial isolation transformer, which leads to high costs and constitutes an obstacle to any integration of the electronics within a sensor device.
Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un pont de mesure capacitif flottant, qui permette une intégration aisée de l'électronique, tout étant de réalisation moins coûteuse. The object of the invention is to remedy these drawbacks by proposing a floating capacitive measuring bridge, which allows easy integration of the electronics, while being less costly to produce.
Il s'agit d'un pont de mesure capacitif flottant comprenant:
- un capteur capacitif comportant une première
électrode de mesure, une électrode de garde
entourant ladite électrode de mesure, et une
électrode de terre
- un amplificateur de charge ayant une première entrée
(-) reliée à l'électrode de mesure et une seconde
entrée (+) reliée à l'électrode de garde, et
comportant un condensateur de contre-réaction
disposé entre sa première entrée et sa sortie,
- des moyens pour traiter le signal de sortie de
l'amplificateur de charge, en vue de délivrer un
signal de mesure capacitive par rapport à une
référence de terre, et
- des moyens pour alimenter ledit amplificateur de
charge par rapport au potentiel flottant de
l'électrode de garde.It is a floating capacitive measuring bridge comprising:
- a capacitive sensor comprising a first
measuring electrode, a guard electrode
surrounding said measurement electrode, and a
earth electrode
- a charge amplifier having a first input
(-) connected to the measuring electrode and a second
input (+) connected to the guard electrode, and
having a feedback capacitor
arranged between its first entry and its exit,
means for processing the output signal from
the charge amplifier, in order to deliver a
capacitive measurement signal with respect to a
earth reference, and
- Means for supplying said amplifier
charge with respect to the floating potential of
the guard electrode.
Suivant l'invention, l'amplificateur de charge comporte en outre un condensateur d'excitation relié d'une part à sa première entrée (-) et d'autre part à des moyens pour produire un signal d'excitation à une fréquence prédéterminée, et l'amplificateur de charge et les condensateurs de contre-réaction et d'excitation sont inclus dans une garde totale reliée à l'électrode de garde. According to the invention, the charge amplifier further comprises an excitation capacitor connected on the one hand to its first input (-) and on the other hand to means for producing an excitation signal at a predetermined frequency, and the charge amplifier and the feedback and excitation capacitors are included in a full guard connected to the guard electrode.
On a ainsi obtenu, pour un pont capacitif flottant selon l'invention, une consommation d'environ 2,5 mA sous une tension d'alimentation de 30 V avec une fréquence de porteuse égale à 4 kHz. I1 devient même possible de réduire la tension d'alimentation de l'amplificateur de charge à 15 V, s'il est prévu une protection de celui-ci. There was thus obtained, for a floating capacitive bridge according to the invention, a consumption of approximately 2.5 mA under a supply voltage of 30 V with a carrier frequency equal to 4 kHz. It even becomes possible to reduce the supply voltage of the charge amplifier to 15 V, if protection is provided for it.
Cette consommation peut ainsi atteindre 0,2 mA sous une tension de + 2,5 V. I1 devient alors possible d'intégrer l'électronique de conditionnement au sein du capteur.This consumption can thus reach 0.2 mA at a voltage of + 2.5 V. I1 then becomes possible to integrate the conditioning electronics within the sensor.
Dans un pont flottant selon l'invention, les moyens de traitement comprennent de préférence
- des moyens pour amplifier le signal de sortie de
l'amplificateur de charge,
- des moyens pour démoduler le signal de sortie
amplifié en synchronisme avec les moyens
d'excitation,
- et des moyens pour intégrer le signal démodulé en
vue de délivrer un signal de mesure.In a floating bridge according to the invention, the processing means preferably comprise
- means for amplifying the output signal from
charge amplifier,
- means for demodulating the output signal
amplified in synchronism with the means
of excitement,
- and means for integrating the demodulated signal into
view of delivering a measurement signal.
Ces moyens de traitement comprennent en outre des moyens d'amplification différentielle insérés en un point quelconque de la chaîne de traitement, et ayant d'une part, leur entrée référencée au potentiel flottant, et d'autre part, leur sortie référencée à la terre. These processing means further comprise differential amplification means inserted at any point of the processing chain, and having, on the one hand, their input referenced to the floating potential, and on the other hand, their output referenced to the ground. .
Les moyens d'excitation comprennent d'une manière générale
- des moyens oscillateurs pour délivrer une tension
d'oscillation à une fréquence prédéterminée,
- des premiers moyens commutateurs pour appliquer sur
l'électrode de mesure via le condensateur
d'excitation, soit une tension de modulation issue
des moyens modulateurs synchrones, soit la tension
d'oscillation issue des moyens oscillateurs, et
- des seconds moyens commutateurs pour appliquer sur
la garde au potentiel flottant, soit la tension
d'oscillation, soit la tension de modulation. The excitation means generally comprise
- oscillator means for delivering a voltage
oscillation at a predetermined frequency,
- first switching means for applying to
the measuring electrode via the capacitor
excitation, i.e. a modulation voltage from
synchronous modulating means, i.e. the voltage
oscillation from the oscillator means, and
- second switching means for applying to
the guard at floating potential, i.e. the voltage
oscillation, or the modulation voltage.
