RU2645868C1 - Устройство для измерения отклонения емкости от номинала - Google Patents
Устройство для измерения отклонения емкости от номинала Download PDFInfo
- Publication number
- RU2645868C1 RU2645868C1 RU2016142420A RU2016142420A RU2645868C1 RU 2645868 C1 RU2645868 C1 RU 2645868C1 RU 2016142420 A RU2016142420 A RU 2016142420A RU 2016142420 A RU2016142420 A RU 2016142420A RU 2645868 C1 RU2645868 C1 RU 2645868C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capacitance
- analog
- measured
- measured capacitance
- measurement
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- 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
Landscapes
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в системах контроля и разбраковки электрических конденсаторов, в системах сбора данных с емкостных датчиков в технологических устройствах, а также в медицинской практике. Устройство измерения относительного отклонения величины емкости от номинала содержит микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами разряда и заряда измеряемой емкости и источник тока заряда. При этом последовательно с измеряемой емкостью включается дополнительная эталонная емкость, выводы которой через буферный усилитель подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя, а выводы измеряемой емкости подключаются к входам его опорного напряжения. Техническим результатом является обеспечение непосредственного измерения относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной и повышение точности измерения. 1 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в системах контроля и разбраковки электрических конденсаторов, в системах сбора данных с емкостных датчиков в технологических устройствах, а также в медицинской практике.
Известны устройства для измерения отклонения емкости от номинала, использующие аналого-цифровые преобразователи с сигма-дельта модуляцией [Михаль Брихт. Преобразователи емкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора // Компоненты и технологии. №1. 2006. С. 34-36], содержащие интегратор, к входу которого подключены опорная емкость, другой вывод которой подключен к источнику опорного напряжения и измеряемая емкость, другой вывод которой подключен к источнику возбуждения, выход интегратора подключен к входу аналогового компаратора, выход которого через цепь обратной связи соединен с формирователем уравновешивающих зарядов опорной емкости.
Недостатком устройств является сложность схемотехнического решения. Серийные микросхемы, построенные на этом принципе [AD7745-46 // Data_Sheet/214550359], помимо сравнительно высокой стоимости, имеют ограниченное значение измеряемых номинальных емкостей (стандартное значение 50 пФ) с максимальным абсолютным отклонением до 17 пФ.
Известно устройство для измерения относительного отклонения емкости от номинала, основанное на промежуточном преобразовании емкость-время [Single-chip Solution for Capacitance Measurement PCap02A. March 13, 2013, Сысоева С. Инновационные микросхемы Asic Picocap от компании Acam: время-цифровые емкостные преобразователи // Компоненты и технологии №7, 2014; Троицкий Ю. Преобразователи емкость-код с промежуточным времяимпульсным преобразованием // Компоненты и технологии №7, 2014], содержащие два преобразователя емкость-время, выход каждого из которых соединен с входом преобразователя время-код.
Недостатком устройства является сложность обеспечения сочетания требуемой точности измерения и требуемого быстродействия преобразователя время-код.
Так, например, для обеспечения измерения максимальной разности (отношения) двух емкостей в пределах 1% с разрешением 0,1% с временем измерения 1 мс потребуется преобразователь время-код, работающий на частоте не менее 256 МГц. Для обеспечения высокого быстродействия преобразования емкость-время-код в серийной микросхеме PCap01 [PCap01 Single-chip Solution for Capacitance Measurement with Standart Firmware 03.01.02. July 15, 2013] используются достаточно сложные схемотехнические решения, обеспечивающие работу преобразователя время-код в пикосекундном диапазоне. Кроме того, следует учесть затраты на программное вычисление результата измерения по полученным двум отсчетам.
Известно устройство для измерения относительного отклонения емкости от номинала, основанные на промежуточном преобразовании емкость-напряжение [CAV424 - C/U transducer IC with adjustable output voltage. Analog Microelectronics GmbH], содержащие два интегратора на базе двух источников тока, подключенных к измеряемой и образцовой емкости, опорного генератора синхронизирующего работу интеграторов, схему вычитания напряжений с выходов интеграторов и фильтр низких частот, к выходу которого может подключаться аналого-цифровой преобразователь.
Недостатком устройства является необходимость подключения большого количества внешних элементов, влияющих на точность преобразования.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство логометрического преобразователя емкость-напряжение-код [Троицкий Ю.В. Аналого-цифровые преобразователи емкость-время-код и емкость-напряжение-код // Ремонт и сервис: №7, 2013 г., с. 57-60], содержащее микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами заряда и разряда измеряемой емкости, источник тока и резистор, подключенный к входу опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя.
