PL225196B1 - Układ ładuj-rozładuj do pomiaru małych pojemności - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ ładuj-rozładuj do pomiaru małych pojemności.

Do pomiaru pojemności w elektrycznej tomografii pojemnościowej stosuje się dwie metody: m etodę AC [Yang and York (1999)] i metodę ładuj-rozładuj (ang. charge-discharge) [Huang et al. (1988)][Hu et al. (2007)]. Obie metody są nieczułe na pojemności pasożytnicze. Wadą metody AC w porównaniu do metody ładuj-rozładuj jest mała prędkość pomiarów. Prędkość pomiaru ograniczona jest przez częstotliwość graniczną filtru dolnoprzepustowego.

Znany jest układ ładuj-rozładuj do pomiaru małych pojemności z zastosowaniem kluczy analogowych. Schemat ideowy układu jest pokazany na Rys. 1. Kondensator pomiarowy C_x włączony jest pomiędzy układ kluczy S₁ i S₂ a układ dwóch integratorów, utworzonych przez wzmacniacze operacyjne zawierający w pętli sprzężenia zwrotnego równolegle połączone obwody R_fC_f. Wyjścia integratorów podłączone są do układu wzmacniacza różnicowego. Sygnał wyjściowy V₂-V₁ może być przetworzony na postać cyfrową w przetworniku analogowo-cyfrowym (ADC).

Fala prostokątna generowana jest przez przełączanie mierzonej pojemności pomiędzy różnymi potencjałami. Zwykle jest to stałe napięcie odniesienia oraz masa. Rys. 2. oraz Rys. 3. przedstawiają przepływ ładunku w kolejnych fazach przełączania pojemności.

Przepływ ładunków jest wymuszany poprzez cykliczne przełączanie kluczy. W fazie ładowania pojemności włączone są klucze S₁ i S₄, w fazie rozładownia odpowiednio S₂ oraz S₃. Ładunek wzmacniany jest przez wzmacniacz całkujący, oddzielnie dla dodatniego i ujemnego ładunku przeładowującego pojemność. Wartości zmierzone przez wzmacniacze są sumowane przez wzmacniacz różnicowy. Napięcie wyjściowe opisywane jest wzorem:

Vi = -fV_cR_fCx + e1 V2 = fV_cR_fCx + e2 V₂-V₁ =2 fV_cR_f + e₂-e₁ gdzie f jest częstotliwością fali pobudzenia, a e₁ oraz e₂ reprezentują błąd pomiarowy, szumy, zakłócenia oraz offset wzmacniaczy.

Pojemność C_f w integratorze za każdym zboczem otrzymuje kolejną porcję ładunku. Jednocześnie pojemność C_f jest rozładowywana przez rezystor R_f. Po pewnym czasie prądy ładowania i rozładowania pojemności równoważą się i napięcie na wyjściu integratora stabilizuje się. Czas asymptotycznego dojścia stanu stabilnego jest proporcjonalny do stałej czasowej τ = R_fC_f.

Wadą znanego układu jest efekt wstrzykiwania ładunku z kluczy analogowych powodujący przesunięcie poziomu zera. Ponadto układ ten wymaga precyzyjnej synchronizacji sterowania kluczami analogowymi.

Celem wynalazku jest nowy układ ładuj-rozładuj, w którym wyeliminowano problem pasożytniczego wstrzykiwania ładunku zastępując klucze analogowe układem odpowiednio skonfigurowanych półprzewodnikowych diod prostowniczych.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że kondensator pomiarowy połączony jest poprzez przedwzmacniacz ładunkowy i szeregowy obwód z integratorem. Zawiera on wzmacniacz operacyjny w układzie integratora z podwójną pętlą sprzężenia zwrotnego, gdzie jedna pętla zawiera pierwszy, równoległy obwód RC połączony z katodą pierwszej diody, a druga pętla zawiera drugi ró wnoległy obwód RC połączony z anodą drugiej diody, której katoda połączona jest z wyjściem wzmacniacza operacyjnego. Anoda pierwszej diody połączona jest z wyjściem wzmacniacza operacyjnego. Na wejściu kondensatora podłączony jest generator przebiegu prostokątnego. Przedwzmacniacz ma wzmacniacz operacyjny pierwszy, który ma na wejściu przeciwsobnie połączone diody i pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego utworzonego przez równoległy obwód RC.