Les premiers et seconds moyens commutateurs coopèrent pour procurer l'une ou l'autre des mesures suivantes
- une mesure représentative de l'inverse d'une
capacité, lorsque le potentiel flottant est à la
tension de modulation, et
- une mesure représentative d'une capacité, lorsque le
potentiel flottant est à la tension d'oscillation.The first and second switching means cooperate to provide either of the following measures
- a measure representative of the inverse of a
capacity, when the floating potential is at the
modulation voltage, and
- a measure representative of a capacity, when the
floating potential is at the oscillation voltage.
Ainsi, lorsque le pont capacitif selon l'invention est prévu pour la mesure d'une capacité, les moyens oscillateurs pilotent le potentiel flottant. Lorsque le pont capacitif est prévu pour la mesure de l'inverse d'une capacité, notamment pour la mesure de distance avec un capteur capacitif, des moyens modulateurs placés en aval des moyens démodulateurs et de moyens intégrateurs placés en cascade, assurent le pilotage du potentiel flottant. Thus, when the capacitive bridge according to the invention is provided for measuring a capacity, the oscillator means control the floating potential. When the capacitive bridge is provided for measuring the inverse of a capacity, in particular for measuring the distance with a capacitive sensor, modulator means placed downstream of the demodulator means and integrator means placed in cascade, ensure the control of the floating potential.
Ces moyens modulateurs sont synchronisés par les moyens oscillateurs. Lorsque le pont capacitif selon l'invention est prévu pour réaliser les deux types de mesure précités, il comprend alors des moyens commutateurs pour appliquer à la garde un potentiel flottant issu, soit des moyens oscillateurs pour la mesure d'une capacité, soit des moyens modulateurs pour la mesure de l'inverse d'une capacité.These modulating means are synchronized by the oscillating means. When the capacitive bridge according to the invention is intended to carry out the two aforementioned types of measurement, it then comprises switching means for applying to the guard a floating potential coming from either oscillating means for measuring a capacity, or means modulators for measuring the inverse of a capacity.
Dans une première forme de réalisation correspondant à un pont capacitif entièrement flottant, la garde contient l'amplificateur de charge, des moyens d'amplification, les moyens de démodulation, et des moyens intégrateurs en aval dudit amplificateur de charge, et les moyens d'amplification différentielle ont leur première entrée différentielle reliée à la sortie desdits moyens intégrateurs. Les moyens oscillateurs et les moyens modulateurs sont de préférence inclus dans la garde. Le pont capacitif flottant comprend en outre un condensateur d'excitation disposé entre l'entrée négative de l'amplificateur de charge et la sortie des moyens générateurs du potentiel flottant, et des moyens commutateurs pour relier le condensateur d'excitation, soit aux moyens oscillateurs, soit aux moyens modulateurs. In a first embodiment corresponding to a fully floating capacitive bridge, the guard contains the charge amplifier, amplification means, the demodulation means, and integrator means downstream of said charge amplifier, and the means of differential amplification have their first differential input connected to the output of said integrating means. The oscillator means and the modulator means are preferably included in the guard. The floating capacitive bridge further comprises an excitation capacitor disposed between the negative input of the charge amplifier and the output of the means generating the floating potential, and switching means for connecting the excitation capacitor, either to the oscillator means. , or with modulating means.
Avec un pont capacitif de ce type, on a obtenu expérimentalement une consommation d'environ 20 mA sous une tension d'alimentation de 30 V, avec une porteuse carrée de 4 kHz. Pour une porteuse sinusoïdale de 50 kHz, la consommation électrique est d'environ 40 mA. Lorsque la fréquence de la porteuse atteint 1,2 Mhz, la consommation électrique n'est que d'environ 120 mA. With a capacitive bridge of this type, a consumption of approximately 20 mA has been obtained experimentally under a supply voltage of 30 V, with a square carrier of 4 kHz. For a 50 kHz sinusoidal carrier, the power consumption is approximately 40 mA. When the carrier frequency reaches 1.2 MHz, the power consumption is only about 120 mA.
Dans une seconde forme de réalisation correspondant à un pont capacitif semi-flottant, la garde contient l'amplificateur de charge, des moyens d'amplification et les moyens de démodulation en aval dudit amplificateur de charge, les moyens d'amplification différentielle ont leur première entrée différentielle directement reliée à la sortie desdits moyens démodulateurs, et ce pont capacitif comprend en outre, en aval desdits moyens d'amplification différentielle, des moyens intégrateurs à la sortie desquels est prélevée la tension de sortie du pont capacitif. Dans ce mode de réalisation, les moyens oscillateurs sont situés à l'extérieur de la garde. In a second embodiment corresponding to a semi-floating capacitive bridge, the guard contains the charge amplifier, amplification means and the demodulation means downstream of said charge amplifier, the differential amplification means have their first differential input directly connected to the output of said demodulator means, and this capacitive bridge further comprises, downstream of said differential amplification means, integrator means at the output of which the output voltage of the capacitive bridge is taken. In this embodiment, the oscillator means are located outside the guard.
Dans une troisième forme de réalisation correspondant à un pont capacitif à faible consommation d'énergie, la garde contient l'amplificateur de charge et des moyens d'amplification en aval de celui-ci, les moyens d'amplification différentielle ont leur première entrée différentielle directement reliée à la sortie desdits moyens d'amplification, et ce pont capacitif comprend en outre, en aval desdits moyens d'amplification différentielle, les moyens démodulateurs et des moyens intégrateurs à la sortie desquels est prélevée la tension de sortie dudit pont capacitif. In a third embodiment corresponding to a capacitive bridge with low energy consumption, the guard contains the charge amplifier and amplification means downstream of it, the differential amplification means have their first differential input directly connected to the output of said amplification means, and this capacitive bridge further comprises, downstream of said differential amplification means, the demodulator means and integrator means at the output of which the output voltage of said capacitive bridge is taken.
