JPH0580096A - 2つのコンデンサの容量値の商を測定する回路装置 - Google Patents
2つのコンデンサの容量値の商を測定する回路装置Info
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- JPH0580096A JPH0580096A JP4044614A JP4461492A JPH0580096A JP H0580096 A JPH0580096 A JP H0580096A JP 4044614 A JP4044614 A JP 4044614A JP 4461492 A JP4461492 A JP 4461492A JP H0580096 A JPH0580096 A JP H0580096A
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- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
- G01R27/2605—Measuring capacitance
Abstract
検出されることができ、回路構造に対しては敏感でな
く、小さな測定サイクルについてすでに非常に大きな正
確性が得られることができ、大きな測定領域については
線状に作動する回路装置を提供する。 【構成】 コンデンサC1,C2の互に接続されている
電極に後方可能で、少なくとも2つの信号サイクルにつ
いて再生可能な信号電圧Ui(t)の限定されたエッジ
が印加され、したがって両方のコンデンサC1,C2は
信号源に関して平行パスに配置されており、コンデンサ
C1,C2の両方の別の電極は夫々1つの増幅器3、4
と接続されており、両方のコンデンサの増幅された出
力信号U1 (t)、U2 (t)はA/Dコンバータの入
力と接続されており、該A/Dコンバータに機能ブロッ
ク5が付設されている。
Description
有し、比較すべきコンデンサの1つの電極が互いに接続
されている非常に小さい容量の2つのコンデンサの容量
値の商を測定する回路装置に関するものである。
較すべき2つのコンデンサの容量値を測定するための回
路装置はドイツ特許第3623136号明細書により公
知である。複数のコンデンサは信号出力側が互いに接続
されている。直流電圧信号は1つのコンデンサの自由電
極の1つのスイッチを介して供給され、且つ演算増幅器
と別のコンデンサの自由電極の別のスイッチを介して供
給される。両方のスイッチは反対位相状に接続されてい
る。更に演算増幅器の前に別のスイッチが接続され、該
スイッチは別のスイッチに対して時間遅れで開放する。
このスイッチの開放時間の間両方のコンデンサからの電
流が演算増幅器の前のスイッチを通して流れる。この時
間の間の平均電流は零と同じである。そのことから、コ
ンデンサの入力電圧の比はその容量に比例する。
ために特に非常に小さいコンデンサ(Kapazitaeten) を
測定する場合には欠点が伴う。スイッチの制御信号はコ
ンデンサを流れる電流と同じ程度の大きさである非常に
僅かの電流であり、温度に依存する。平均電流について
の想定は時間測定を基礎にしていることに欠点がある。
測定を伴う別の形態を開示している。両方のコンデンサ
は交互に測定回路に接続される。信号電圧の周波数は3
00KHzの大きさのオーダ迄選択されることができ、
アナログスイッチの応答時間により限定されている。関
連値(Bezugswert) としてコンデンサの1つの容量を知
り、演算増幅器の信号出力値を測定する場合、別の容量
又はその変化は高感度で定められることが可能であるべ
きである。測定可能な容量の下限については何等の言明
が開示されていない。
ばMOS技術又はMIS技術の集積回路の特徴づけのた
めには必要である。この場合、付加的に数ヘルツから数
メガヘルツまでの広い周波数領域についての容量が測定
されなければならない。適当な回路装置はドイツ特許公
開第381596号公報に開示されている。
らなる並列回路であり、その大きさはネグリジブルでは
ない。インピーダンスの測定のため、構成要素に振幅の
可変な直流電圧と周波数可変なる交流が重畳印加され
る。交流電圧信号は特に三角形信号である。初期信号は
フィードバック演算増幅器を介して1つの交流電流信号
に交換される。この交流電流信号の限定された測定時点
での屋根勾配(Dachneigung) 及び振幅は定められる。こ
の振幅からついで容量の大きさが、屋根勾配から並列抵
抗の大きさが導き出される。絶対測定のためには、交代
に公知の1つの回路が測定装置内に参照として差込まれ
ることができる。
直接測定することはこの回路によっては不可能である。