Zaletą układu jest brak konieczności synchronizacji nadajnika i demodulatora.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowo-blokowy bezkluczowego układu ładuj-rozładuj do pomiaru pojemności, a fig. 2 - przebiegi napięć w określonych punktach bezkluczowego układu ładuj-rozładuj.

Układ przedstawiony na fig. 1 składa się z generatora G fali prostokątnej, podłączonego do elektrody nadawczej kondensatora pomiarowego Cx i demodulatora podłączonego do elektrody odbiorczej tego kondensatora. Odbiornik składa się z przedwzmacniacza ładunkowego PW1 połączonego z filtrem pasmowo-przepustowym FPP, którego wyjście połączone jest poprzez szeregowy obwód R2,C2 z integratorem w układzie prostownika aktywnego wartości średniej, którego wyjście połączone jest poprzez filtr dolnoprzepustowy R5,C5 z przetwornikiem analogowo-cyfrowym ADC.

PL 225 196 B1

Przedwzmacniacz ładunkowy PW1 ma na wejściu, będącym wejściem wzmacniacza operacyjnego pierwszego U1, przeciwsobnie połączone diody D1 ,D2. Pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego pierwszego U1 tworzy równoległy obwód R1 ,C1. Wzmacniacz operacyjny pierwszy U1 pracuje w układzie tzw. przedwzmacniacza ładunkowego. Integrator ma wzmacniacz operacyjny U2, różnicowy, w układzie integratora z podwójną pętlą sprzężenia zwrotnego, gdzie jedna pętla zawiera pierwszy, równoległy obwód R3,C3 połączony z katodą pierwszej diody D3, a druga pętla zawiera drugi równoległy obwód R4C4 połączony z anodą drugiej diody D4, której katoda połączona jest z wyjściem wzmacniacza operacyjnego U2. Anoda pierwszej diody D3 połączona jest z wyjściem wzmacniacza operacyjnego U2. Końcówka pierwszego równoległego obwodu R3,C3 połączona z pierwszą diodą D3 połączona jest z wejściem „+” a końcówka drugiego równoległego obwodu R4,C4 połączona z drugą diodą D4 połączona jest z wejściem „-” wzmacniacza różnicowego wyjściowego U3.

Elektroda nadawcza jest pobudzana falą prostokątną o częstotliwości 1 MHz i amplitudzie 10 V, o amplitudzie kilku woltów i częstotliwości fp około 1MHz, co przedstawione jest na Fig. 2A. Diody D1 i D2 na wejściu przedwzmacniacza PW1 chronią urządzenie przed przepięciem. W pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego wzmacniacza operacyjnego U1 znajduje się kondensator C1 o małej pojemności i rezystor R1 o dużej rezystancji. Wzmacniacz operacyjny U1 pracuje w układzie tzw. przedwzmacniacza ładunkowego. Jego rolą jest zamiana ładunku przepływającego przez kondensator pomiarowy Cx na napięcie o amplitudzie proporcjonalnej do wartości mierzonej pojemności, co przedstawia Fig. 2B. Sygnał napięciowy zostaje następnie poddany filtracji w filtrze pasmowo-przepustowym FPP, którego zadaniem jest ograniczenie pasma sygnału. Sygnał pozbawiony niepożądanych składowych częstotliwości, jak to przedstawia fig. 2C trafia na wejście prostownika aktywnego wartości średniej. Układ prostownika aktywnego pełni jednocześnie funkcję integratora, w którym za całkowanie ujemnych napięć wejściowych odpowiadają elementy C3, R3, D3, a za całkowanie napięć dodatnich - elementy C4, R4, D4. Przebiegi tych napięć przedstawione są na fig. 2D i fig. 2E. Wzmacniacz różnicowy U3 realizuje różnicowy pomiar napięć na zaciskach kondensatorów całkujących C3 i C4 W układzie występuje tylko jeden integrator całkujący kolejno zarówno prąd ładowania jak i rozładowania. Integrator ma dwie części pętli sprzężenia zwrotnego odseparowane układem diod. Kolejne zbocza fali prostokątnej, narastające i opadające, powodują kolejno w jednej i drugiej części sprzężenia zwrotnego eksponencjalne skoki napięcia na kondensatorze. Po pewnej liczbie impulsów napięcie ustala się. Napięcie z obu kondensatorów o przeciwstawnych znakach jest dodawane przez wzmacniacz różnicowy i zamieniane na postać cyfrową za pomocą 16-sto bitowego przetwornika a na logowo-cyfrowego.