Dans une quatrième forme de réalisation correspondant à une consommation d'énergie in situ, la garde contient l'amplificateur de charge, les moyens d'amplification différentielle ont leur première entrée différentielle directement reliée à la sortie dudit amplificateur de charge, et ce procédé comprend en outre, en aval desdits moyens d'amplification différentielle, des moyens d'amplification, les moyens démodulateurs et des moyens intégrateurs à la sortie desquels est prélevée la tension de sortie du pont capacitif. In a fourth embodiment corresponding to an energy consumption in situ, the guard contains the charge amplifier, the differential amplification means have their first differential input directly connected to the output of said charge amplifier, and this method comprises in addition, downstream of said differential amplification means, amplification means, demodulator means and integrator means at the output from which the output voltage of the capacitive bridge is taken.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un système de mesure multi-capacitif réalisé à partir d'un ensemble de ponts flottants selon l'invention, comprenant un ensemble de capteurs capacitifs associés à un ensemble d'amplificateurs de charge. Ce système comprend en outre une chaîne de traitement unique et des moyens multiplexeurs ayant leurs entrées multiples reliées en sortie desdits amplificateurs de charge et leur sortie reliée en entrée de ladite chaîne de traitement. According to another aspect of the invention, there is provided a multi-capacitive measurement system produced from a set of floating bridges according to the invention, comprising a set of capacitive sensors associated with a set of charge amplifiers. This system further comprises a single processing chain and multiplexer means having their multiple inputs connected at the output of said charge amplifiers and their output connected at the input of said processing chain.
On peut également prévoir un système de mesure multicapacitif réalisé à partir d'un pont flottant selon l'invention, comprenant un ensemble de capteurs capacitifs, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un unique amplificateur de charge et sa chaîne de traitement associée, et des moyens multiplexeurs ayant leurs entrées multiples reliées en sortie desdits capteurs capacitifs et leur sortie reliée en entrée dudit amplificateur de charge, les électrodes respectives desdits capteurs capacitifs étant entourées d'une électrode de garde commune. It is also possible to provide a multicapacitive measurement system produced from a floating bridge according to the invention, comprising a set of capacitive sensors, characterized in that it also comprises a single charge amplifier and its associated processing chain, and multiplexer means having their multiple inputs connected to the output of said capacitive sensors and their output connected to the input of said charge amplifier, the respective electrodes of said capacitive sensors being surrounded by a common guard electrode.
D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs:
- la figure 1 est un schéma d'un pont capacitif
entièrement flottant selon l'invention;
- la figure 2 est un schéma d'un pont capacitif semi
flottant selon l'invention;;
- la figure 3 est un schéma d'un pont capacitif
flottant à faible consommation selon l'invention;
- la figure 4 est un schéma d'un pont capacitif
flottant minimum selon l'invention;
- la figure 5 illustre un exemple de réalisation d'une
alimentation flottante mise en oeuvre dans un pont
capacitif flottant selon l'invention; et
- la figure 6 est un schéma d'un système de mesure
multi-capacitif selon l'invention réalisé sous la
forme d'un circuit hybride associant des composants
analogiques et un circuit numérique.Other features and advantages of the invention will appear in the description below. In the appended drawings given by way of nonlimiting examples:
- Figure 1 is a diagram of a capacitive bridge
fully floating according to the invention;
- Figure 2 is a diagram of a semi capacitive bridge
floating according to the invention ;;
- Figure 3 is a diagram of a capacitive bridge
floating with low consumption according to the invention;
- Figure 4 is a diagram of a capacitive bridge
minimum floating according to the invention;
- Figure 5 illustrates an exemplary embodiment of a
floating power supply implemented in a bridge
floating capacitive according to the invention; and
- Figure 6 is a diagram of a measurement system
multi-capacitive according to the invention produced under the
form of a hybrid circuit combining components
analog and a digital circuit.
On va maintenant décrire plusieurs exemples de réalisation d'un pont capacitif flottant selon l'invention, en référence aux figures précitées. We will now describe several embodiments of a floating capacitive bridge according to the invention, with reference to the aforementioned figures.
Dans un premier exemple de réalisation représenté en figure 1, un pont capacitif entièrement flottant 10 comprend une partie flottante 1 dans une garde 2 et un amplificateur différentiel 14 délivrant une tension de sortie Vs. La partie flottante 1 comprend un amplificateur 3 monté en pont capacitif, ayant son entrée négative reliée à une première électrode 15, dite électrode de mesure, (d'une capacité à mesurer C dont l'autre électrode 16 est reliée à une masse de référence), et son entrée positive reliée à une garde totale 2 qui présente un potentiel flottant par rapport à la terre et est qui est reliée électriquement, par exemple par une gaine coaxiale, à une électrode de garde 17 entourant l'électrode de mesure 15. La sortie de l'amplificateur opérationnel 3 est reliée d'une part, à son entrée négative à travers un condensateur 6 selon un schéma classique de pont capacitif, et d'autre part, à l'entrée d'un amplificateur 4 en amont successivement d'un démodulateur 9, d'un intégrateur 11 et d'un modulateur 12. Le démodulateur 9 et le modulateur 12 sont commandés par un oscillateur 5 également présent dans la garde 2 et référencé à la terre. In a first embodiment shown in FIG. 1, a fully floating capacitive bridge 10 comprises a floating part 1 in a guard 2 and a differential amplifier 14 delivering an output voltage Vs. The floating part 1 comprises an amplifier 3 mounted as a capacitive bridge , having its negative input connected to a first electrode 15, called the measurement electrode, (with a capacity to measure C, the other electrode 16 of which is connected to a reference ground), and its positive input connected to a total guard 2 which has a floating potential with respect to the earth and is which is electrically connected, for example by a coaxial sheath, to a guard electrode 17 surrounding the measurement electrode 15. The output of the operational amplifier 3 is connected on the one hand, at its negative input through a capacitor 6 according to a conventional capacitive bridge diagram, and on the other hand, at the input of an amplifier 4 upstream successively nt of a demodulator 9, an integrator 11 and a modulator 12. The demodulator 9 and the modulator 12 are controlled by an oscillator 5 also present in the guard 2 and referenced to earth.