Недостатками устройства являются:
- невозможность непосредственного сравнения измеряемой емкости с эталонной емкостью;
- нелинейная зависимость результата преобразования от измеряемого значения емкости;
- зависимость от нестабильности сформированного временного интервала заряда емкости;
- зависимость от нестабильности величины резистора, подключенного к входу опорного напряжения.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в обеспечении непосредственного измерения относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной и в повышении точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами заряда и разряда измеряемой емкости и источник тока заряда, последовательно с измеряемой емкостью включается дополнительная эталонная емкость, выводы которой через буферный усилитель подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя, а выводы измеряемой емкости подключаются к входам его опорного напряжения.
Сущность изобретения поясняется функциональной схемой, представленной на фиг. 1.
Устройство содержит микроконтроллер 1 (MC с встроенными аналого-цифровым преобразователем 2 (ADC) и двумя программируемыми таймерами 3 (T1) и 4 (T2), управляющими ключами заряда 5 (SW1) и разряда 6 (SW2) измеряемой емкости 7 (Cx) и эталонной емкости 9 (Co), источником тока 8 (I)). Выводы эталонной емкости 9 через буферный усилитель 10 (DA) с коэффициентом усиления kу подключены к входу аналого-цифрового преобразователя 2, а выводы измеряемой емкости 7 подключены к входам его опорного напряжения (Uref+, Uref-).
Устройство работает следующим образом. В исходном положении эталонная 9 (C0) и измеряемая 7 (Сх) емкости разряжены через замкнутый ключ 6 (SW2). При размыкании ключа 6 (SW2) и замыкании ключа 5 (SW1) на время t0, задаваемое таймером T1 (3), происходит заряд емкостей С0 и Сх током I от источника тока (8) до уровней
Полученный сигнал Uin подается на входы буферного усилителя (10), а сигнал Uref, снимаемый с измеряемой емкости, подается на входы опорного напряжения (Uref+, Uref-) аналого-цифрового преобразователя (2).
При замыкании ключа 6 (SW2) и размыкании ключа 5 (SW1) на время t1, задаваемое таймером T2 (4), происходит разряд емкостей С0 и Сх и возвращение устройства исходное состояние.
В основу преобразования положен логометрический [ratiometric] метод [АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autexspb.da.ru, стр. 7…13], который обеспечивает результат преобразования кратный отношению Uin/Uref
где N - результат преобразования АЦП, Nmax максимальное значение выходного кода АЦП (Nmax=2n, n - разрядность АЦП).
С учетом зависимостей (1, 2)
т.е. обеспечивается прямо пропорциональное преобразование емкость-цифровой код, независимое от нестабильности тока и времени заряда емкостей t0.
Представив
получим
Выбрав kу=0,5, получим возможность измерения величины относительного отклонения измеряемой емкости δCx в диапазоне ±100%.
(Примером серийного усилителя с коэффициентом передачи менее 1 может служить инструментальный усилитель АМР01 фирмы Analog Devices, обеспечивающий коэффициент передачи в диапазоне от 0,1 до 10 и обладающий малыми входными токами.)
В соответствии с полученным выражением начало шкалы отсчета АЦП смещается на середину шкалы , относительно которой фиксируется относительное отклонение измеряемой емкости в диапазоне ±100%.
Как следует из полученного выражения, результат преобразования не зависит от нестабильности параметров элементов устройства, что обеспечивает повышение точности измерения.
Допустимая величина измеряемого значения δCx определяется прежде всего допустимым диапазоном изменением величины опорного напряжения Uref. Для большинства выпускаемых аналого-цифровых преобразователей этот диапазон лежит в пределах от 1,2 В до уровня напряжения питания микросхемы.
Следовательно, в соответствии с (2) необходимо выбрать
Так, для обеспечения диапазона δСx max=±0,5 значение Uref в соответствии с (6), (8) будет изменяться в пределах от Uref min=0,666Uref ном до Uref max=2Uref ном.
Для выполнения условия Uref min=1,2 В необходимо выбрать Uref ном=1,8 В. При этом Uref max=3,6 В, что вполне вписывается в допустимый диапазон изменения величины опорного напряжения АЦП.
Время измерения складывается из времени заряда емкостей задаваемого таймером T1 (3) и времени преобразования отношения емкостей, осуществляемого аналого-цифровым преобразователем (2).
Время заряда/разряда емкостей одинаково как для прототипа, так и для преобразователей емкость-время. Но в прототипе для измерения отношения емкостей необходимо повторить измерение для второй емкости.
При 20-разрядной эффективной разрешающей способности АЦП (Nmax=220), обеспечиваемой встраиваемыми АЦП современных микроконтроллеров, преобразование приращения емкости будет осуществляться с разрешением 219 бит, т.е. будет фиксироваться отклонение δCx=±2⋅10-5.
Для преобразования время-код в преобразователях с промежуточным преобразованием емкость-время для обеспечения такой разрешающей способности потребуется опорная частота гигагерцового диапазона.