Na wyjściu wzmacniacza U3 znajduje się filtr dolnoprzepustowy C5, R5, który ma za zadanie zmniejszyć poziom szumu i tętnień. Na wyjściu filtra uzyskuje się dodatnie napięcie proporcjonalne do wartości mierzonej pojemności Cx, o przebiegu przedstawionym na fig. 2F. Napięcie to podawane jest na przetwornik analogowo-cyfrowy ADC, który zamienia zmierzoną wartość na postać cyfrową.

Układ przeznaczony jest do pomiaru ładunku elektrycznego, bądź prądu, przepływającego przez kondensator Cx mierzony. Dla zwiększenia wrażliwości układu dokonuje się sumowania ładunku z wielu cykli ładowania, jak również dokonuje się pomiaru zarówno ładunku płynącego przez kondensator Cx podczas jego ładowania jak i rozładowania.

Układ różni się od klasycznego układu ładuj-rozładuj zastosowaniem tylko jednego integratora w demodulatorze. Układ integratora z diodami D3 i D4 nie wymaga sterowania co powoduje, że staje się układem prawie czysto analogowym za wyjątkiem przełączania wzmocnień.

Eliminacja kluczy analogowych upraszcza więc zdecydowanie konstrukcję. Układ jest odporny na pojemności pasożytnicze podobnie jak klasyczny układ ładuj-rozładuj. Praca układu nie jest obciążona problemem wstrzykiwania ładunku ze złącz kluczy analogowych. Częstotliwość pracy układu klasycznego jest ograniczona szybkością kluczy analogowych do pojedynczych megahertzów.

Claims (3)

1. Układ ładuj-rozładuj do pomiaru małych pojemności zawierający generator połączony z elektrodą nadawczą kondensatora pomiarowego, którego elektroda odbiorcza połączona jest z odbiornikiem zawierającym integrator utworzony przez wzmacniacz operacyjny zawierający w pętli sprzężenia zwrotnego równoległy obwód RC, którego wyjście połączone jest poprzez wzmacniacz różnicowy i filtr

PL 225 196 B1 dolnoprzepustowy z przetwornikiem analogowo-cyfrowym znamienny tym, że kondensator pomiarowy (Cx) połączony jest poprzez przedwzmacniacz ładunkowy (PW1) i szeregowy obwód (R2-C2) z integratorem, który zawiera wzmacniacz operacyjny (U2) w układzie integratora z podwójną pętlą sprzężenia zwrotnego, gdzie jedna pętla zawiera pierwszy, równoległy obwód RC (R3, C3) połączony z katodą pierwszej diody (D3), a druga pętla zawiera drugi równoległy obwód RC (R4, C4) połączony z anodą drugiej diody (D4), której katoda połączona jest z wyjściem wzmacniacza operacyjnego (U2), zaś anoda pierwszej diody (D3) połączona jest z wyjściem wzmacniacza operacyjnego (U2).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że na wejściu kondensatora (Cx) podłączony jest generator (G) przebiegu prostokątnego.

3. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że przedwzmacniacz (PW1) ma wzmacniacz operacyjny pierwszy (U1), który ma na wejściu przeciwsobnie połączone diody (D1, D2) i pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego utworzonego przez równoległy obwód RC (R1, C1).