センサの測定原理は、非常に小さい容量のコンデンサ系
の小さな容量変化を測定することに基づいている。斯か
るセンサと適当する評価回路とがドイツ特許第2523
446号明細書に記載されている。センサは互いに固定
間隔て対位する2つの電極板からなり、両電極板間には
弾性的に懸架されるコンデンサ板がある。
と連結されているので、電極板には180°だけ互いに
位相ずれを生じた電圧が、同じ振幅及び周波数で存在す
る。そこでコンデンサ板が正確に電極板間にあるときに
は、コンデンサ板に作用する電圧は相互に相殺する。重
力又は慣性力の影響でコンデンサ板が零位置からずれる
と、電極板とコンデンサ板との間の容量の変化によりコ
ンデンサ板に交流電圧が生じる。
続され、該測定値変換器ではこの交流電圧はセンサの位
置の角度変化を示す測定信号に変換される。交流電圧は
しかし又調整器に供給されることができ、該調整器はそ
れから調整された直流電圧信号を生じ、該直流電圧信号
は電極板に印加する交流電圧に重畳される。調整は、コ
ンデンサ板が該コンデンサ板に作用する力に抗して零位
置に保持されるように行われる。直流電圧調整信号から
次いで同様にコンデンサ板の傾斜及び/又は加速に比例
する角度変化が定められることができる。
であるので、接続導線及び回路構造のために使用される
プリント板の他の構成要素の寄生容量及びリーク抵抗が
正確性と感度に決定的に影響する。零位置への調整は非
常に費用がかかる。コンデンサ板の戻し案内のために使
用すべき直流電圧は比較的高くしなければならないの
で、センサの機械的構造に付加的絶縁問題及び特別の要
求が生じる。
点を解消し、2つのコンデンサの間の値の比が直接比較
において検出されることができ、回路構造に対しては敏
感でなく、小さな測定サイクルについてすでに非常に大
きな正確性が得られることができ、大きな測定領域につ
いては線状に作動する回路装置を提供することを課題と
している。該回路装置は普通の電子構造要素により適正
な価格で実現可能であるべきである。
を、(a)コンデンサの互に接続されている電極に後方
可能で、少なくとも2つの信号サイクル(Signalperiod
en) について再生可能な信号電圧Ui(t)の限定され
たエッジが印加され、したがって両方のコンデンサは信
号源に関して平行パスに配置されており、(b)コンデ
ンサの両方の別の電極は夫々1つの増幅器と接続されて
おり、(c)両方のコンデンサの増幅された出力信号U
1 (t)、U2 (t)はA/Dコンバータの入力と接続
されており、(d)該A/Dコンバータに機能ブロック
が付設されており、該機能ブロックは第1信号サイクル
の間に1つのコンデンサの出力信号の2つのデジタル振
幅値US1、US2を半信号サイクル(T/2)の間隔で検
出し、それに続いて第2信号サイクルの間同様に半信号
サイクルの間隔で別のコンデンサの出力信号の2つのデ
ジタル振幅値US3、US4を検出し、(e)C1 /C2 =
(US1−US2)/(US3−US4)により適当に容量割合
が定まり出力することを特徴とする回路装置により解決
した。
速センサ(Neigungs- und/oder Beschleunigungssenser)
でのその使用は図に示す実施例に基づいて詳細に説明す
る。
矩形電圧パルスを発生する。矩形パルスは少なくとも2
つの前後して続く信号周期について再生可能でなければ
ならず、すなわち、信号高さ及び互いに適当する半周期
の時間は同じでなければならない。その際半周期の時間
が正確にT/2であることは絶対に必要であるというこ
とではない。これについては更に尚以下に尚詳細に説明
する。
ピーク値USSを有する三角形パルス列Ui(t)に変換
される。矩形信号の発生も三角形信号への変換も電子標
準構造要素により簡単に経済的に再現すべきである。三
角形信号は具合よく限定されたエッジ(Flanken) を有
し、該エッジは必要のある場合は非常に良好に微分され
ることができ、その場合微分された信号は微分の際には
矩形であり、その信号高さは専ら三角形信号のエッジ傾
斜に依存する。
して使用しており、それは互いに比較すべき容量は印加
された電圧のためには式I=C・dUi/dtによる純
粋な微分部材を示すからである。
の1つの電極が互いに接続されており、この電極に三角
形信号が与えられる。両方のコンデンサの出力には次い
で、夫々1つの矩形電流パルスI1 (t)、I2 (t)
が生じ、該矩形電流パルスは以下に続く電流増幅器3、
4内で増幅された矩形信号パルスU1 (t)、U
2 (t)に変換される。この電圧パルスは直接測定値検
出のために作用するので、両方の電流増幅器の伝達行動
(Verhalten) は一定トレランス内では同じであるべきで