Les différents éléments référencés au potentiel flottant
PF sont alimentés par une unité de conversion continu/continu 100 disposée à l'extérieur de la partie flottante 1, cette unité recevant par exemple en entrée une tension Vcc par rapport à la masse de référence (la terre) et délivrant, en mode flottant, une tension d'alimentation continue positive V+ et une tension d'alimentation continue V- par rapport au potentiel flottant PF de l'enceinte. L'amplificateur différentiel 14 extérieur à la partie flottante 1 reçoit en entrée d'une part, le signal de sortie de l'intégrateur 11, et d'autre part, le potentiel flottant PF. Cet amplificateur différentiel 14 doit assurer une excellente réjection de mode de commun à la fréquence d'oscillation.The various elements referenced to floating potential
PF are supplied by a continuous / continuous conversion unit 100 disposed outside of the floating part 1, this unit receiving, for example, a voltage Vcc with respect to the reference mass (earth) and delivering, in floating mode , a positive continuous supply voltage V + and a continuous supply voltage V- with respect to the floating potential PF of the enclosure. The differential amplifier 14 external to the floating part 1 receives as input on the one hand, the output signal of the integrator 11, and on the other hand, the floating potential PF. This differential amplifier 14 must provide excellent common mode rejection at the oscillation frequency.
Des commutateurs 8, 13 sont également prévus au sein de la partie flottante 1 pour appliquer à l'entrée négative de l'amplificateur de charge 3 à travers un condensateur d'excitation 7, soit la tension de sortie de l'oscillateur 5 afin d'obtenir une tension de sortie image de l'inverse de la capacité C, soit la tension de sortie du modulateur 12 afin d'obtenir une tension de sortie image de la capacité C. Switches 8, 13 are also provided within the floating part 1 to apply to the negative input of the charge amplifier 3 through an excitation capacitor 7, ie the output voltage of the oscillator 5 in order to d '' obtain an image output voltage of the inverse of the capacitance C, i.e. the output voltage of the modulator 12 in order to obtain an image output voltage of the capacitance C.
Dans un second exemple de réalisation selon l'invention, correspondant à un pont capacitif semiflottant 20, en référence à la figure 2, la partie flottante 27 inclut à l'intérieur d'une garde totale 22, un amplificateur opérationnel 23 dont l'entrée négative est reliée à une électrode de mesure 15 de la capacité à mesurer C et dont l'entrée positive est reliée à la garde totale 22 auquel est également reliée une électrode de garde 17 de la capacité à mesurer C, un condensateur 26 étant classiquement disposé entre la sortie et l'entrée négative de cet amplificateur opérationnel. Le signal de sortie de l'amplificateur opérationnel 23 est appliqué en entrée d'un amplificateur 24 dont la sortie est reliée en entrée d'un démodulateur 29 dans la partie flottante 27. In a second embodiment according to the invention, corresponding to a semi-floating capacitive bridge 20, with reference to FIG. 2, the floating part 27 includes, inside a total guard 22, an operational amplifier 23 whose input negative is connected to a measuring electrode 15 of the capacitance to be measured C and whose positive input is connected to the total guard 22 to which is also connected a guard electrode 17 of the capacitance to be measured C, a capacitor 26 being conventionally disposed between the output and the negative input of this operational amplifier. The output signal from the operational amplifier 23 is applied to the input of an amplifier 24, the output of which is connected to the input of a demodulator 29 in the floating part 27.
La sortie du démodulateur 29 est appliquée, à l'extérieur de la partie flottante 27, à une entrée d'un amplificateur différentiel 28 dont l'autre entrée est au potentiel PF de la partie flottante 27. La sortie de l'amplificateur différentiel 28 est appliquée en entrée d'un intégrateur 21 à la sortie duquel est prélevée la sortie Vs du pont capacitif 20. La sortie de l'intégrateur 21 est également appliquée en entrée d'un modulateur 212 dont la sortie peut être appliquée, via un commutateur 250, à la partie flottante 27 pour déterminer le potentiel flottant PF lorsque le pont est utilisé pour effectuer des mesures représentatives de l'inverse de la capacité. Un oscillateur 25 situé à l'extérieur de la partie flottante 27, commande à la fois le modulateur 29 et le démodulateur 212. La tension de sortie de l'oscillateur 25 peut également être appliquée à la partie flottante 27 au moyen du commutateur 250, lorsque le pont capacitif 20 est prévu pour effectuer des mesures représentatives de la capacité à mesurer.The output of the demodulator 29 is applied, outside the floating part 27, to an input of a differential amplifier 28, the other input of which is at the potential PF of the floating part 27. The output of the differential amplifier 28 is applied at the input of an integrator 21 at the output of which the output Vs of the capacitive bridge 20 is taken. The output of the integrator 21 is also applied at the input of a modulator 212 whose output can be applied, via a switch 250, to the floating part 27 to determine the floating potential PF when the bridge is used to make measurements representative of the inverse of the capacity. An oscillator 25 located outside the floating part 27, controls both the modulator 29 and the demodulator 212. The output voltage of the oscillator 25 can also be applied to the floating part 27 by means of the switch 250, when the capacitive bridge 20 is provided for carrying out measurements representative of the capacity to be measured.
