JPH0415564A - 静電容量測定回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、未知の静電容量を持つコンデンサの静電容量
を測定するデジタルマルヂメータ等に用いられる静電容
量測定回路に関する。

［従来の技術］ 従来、コンデンサの静電容量を測定する方法としては以
下のような方法が用いられていた。

第一の方法は、被測定容量に交流電圧を印加し、その電
圧降下または回路電流を測定することで静電容量を求め
る方法である。

第５図（ａ）に示すように、既知の抵抗と被測定容量と
を直列に接続し、その両端に周波数ｆの交流電圧を印加
する。各素子の端子間電圧を測定し、抵抗の端子間電圧
をＶ＋、被測定容量の端子間電圧を■２とすると、静電
容量ＣＸは次式により求められる。

また第５図（ｂ）のように、回路電流Ｉを測定し、静電
容量Ｃ８を次式により求める方法かある。

第２の方法は、被測定容量を含む４つのインビグンスで
ブリッジを組み、ブリッジ回路の平衡条件を利用して静
電容量を求める方法である。

第６図に示すように、被測定容量を含む４つのインピー
ダンスでブリッジ回路を組み、ｚｌと７４の接続点と２
２と７３の接続点の間に電流が流れないように被測定容
量以外のインピーダンスのどれかひとつを調整する。Ｚ
ｌを被測定容量とすると、Ｚ２、Ｚ３またはｚ４のどれ
かを調整し、流れる電流をゼロとした場合に静電容量Ｃ
Ｘのインピーダンスは次式により求められる。

第３の方法は、ＣＲの時定数を利用した方法である。

第７図（ａ）に示すように、被測定容量Ｃ８と既知の抵
抗Ｒの直列回路に第７図（ｂ）のようなステップ電圧を
印加すると、ＣＲの時定数により被測定容量の両端の電
圧は第７図（ｃ）に示すように、次式に示される指数関
数カーブで変化する。

Ｖｃ　　＝　Ｅｏ　　（１ｅ−””　　ｔ　）　　　　
　　・・・　（４）よって、被測定容量の両端の電圧■
。が一定電圧に変化するまでの時間を測定することで静
電容量を求めることができる。

〔発明が解決しようとする課題１ しかし、これらのような従来の静電容量測定回路では以
下のような問題がある。

第１の方法では、交流電圧の発生回路が必要不可欠であ
り、また２箇所の電圧測定、または電流測定が必要であ
る。

第２の方法では、交流電圧の発生回路がやはり必要不可
欠である。また、ブリッジを構成する素子の精度をすべ
て上げなければならず、一つの素子を精度よく調整する
回路も必要となる。

第３の方法では、被測定容量の両端の電圧変化を直接測
定に利用するため、外部からのノイズによる影響を受け
やすいどう問題がある。また、被測定容量の両端の電圧
が一定電圧に変化するまでの時間を測定する場合にはカ
ウンタ回路を必要とする。

このような問題を解決するため、本発明は交流電圧発生
回路やカウンタ回路を必要とせず、外部からのノイズの
影響を受けにくいことで知られている積分方式Ａ／Ｄコ
ンバータを用いたデジタルマルヂメータによるコンデン
サの静電容量の測定を可能とする静電容量測定回路を提
供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の静電容量測定回路は、積分方式Ａ／Ｄコンバー
クと、一端が接地された被測定容量の他端と接続する基
準抵抗と、被測定容量を前記基準抵抗を通して充電する
ための一定の電圧を出力する基準電圧源と、前記基準電
圧源と前記基準抵抗を接続するための第一のスイッチと
、被測定容量と前記基準抵抗の接続点を接地し、被測定
容量に充電された電荷を放電するための第二のスイッチ
と、前記基準抵抗の両端の電圧を測定する測定回路から
なる。

［実　施　例１ 本発明の静電容量測定回路の実施例を図面にもとづき説
明する。

第１図は、本発明の静電容量測定回路の回路図で、測定
端子１と測定端子２の間に未知の静電容量を持つコンデ
ンサ３が接続される。測定端子２は接地されている。基
準抵抗４の一端は測定端子１を通してコンデンサ３に直
列に接続され、他端はスイッチ５を通して基準電圧源７
に接続される。基準抵抗４とスイッチ５の接続点、及び
基準抵抗４と測定端子１の接続点はそれぞれ測定点８、
及び測定点９に接続される。また、基準抵抗４と測定端
子ｌの接続点はスイッチ６を通して接地される。