ある。そうでない場合には色々の増幅係数を以下に考察
されなければならない。
ンス増幅器が選択され、該電流増幅器はもっぱらフィー
ドバック抵抗Rの大きさにより定められる。斯かるトラ
ンスインピーダンス増幅器は特定される同調(spezifizi
erten Gleichlauf) のために容易に利用される(ausgele
gt) ことができ、その際増幅率の絶対値は信号U
1 (t)と信号U2 (t)の比較の際には考慮されな
い。
続される機能グロック5において先ずA/D変換され
る。この機能ブロック内のマイクロプロセッサは、限定
された第1時点において始まり、次いで半信号周期長T
/2の間隔で機能ブロック5内のマイクロプロセッサの
別の計算上の結合のために各パルス列U1 (t)と信号
U2 (t)から夫々2つのデジタル振幅値を固定保持す
る。矩形ゼネレータ1により生ずる矩形パルスを機能ブ
ロック5のマイクロプロセッサ内で処理される信号列と
同期するために、機能ブロックは導線6を介してクロッ
ク信号を受け取る。当然矩形ゼネレータ1と積分器2と
機能ブロック5とは集積回路として実施されることがで
きる。
A/Dコンバータが設けられるときには、夫々2つのデ
ジタル振幅値を時間的に平行して得ることも又可能であ
る。信号電圧Ui(t)はそのとき、1つの信号周期に
ついてのみ限定された特性を有する必要がある。回路は
しかし、適格にされ選び出すべき第2A/Dコンバータ
のために若干高くなる。
線図により説明する。
ずる電圧パルスU(t)の経過を示している。周期長さ
はTで示してある。振幅経過と時間経過が一致している
2つの前後して続くパルスが示されている。今日標準的
に入手可能な信号発生器により、普通に可成り正確に対
称的なパルス列が発生される。実施例では、しかし本発
明に係る回路装置は、信号発生におけるパルス長さの公
差とは無関係であることを示すために、矩形パルスの両
方の周期部分が違った長さである普通の場合から出発す
べきである。
信号Ui(t)の経過を示す。積分器2での経過時間遅
延によりこのパルス列はΔtだけ積分器2の入力の矩形
信号に対しずれ始める。周期長さは又ここではTであ
る。矩形信号の第1半周期が短いので、三角形信号の上
昇エッジ(勾配)は下降エッジより急である。
1 (t)とI2 (t))での微分(Differentiation) 及
び電流増幅器3(U1 (t)とU2 (t))での増幅後
の信号経過を示す。三角形信号の上昇エッジが急である
ことに応じて信号の第1半周期の信号高さは第2半周期
の信号高さより大きい。振幅決定は第1半周期において
三角形信号の上昇エッジの零通過時に行われる。このこ
とは第1列の開始パルスに関しては、完全に対称的な矩
形信号における時間Δt+T/4の後となる。図示の場
合には最初のサンプリング時点は僅かに早くにある。次
のサンプリング時点はしかし、それから間隔T/2にお
いて行われる。
されるものであるがコンデンサC2 での微分及び電流増
幅器4での増幅後の信号経過に相当する。
号振幅を生じる。信号振幅の間隔の走査は先行する信号
振幅に時間的に引き続いているが間隔T/2で生じる。
測定値として従って振幅値US1、US2、US3、US4が存
在する。
コンデンサ値C1 とC2 の比に互いに相当する出力に対
するこの測定値の結びつきは以下の要件に基づいて行わ
れる。すなわちUS =R・C・dUi/dt その結果としてUS1=R・C1 ・USS/(T/2) US2=R・C1 ・(−USS)/(T/2) US3=R・C2 ・USS/(T/2) US4=R・C2 ・(−USS)/(T/2) が生じる。
比の検出を可能にし、回路装置の対称構造により構造要
素の全ての一定パラメータと測定信号パルスは測定には
入らない。
ンデンサ系で図示する傾斜もしくは加速センサを示す。
2つのケーシング部7、8は夫々隔筒9に接し詳しくは
示さない締付手段を介して一緒に保持される。ケーシン
グ部7と8は電気的絶縁材料により作られる。部品7、
8、9により形成されたセンサ室の内部ではケーシング
部7、8は電極板10、11をはりつけられ、該電極板
からの電気接続部12、13は室から引き出されてい
る。
付けられ、該弾性膜は中央領域にコンデンサ板15を担
持する。コンデンサ板15からは同様に電気接続部16
がセンサ室外に引き出される。コンデンサ板15を有す
る膜14は待機位置では間隔Dに対称的に電極板10、
11の間の間隔で対称的に間隔Dで存在する。電極板1
0はコンデンサ板15と共に第1コンデンサC1 を形成
し、電極板11はコンデンサ板15と共に第2コンデン
サC2 を形成する。重力又は慣性の作用の下で、コンデ
ンサ板15を有する膜14は電極板10、11の一方に