Un commutateur 206 est également prévu au sein de la partie flottante 27 pour appliquer à l'entrée négative de l'amplificateur de charge 23 à travers un condensateur d'excitation 205, soit la tension de sortie de 1'oscillateur 25 fournie en mode flottant par un amplificateur différentiel 204 afin d'obtenir une tension de sortie image de l'inverse de la capacité C, soit la tension de sortie du modulateur 212 fournie en mode flottant par un amplificateur différentiel 203 afin d'obtenir une tension de sortie image de la capacité C. A switch 206 is also provided within the floating part 27 to apply to the negative input of the charge amplifier 23 through an excitation capacitor 205, ie the output voltage of the oscillator 25 supplied in floating mode by a differential amplifier 204 in order to obtain an image output voltage of the inverse of the capacitance C, ie the output voltage of the modulator 212 supplied in floating mode by a differential amplifier 203 in order to obtain an image output voltage of capacity C.
Comme dans le premier mode de réalisation précédemment décrit, le pont capacitif 20 est doté d'une unité de conversion continu/continu 100 pour fournir à l'intérieur de la garde 22 les tensions continues nécessaires à l'alimentation des composants électroniques, notamment l'amplificateur de charge 23, l'amplificateur de gain 24 et le démodulateur 29. As in the first embodiment described above, the capacitive bridge 20 is provided with a DC / DC conversion unit 100 to supply inside the guard 22 the DC voltages necessary to supply the electronic components, in particular the charge amplifier 23, gain amplifier 24 and demodulator 29.
Le pont capacitif semi-flottant 20 qui vient d'être décrit, dans lequel seuls l'amplificateur opérationnel, l'amplificateur et le démodulateur sont placés dans la partie flottante 27, est particulièrement adapté lorsqu'il est nécessaire de minimiser la consommation d'énergie électrique dans la garde. The semi-floating capacitive bridge 20 which has just been described, in which only the operational amplifier, the amplifier and the demodulator are placed in the floating part 27, is particularly suitable when it is necessary to minimize the consumption of electrical energy in the guard.
Dans un troisième exemple de réalisation correspondant à un pont capacitif flottant 30 à faible consommation en référence à la figure 3, seuls l'amplificateur de charge 33 et l'amplificateur 34 sont inclus dans la partie flottante 37 et sont alimentés en mode flottant par une unité de conversion continue 100. Seuls l'amplificateur de charge 33 et ses deux condensateurs de contre-réaction 36 et d'excitation 305 associés sont pourvus d'une garde totale 32. Les autres composants du pont capacitif sont extérieurs à la partie flottante 37 et référencés à la terre. La garde totale 32 inclut l'amplificateur de charge 33 qui a son entrée négative reliée à une électrode 15 de la capacité à mesurer C et son entrée positive directement reliée à la garde et ainsi placée au potentiel flottant
PF, sa sortie étant reliée à son entrée négative par le condensateur de contre-réaction 36 suivant un schéma classique. La partie flottante 37 comprend également l'amplificateur de tension 34 dont la sortie est reliée à une entrée d'un amplificateur différentiel 38 dont l'autre entrée est reliée au potentiel flottant PF. Cet amplificateur différentiel 38, référencé par rapport à la terre, délivre un signal de sortie qui est appliqué à un démodulateur 39 en amont d'un intégrateur 31 et d'un modulateur 312 dont la tension de sortie peut être appliquée, selon l'état d'un commutateur 350, à la garde 37 comme potentiel flottant, dans le cas d'une mesure représentative de l'inverse de la capacité. Le démodulateur 39 et le modulateur 312 sont tous deux synchronisés par un oscillateur 35 référencé à la terre.In a third embodiment corresponding to a low-consumption floating capacitive bridge 30 with reference to FIG. 3, only the charge amplifier 33 and the amplifier 34 are included in the floating part 37 and are supplied in floating mode by a continuous conversion unit 100. Only the charge amplifier 33 and its two feedback 36 and excitation 305 associated capacitors are provided with full guard 32. The other components of the capacitive bridge are external to the floating part 37 and referenced to the earth. The total guard 32 includes the charge amplifier 33 which has its negative input connected to an electrode 15 of the capacity to measure C and its positive input directly connected to the guard and thus placed at the floating potential.
PF, its output being connected to its negative input by the feedback capacitor 36 according to a conventional diagram. The floating part 37 also includes the voltage amplifier 34, the output of which is connected to an input of a differential amplifier 38, the other input of which is connected to the floating potential PF. This differential amplifier 38, referenced with respect to the earth, delivers an output signal which is applied to a demodulator 39 upstream of an integrator 31 and of a modulator 312 whose output voltage can be applied, depending on the state a switch 350, on guard 37 as floating potential, in the case of a measurement representative of the inverse of the capacity. The demodulator 39 and the modulator 312 are both synchronized by an oscillator 35 referenced to earth.