回路の動作は、第一段階の充電期間と第二段階の放電期
間に分けられ、これを交互に繰り返す。

第一段階の充電期間は、一端が接地されたコンデンサ３
と基準抵抗４の直列回路に基準電圧源７の発生ずる一定
の電圧を、スイッチ５をＯＮすることにより一定時間印
加し、コンデンサ３が充電される過程で基準抵抗４の両
端に発生する電圧を、測定点８、及び測定点９の間で測
定する。電圧測定は積分方式Ａ／Ｄコンバークを用いて
行ない、コンデンサ３の充電時間はＡ／Ｄコンバータの
正積分時間とするが、それ以上としてもかまわない。第
二段階の放電期間は、スイッチ６をＯＮすることにより
次の充電期間の前までにコンデンサ３に充電された電荷
を放電する。この期間にＡ／Ｄコンバータは逆積分を行
ない、オートゼロの動作を終了する。

第３図は、スイッチ５とスイッチ６の動作タイミングを
示しており、スイッチのＯＮ時をハイの状態、ＯＦＦ時
をローの状態で示している。測定回路中の各スイッチは
、時間ｔ。−ｔｌまでの充電期間はスイッチ５はＯＮ、
スイッチ６はＯＦＦしており、時間ｔ１〜ｔ３までの放
電期間はスイッチ５はＯＦＦ、スイッチ６はＯＮしてい
る。

第２図は、積分方式Ａ／Ｄコンバータの原理図で、積分
、逆積分の動作を行なうための演算増幅器１５の周辺回
路を示している。演算増幅器Ｊ５の非反転入力は接地さ
れている。演算増幅器１５の反転入力と出力間には積分
コンデンサが接続され、積分コンデンサ１４の両端はス
イッチ１２に接続する。積分抵抗１３は演算増幅器１５
の反転入力に接続し、他端はスイッチ１０、及びスイッ
チ１１に接続する。

回路の動作は、−周期を積分期間、逆積分期間、及びオ
ートゼロ期間とし、これを繰り返す。

積分期間は、測定回路で得られた基準抵抗の両端の電圧
をスイッチ１１をＯＮすることによりＡ／Ｄコンバータ
に入力し、積分抵抗】３を通して積分コデンサ１４に充
電する。

次に逆積分期間は、スイッチｌＯを０ＦＦＬ、スイッチ
１］をＯＮすることによりリファレンス電圧をＡ／Ｄコ
ンバータに人力し、積分コンデンサに充電した電荷を積
分抵抗１３を通して放電し、その放電時間を計測する逆
積分動作を行なう。

次にオートゼロ期間は、積分コンデンサに残った電荷を
ゼロにする期間であり、第２図の原理図ではスイッチ１
２をＯＮすることで積分コンデンサ１４の電荷をゼロに
するようにしている。実際の積分方式Ａ／Ｄコンバーク
ではこの他に、オドゼロ期間中に演算増幅器等のオフセ
ットをキャンセルする回路を合わせて持つことが可能で
ある。

第３図にスイッチ１０、スイッチ１１、スイッチ１２の
動作タイミングを示しており、スイッチのＯＮ時をハイ
の状態、ＯＦＦ時をローの状態で示している。

第２図中の各スイッチは、時間ｔ。〜ｔ１までの積分期
間はスイッチ１０がＯＮＬ、スイッチ１１とスイッチ１
２はＯＦＦしている。時間ｔ１〜ｔ２までの逆積分期間
はスイッチ１１がＯＮＬ、スイッチｌＯとスイッチ１２
はＯＦＦしている。

時間ｔ２〜ｔ３までのオートゼロ期間はスイッチ１２が
ＯＮＬ、、スイッチ１０とスイッチ１１はＯＦＦしてい
る。

第４図は、第２図中の入力電圧（Ｖ、、）、すなわち基
準抵抗４の端子電圧と、演算増幅器１５の出力電圧（Ｖ
ｏＵＴ）を示している。

入力電圧（ＶＩＮ）は、コンデンサ３が時間ｔ。

〜１＋の充電期間に充電されるとき、基準抵抗４に現れ
る端子電圧は基準抵抗４とコンデンサ３のＣＲの時定数
による指数関数カーブとなり、その電圧はコンデンサ３
をＣＸ、基準抵抗４をＲｃ、基準電圧源７からの基準電
圧なＥ。、充電期間の時間なしとすると次式で求められ
る。