向かって或る量Δdだけ移動され、それにより、容量C
1とC2 は変えられる。
互の比に変化について移動量Δdを定めるために有利に
使用されることができる。ドイツ特許第2523446
号明細書から公知の装置とは反対に、測定信号電圧Ui
(t)は接続部16を介してコンデンサ板15に入力さ
れる。このコンデンサ板は両コンデンサC1 C2 に共通
の電極である。測定信号U1 (t)とU2 (t)は導線
12、13を経て増幅後出力される。公知の静電法則か
ら以下の関連が得られる。
の誘電率ε≒1、ε0 は絶対誘電率を示す。
となる。
US2、US3、US4に関連して設定すると、 Δd/D={(US3−US4)−(US1−US2)}/
{(US1−US2)+(US3−US4)}となる。
ンデンサ板15の移動に対して線状に比例する。
きコンデンサの1つの電極が互いに接続されている非常
に小さい容量の2つのコンデンサの容量値C1 、C2 の
商を測定する回路装置において、(a) コンデンサの
互に接続されている電極に微分可能な信号電圧Ui
(t)の限定されたエッジが印加され、したがって両方
のコンデンサは信号源に関して平行パスに配置されてお
り、(b) コンデンサの両方の別の電極は夫々1つの
増幅器(3、4) と接続されており、(c) 両方のコ
ンデンサの増幅された出力信号U1 (t)、U2 (t)
はA/Dコンバータの入力と接続されており、(d)
該A/Dコンバータに機能ブロック(5)が付設されて
おり、該機能ブロックは1つのコンデンサの出力信号の
2つのデジタル振幅値US1、US2を時間的に平行して検
出し、別のコンデンサの出力信号の2つのデジタル振幅
値US3、US4を夫々半信号周期(T/2)の間隔で検出
し、(e) C1 /C2 =(US1−US2)/(US3−U
S4)により適当に容量割合が定まり出力することを特徴
とする回路装置。 2.後に積分器(2)が接続されている周波数安定矩形
電圧ゼネレータ(1)が三角形電圧信号Ui(t)を発
生するために設けられ、該三角形電圧信号はコンデンサ
の互に接続された電極に印加されることを特徴とする請
求項1又は前記第1項に記載の回路装置。
れる同調(spezifizierten Gleichlauf) を伴う2つのト
ランスインピーダンス増幅器が設けられていることを特
徴とする請求項1又は前記第1項又は第2項に記載の回
路装置。
1)とその間に可動配置される1つのコンデンサ板(1
5)からなる傾斜及び/又は加速測定のための装置を特
徴とする請求項1又は前記第1項〜第3項の何れか1つ
に記載の回路装置の利用。
(t)がコンデンサ板に(85)に印加され、電極板
(10、11)は電極増幅器(3、4)と接続され出力
信号U1 (t)、U2 (t)はマイクロプロセッサ
(5)により Δd/D={(US3−US4)−(US1−US2)}/
{(US1−US2)+(US3−US4)} に対応して傾斜もしくは加速比例測定値に結びつけら
れ、その際Dはコンデンサ板(15)と電極板(10、
11)の間の待機間隔であり、Δdはコンデンサ板(1
5)の待機位置からのずれであることを特徴とする前記
第4項に記載の回路装置の利用。
Claims (1)
- 【請求項1】 互に非常に小さな差を有し、比較すべき
コンデンサの1つの電極が互いに接続されている非常に
小さい容量の2つのコンデンサの容量値C1、C2 の商
を測定する回路装置において、 (a) コンデンサの互に接続されている電極に微分可
能で、少なくとも2つの信号サイクル(Signalperiode
n) について再生可能な信号電圧Ui(t)の限定され
たエッジが印加され、したがって両方のコンデンサは信
号源に関して平行パスに配置されており、 (b) コンデンサの両方の別の電極は夫々1つの増幅
器(3、4 ) と接続されており、 (c) 両方のコンデンサの増幅された出力信号U
1 (t)、U2 (t)はA/Dコンバータの入力と接続
されており、 (d) 該A/Dコンバータに機能ブロック(5)が付
設されており、該機能ブロックは第1信号サイクルの間
に1つのコンデンサの出力信号の2つのデジタル振幅値
US1、US2を半信号サイクル(T/2)の間隔で検出
し、それに続いて第2信号サイクルの間同様に半信号サ
イクルの間隔で別のコンデンサの出力信号の2つのデジ
タル振幅値US3、US4を検出し、 (e) C1 /C2 =(US1−US2)/(US3−US4)
により適当に容量割合が定まり出力することを特徴とす
る回路装置。
Applications Claiming Priority (2)
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