La tension de sortie de l'oscillateur 35 peut également être appliquée, via le commutateur 350, à la masse de la partie flottante 37 pour déterminer le potentiel flottant
PF. Un second commutateur 306 permet d'appliquer à l'entrée négative de l'amplificateur de charge 33, à travers le condensateur d'excitation 305 et un amplificateur différentiel 303 inclus dans la partie flottante 37, soit la tension de sortie de l'oscillateur 35 dans le cas d'une mesure représentative de l'inverse de la capacité C, soit la tension de sortie du modulateur 312 dans le cas d'une mesure représentative de la capacité C.The output voltage of oscillator 35 can also be applied, via switch 350, to the mass of floating part 37 to determine the floating potential.
PF. A second switch 306 makes it possible to apply to the negative input of the charge amplifier 33, through the excitation capacitor 305 and a differential amplifier 303 included in the floating part 37, ie the output voltage of the oscillator 35 in the case of a measurement representative of the inverse of the capacitance C, ie the output voltage of the modulator 312 in the case of a measurement representative of the capacitance C.
Ce mode de réalisation d'un pont capacitif flottant est particulièrement approprié lorsqu'il s'agit de réduire considérablement l'énergie électrique consommée dans la partie flottante. En effet, si l'entrée de l'amplificateur opérationnel est protégée, il devient possible de diminuer la tension d'alimentation et par conséquent de réduire la consommation in situ. Le mode commun de l'amplificateur différentiel 38 engendre cependant une erreur supplémentaire sur la mesure. This embodiment of a floating capacitive bridge is particularly suitable when it comes to considerably reducing the electrical energy consumed in the floating part. In fact, if the input of the operational amplifier is protected, it becomes possible to reduce the supply voltage and consequently reduce consumption in situ. The common mode of the differential amplifier 38, however, generates an additional measurement error.
Dans un quatrième mode de réalisation d'un pont capacitif flottant 40 selon l'invention, en référence à la figure 4, seuls l'amplificateur de charge 43, le condensateur de contre-réaction 46 et le condensateur d'excitation sont inclus dans une garde totale 42 et alimentés en mode flottant par une unité de conversion continu/continu 100. Tous les autres composants du pont capacitif sont situés à l'extérieur de cette garde 42 et référencés à la terre. Un amplificateur différentiel 48 a une de ses entrées reliée à la sortie de l'amplificateur opérationnel 43 et son autre entrée reliée à la garde totale 42. La sortie de l'amplificateur différentiel 48 est amplifiée dans un amplificateur 44, puis appliquée à un démodulateur 49 en amont d'un intégrateur 41 et d'un modulateur 412. Un oscillateur 45 commande le démodulateur 49 et le modulateur 412 dont la sortie peut être reliée, en fonction des états respectifs d'un premier commutateur 406 et dlun second commutateur 450, soit à la garde totale 42 pour déterminer le potentiel flottant PF, soit en entrée d'un adaptateur différentiel 403 situé dans une partie flottante 47, pour injecter via le condensateur d'excitation 405 un signal d'excitation sur la première entrée de l'amplificateur de charge 43. Ce mode de réalisation présente l'avantage de conduire à une consommation minimale in situ. De plus, s'il est prévu une protection de l'amplificateur opérationnel de charge 43, la tension d'alimentation peut alors être réduite. In a fourth embodiment of a floating capacitive bridge 40 according to the invention, with reference to FIG. 4, only the charge amplifier 43, the feedback capacitor 46 and the excitation capacitor are included in a total guard 42 and supplied in floating mode by a continuous / continuous conversion unit 100. All the other components of the capacitive bridge are located outside this guard 42 and referenced to earth. A differential amplifier 48 has one of its inputs connected to the output of the operational amplifier 43 and its other input connected to the total guard 42. The output of the differential amplifier 48 is amplified in an amplifier 44, then applied to a demodulator 49 upstream of an integrator 41 and a modulator 412. An oscillator 45 controls the demodulator 49 and the modulator 412, the output of which can be connected, as a function of the respective states of a first switch 406 and of a second switch 450, either at full guard 42 to determine the floating potential PF, or at the input of a differential adapter 403 located in a floating part 47, to inject via the excitation capacitor 405 an excitation signal on the first input of the charge amplifier 43. This embodiment has the advantage of leading to minimal consumption in situ. In addition, if protection for the operational charge amplifier 43 is provided, the supply voltage can then be reduced.
Cependant, on utilisera de préférence un amplificateur différentiel de faible bruit d'entrée, l'erreur engendrée par le mode commun de l'amplificateur différentiel 48 étant multipliée par le gain de l'amplificateur 44, par comparaison avec le pont capacitif représenté en figure 3.However, a differential amplifier of low input noise will preferably be used, the error generated by the common mode of the differential amplifier 48 being multiplied by the gain of the amplifier 44, by comparison with the capacitive bridge shown in FIG. 3.