ＶＩＮ＝Ｅｏ　　−ｅ−”（Ｒ””　ｔ　　　　−（５
）時間ｔ１〜ｔ３の放電期間はコンデンサ３は放電され
、基準抵抗４の両端電圧はゼロとなる。

演算増幅器１５の出力電圧（Ｖｏｕｒ）は、時間ｔ　ｏ
　”　ｔ　＋は、積分期間の入力電圧（Ｖ、、）を積分
した電圧を示しており、時間ｔ１〜ｔ２まての逆積分期
間では積分期間で得られたピーク電圧（Ｖ、）をリファ
レンス電圧（■Ｒイ）で逆積分した電圧を示している。

ピーク電圧（■Ｐ）は、積分抵抗１３をＲ積分コンデン
サ】４をＣ５、積分時間をｔ、とずると、次式で表わさ
れる。

・・・　（６） このピーク電圧（ＶＰ）をリファレンス電圧（Ｖ、ＥＦ
）で逆積分すると、逆積分に要した時間（ｔ６）は次式
により求められる。

ｔａ　＝Ｒ＋　　−Ｃ：　　・■Ｐ／■ＲＦＦ　　・・
・（７）よって、被測定容量であるコンデンサ３の静電
容量に合わせた基準抵抗４、基準電圧源７の基準電圧、
リファレンス電圧、積分抵抗１３、積分コンデンサ１４
、積分時間を設定することで、未知の静電容量を持つコ
ンデンサの静電容量測定が可能である。積分方式Ａ／Ｄ
コンバークを用いたデジタルマルチメータにこの回路を
用いる場合、基準抵抗４は、電圧測定、または抵抗測定
に用いられる基準抵抗を使用し、積分抵抗１３や積分コ
ンデンサ１４は共用することが可能である。

〔発明の効果］ 以」二述べたように、本発明の静電容量測定回路は、交
流電圧発生回路やカウンク回路を必要とぜず、外部から
のノイズの影響を受けにくい積分方式Ａ／Ｄコンバーク
を用いたデジタルマルチメタによるコンデンサの静電容
量の測定が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の静電容量測定回路の回路図。 第２図は本発明の静電容量測定回路に用いる積分方式Ａ
／Ｄコンバークの原理図。 第３図は第１図、及び第２図中の各スイッチのタイミン
グ図。 第４図は第２図中の各部における電圧波形図。 第５図（ａ）、（ｂ）は従来の静電容量測定回路で交流
電圧を印加し、（ａ）電圧降下を測定する方法、（ｂ）
回路電流を測定する方法を示す図。 第６図は従来のブリッジ回路を用いた静電容量測定回路
図。 第７図（ａ）〜（ｃ）は従来のＣＲの時定数を用いた静
電容量測定回路図。 １・・・測定端子 ２・・・測定端子 ３・・・被測定容量 ４・・・基準抵抗 ５・　・・スイッチ ６・・・スイッチ ７・・・基準電圧源 ８・・・測定点 ９　・　測定点 １０・　・・スイッチ １１・・・スイッチ １２・　・　・スイッチ １３・・・積分抵抗 １４・・・積分コンデンサ １５・・・演算増幅器 １６・・・出力端子 以　　ｊニ （ａ） （ｂ） 第 図 ／＞登 ■ 第 図 （ａ） 一〉ｔ （ｂ） 一−＋［ （Ｃ） 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　積分方式Ａ／Ｄコンバータと、一端が接地された被測
   定容量の他端と接続する基準抵抗と、被測定容量を前記
   基準抵抗を通して充電するための一定の電圧を出力する
   基準電圧源と、前記基準電圧源と前記基準抵抗を接続す
   るための第一のスイッチと、被測定容量と前記基準抵抗
   の接続点を接地し、被測定容量に充電された電荷を放電
   するための第二のスイッチと、前記基準抵抗の両端の電
   圧を測定する測定回路からなることを特徴とする静電容
   量測定回路。