Les unités d'alimentation continue destinées à l'alimentation en mode flottant des circuits électroniques disposés dans la garde peuvent être réalisées suivant différentes technologies, pourvu qu'elles présentent une charge électrique entrée-sortie de valeur supérieure à la charge minimale que peuvent supporter les moyens d'excitation , en l'occurrence soit l'oscillateur pour des mesures de capacité, soit le modulateur pour des mesures d'inverse de capacité. On peut ainsi envisager des unités de conversion DC/DC électroniques disponibles par exemple sous la forme de boîtiers DIL, CMS ou autres, des cellules solaires, des piles ou des batteries. On peut également prévoir une alimentation en mode flottant un circuit électronique à capacités commutées, de préférence sous forme intégrée, ou encore une alimentation (V+, V- / +Vcc, -Vcc) 200 comportant, suivant une structure connue illustrée en figure 5, des selfs de choc L couplées avec des capacités en pont C. The DC power supply units intended for supplying the floating circuits of the electronic circuits arranged in the guard can be produced using different technologies, provided that they have an input-output electrical charge of value greater than the minimum load that the excitation means, in this case either the oscillator for capacitance measurements, or the modulator for capacitance inverse measurements. We can thus consider electronic DC / DC conversion units available for example in the form of DIL, CMS or other boxes, solar cells, cells or batteries. It is also possible to provide a supply in floating mode of an electronic circuit with switched capacities, preferably in integrated form, or else a supply (V +, V- / + Vcc, -Vcc) 200 comprising, according to a known structure illustrated in FIG. 5, shock inductors L coupled with capacitances at bridge C.
Par ailleurs, afin de diminuer les fuites dues à des effets de ligne en entrée d'un pont capacitif flottant selon 11 invention, on peut envisager l'utilisation d'une surgarde de l'électrode de mesure. Ceci a pour effet de diminuer considérablement les fuites en phase et en quadrature dues à la ligne capteur-électronique et à la fréquence de mesure. Furthermore, in order to reduce the leaks due to line effects at the input of a floating capacitive bridge according to the invention, it is possible to envisage the use of a monitoring of the measurement electrode. This has the effect of considerably reducing phase and quadrature leaks due to the sensor-electronic line and to the measurement frequency.
On peut également prévoir de réaliser un système de mesure multi-capacitif mettant en oeuvre un multiplexage de différentes voies de mesure, une garde unique étant prévue pour les différentes électrodes de mesure. Ce multiplexage peut être réalisé soit en amont d'un amplificateur de charge unique, soit en aval d'un ensemble d'amplificateurs de charge dédiés chacun à un seul capteur capacitif, Cette deuxième option permettant d'augmenter la vitesse de multiplexage. It is also possible to provide for a multi-capacitive measurement system implementing a multiplexing of different measurement channels, a single guard being provided for the different measurement electrodes. This multiplexing can be carried out either upstream of a single charge amplifier, or downstream of a set of charge amplifiers each dedicated to a single capacitive sensor. This second option makes it possible to increase the speed of multiplexing.
Un tel système de mesure multi-capacitif peut avantageusement être réalisé sous la forme d'un circuit hybride associant des composants analogiques et un microcircuit, comme l'illustre le schéma de la figure 6. Such a multi-capacitive measurement system can advantageously be produced in the form of a hybrid circuit associating analog components and a microcircuit, as illustrated in the diagram of FIG. 6.
Le système de mesure multi-capacitif 60, qui peut également être désigné sous le terme de pont tomographe "C et 1/C", comprend ainsi:
- un circuit multiplexeur 70 comportant à titre d'exemple non limitatif 32 entrées de mesure reliées à autant d'électrodes de mesure (non représentées), une entrée BC de bus de commande, et une entrée EPM de porteuse pour ce multiplexeur;
- un amplificateur de charge Al dont l'entrée inverseuse est connectée à la sortie du circuit multiplexeur 70, l'entrée non inverseuse étant reliée à la masse;
- une alimentation DC/DC 100 pour fournir des alimentations flottantes, et
- un microcontrôleur 80 pour commander les différents composants du système et pour traiter les signaux analogiques mesurés.The multi-capacitive measurement system 60, which can also be designated under the term of tomographic bridge "C and 1 / C", thus comprises:
a multiplexer circuit 70 comprising, by way of nonlimiting example, 32 measurement inputs connected to as many measurement electrodes (not shown), a control bus input BC, and a carrier EPM input for this multiplexer;
a charge amplifier A1, the inverting input of which is connected to the output of the multiplexer circuit 70, the non-inverting input being connected to ground;
- a DC / DC 100 power supply to provide floating power supplies, and
a microcontroller 80 for controlling the various components of the system and for processing the analog signals measured.
On peut en outre prévoir une alimentation flottante générée par un convertisseur DC/DC placé à l'extérieur du circuit hybride 60 qui comporte alors trois entrées prévues à cet effet. It is also possible to provide a floating power supply generated by a DC / DC converter placed outside the hybrid circuit 60 which then has three inputs provided for this purpose.
Le microcontrôleur 80 intègre une unité de contrôle et de traitement 86, une mémoire 81 de type EEPROM, une mémoire vive 82 de type RAM, un convertisseur analogique/numérique 83 présentant une résolution de 12 bits, une horloge 84, un diviseur 85, et un circuit de liaison série (qui peut être optionnel). L'unité de contrôle et de traitement 85 (CPU) génère des commandes transmises sur un bus interne de commmande BC au circuit multiplexeur 70, et un signal de commande des commutateurs
S1, S2, S3 qui ont respectivement les fonctions suivantes: démodulation, modulation et oscillateur.The microcontroller 80 integrates a control and processing unit 86, a memory 81 of EEPROM type, a random access memory 82 of RAM type, an analog / digital converter 83 having a resolution of 12 bits, a clock 84, a divider 85, and a serial link circuit (which can be optional). The control and processing unit 85 (CPU) generates commands transmitted on an internal control bus BC to the multiplexer circuit 70, and a command signal from the switches.
S1, S2, S3 which respectively have the following functions: demodulation, modulation and oscillator.
Un module d'alimentation DC/DC 100 fournit, à partie d'une source de tension externe +5V, des alimentations flottantes +5V et -5V à usage interne au sein du circuit hybride 60. A DC / DC 100 power supply module provides, from an external + 5V voltage source, + 5V and -5V floating power supplies for internal use within the hybrid circuit 60.
Le circuit hybride ou pont mixte 60 comporte plusieurs sorties, notamment des sorties analogiques: une sortie
TEST (test en sortie des amplificateurs), une sortie analogique SA, une sortie de tension de référence Vref, une sortie de modulateur MOD et une sortie inversée MOD, et une sortie numérique du circuit de liaison série 87. Il comporte plusieurs entrées, notamment des entrées analogiques (par exemple au nombre de 32), une entrée EPM de porteuse du multiplexeur, et deux broches Cext pour connecter un condensateur extérieur. Le circuit hybride 60 comporte également un amplificateur monté en suiveur SUI, un sonde de température 71, un circuit 73 pour générer une tension de référence Vref et une broche Cref de connexion à un condensateur de référence pour l'amplificateur de charge.The hybrid circuit or mixed bridge 60 has several outputs, in particular analog outputs: an output
TEST (amplifier output test), an analog output SA, a reference voltage output Vref, a modulator output MOD and an inverted output MOD, and a digital output of the serial link circuit 87. It has several inputs, in particular analog inputs (for example 32 in number), a multiplexer carrier EPM input, and two Cext pins to connect an external capacitor. The hybrid circuit 60 also includes an amplifier mounted as a SUI follower, a temperature probe 71, a circuit 73 for generating a reference voltage Vref and a Cref pin for connection to a reference capacitor for the charge amplifier.
Le convertisseur analogique/numérique 83 au sein du circuit numérique 80 reçoit en entrée via un multiplexeur 88 soit un signal analogique issu de la chaîne de traitement analogique en aval de l'amplificateur de charge Al, soit un signal analogique émis par la sonde de température 71, et la tension de référence Vref. Les commutateurs internes Sl, S2 et S3 respectivement démodulateur, modulateur et oscillateur, sont commandés par le circuit diviseur 85. The analog / digital converter 83 within the digital circuit 80 receives as input via a multiplexer 88 either an analog signal from the analog processing chain downstream of the charge amplifier Al, or an analog signal emitted by the temperature probe 71, and the reference voltage Vref. The internal switches S1, S2 and S3 respectively demodulator, modulator and oscillator, are controlled by the divider circuit 85.
La sortie du multiplexeur de tête 70 ainsi que le condensateur C2 est entouré par une garde 74 reliée à la masse. Les composants analogiques et numériques du pont mixte 60 sont alimentés en mode flottant grâce à l'alimentation DC/DC 100. The output of the head multiplexer 70 as well as the capacitor C2 is surrounded by a guard 74 connected to ground. The analog and digital components of the composite bridge 60 are supplied in floating mode thanks to the DC / DC 100 power supply.
Le pont mixte 60 peut être indifféremment utilisé en mode "C" ou en mode "1/C". En mode "C", le suiveur est alimenté par l'oscillateur, tandis qu'en mode "1/C", il est alimenté par le modulateur, par des câblages (non représentés) extérieurs au circuit hybride. The composite bridge 60 can be used either in "C" mode or in "1 / C" mode. In "C" mode, the follower is powered by the oscillator, while in "1 / C" mode, it is powered by the modulator, by cables (not shown) external to the hybrid circuit.
Le pont mixte 60 fonctionne en démodulateur synchrone. The mixed bridge 60 operates as a synchronous demodulator.
L'amplitude de la porteuse est d'environ 5 Vpp ou le double en utilisant deux diodes Zener. La fréquence peut être comprise entre 4 kHz et 20 kHz, avec une bande passante de 1 kHz pour une voie. Le bruit (crête à crête) correspond à 10-5 pF à une fréquence de 1 kHz.The amplitude of the carrier is approximately 5 Vpp or twice using two Zener diodes. The frequency can be between 4 kHz and 20 kHz, with a bandwidth of 1 kHz for one channel. The noise (peak to peak) corresponds to 10-5 pF at a frequency of 1 kHz.
En fonctionnement en mode flottant, l'isolement galvanique de la liaison série peut être assurée au moyen d'optocoupleurs. When operating in floating mode, the galvanic isolation of the serial link can be ensured by means of optocouplers.
Le circuit hybride qui vient d'être décrit peut être avantageusement réalisé en mettant en oeuvre la technologie SOI (silicium sur isolant). The hybrid circuit which has just been described can advantageously be produced by using SOI (silicon on insulator) technology.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, les électrodes des capteurs capacitifs peuvent présenter des formes et structures quelconques. Par ailleurs, les composants électroniques mis en oeuvre dans la chaîne de traitement peuvent être choisis sans autre limitation que des considérations usuelles de précision et de coût. Of course, the invention is not limited to the examples which have just been described and numerous modifications can be made to these examples without departing from the scope of the invention. Thus, the electrodes of the capacitive sensors can have any shape and structure. Furthermore, the electronic components used in the processing chain can be chosen without any other limitation than usual considerations of precision and cost.
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