Таким образом, благодаря предложенному включению эталонного и измеряемого конденсаторов удается обеспечить непосредственное измерение относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной емкости с высокой точностью и с высоким быстродействием.
Claims (1)
- Устройство измерения относительного отклонения величины емкости от номинала, содержащее микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами разряда и заряда измеряемой емкости и источник тока заряда, отличающееся тем, что последовательно с измеряемой емкостью включается дополнительная эталонная емкость, выводы которой через буферный усилитель подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя, а выводы измеряемой емкости подключаются к входам его опорного напряжения.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016142420A RU2645868C1 (ru) | 2016-10-27 | 2016-10-27 | Устройство для измерения отклонения емкости от номинала |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016142420A RU2645868C1 (ru) | 2016-10-27 | 2016-10-27 | Устройство для измерения отклонения емкости от номинала |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2645868C1 true RU2645868C1 (ru) | 2018-02-28 |
Family
ID=61568352
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016142420A RU2645868C1 (ru) | 2016-10-27 | 2016-10-27 | Устройство для измерения отклонения емкости от номинала |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2645868C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU478267A1 (ru) * | 1973-05-24 | 1975-07-25 | Предприятие П/Я Х-5917 | Устройство дл комплектовани электрических конденсаторов по емкости |
SU781712A1 (ru) * | 1979-01-16 | 1980-11-23 | Предприятие П/Я Р-6891 | Устройство дл допускового контрол емкости конденсаторов |
SU1161900A1 (ru) * | 1983-12-08 | 1985-06-15 | Предприятие П/Я Р-6456 | Устройство дл измерени относительного отклонени емкости конденсаторов от номинального значени |
SU1599807A1 (ru) * | 1988-03-21 | 1990-10-15 | Предприятие П/Я А-1858 | Устройство дл измерени относительного отклонени емкости конденсаторов от номинального значени |
KR20120058044A (ko) * | 2010-11-29 | 2012-06-07 | 주식회사 케피코 | 전자제어장치의 캐패시터 불량 판독 시스템 및 이의 사용방법 |
US8364433B1 (en) * | 2008-12-18 | 2013-01-29 | Integrated Device Technology, Inc. | Accurate resistance capacitance (RC) time constant calibration with metal-oxide-metal (MOM) capacitors for precision frequency response of integrated filters |
-
2016
- 2016-10-27 RU RU2016142420A patent/RU2645868C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU478267A1 (ru) * | 1973-05-24 | 1975-07-25 | Предприятие П/Я Х-5917 | Устройство дл комплектовани электрических конденсаторов по емкости |
SU781712A1 (ru) * | 1979-01-16 | 1980-11-23 | Предприятие П/Я Р-6891 | Устройство дл допускового контрол емкости конденсаторов |
SU1161900A1 (ru) * | 1983-12-08 | 1985-06-15 | Предприятие П/Я Р-6456 | Устройство дл измерени относительного отклонени емкости конденсаторов от номинального значени |
SU1599807A1 (ru) * | 1988-03-21 | 1990-10-15 | Предприятие П/Я А-1858 | Устройство дл измерени относительного отклонени емкости конденсаторов от номинального значени |
US8364433B1 (en) * | 2008-12-18 | 2013-01-29 | Integrated Device Technology, Inc. | Accurate resistance capacitance (RC) time constant calibration with metal-oxide-metal (MOM) capacitors for precision frequency response of integrated filters |
KR20120058044A (ko) * | 2010-11-29 | 2012-06-07 | 주식회사 케피코 | 전자제어장치의 캐패시터 불량 판독 시스템 및 이의 사용방법 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI489357B (zh) | 使用類比至數位轉換器之內部電容器及參考電壓之電容式接觸感測 | |
JP4537483B2 (ja) | 高分解能および広ダイナミックレンジ積分器 | |
EP2876407B1 (en) | Capacitive sensing interface for proximity detection | |
Jung et al. | 27.6 A 0.7 pF-to-10nF fully digital capacitance-to-digital converter using iterative delay-chain discharge | |
CN110663187B (zh) | 模数转换器、测量装置和模数转换方法 | |
TWI381173B (zh) | 電容量測電路及其電容量測方法 | |
US10079610B2 (en) | Built-in self-test for ADC | |
US20150145535A1 (en) | Capacitive sensing interface for proximity detection | |
US8344928B2 (en) | Method and apparatus for capacitance sensing | |
CN107683455B (zh) | 差分σ-δ电容感测设备和方法 | |
JP2010152876A (ja) | 静電検出装置、静電検出回路、静電検出方法及び初期化方法 | |
CN110495104B (zh) | 模数转换器、传感器装置和用于模数转换的方法 | |
US9100043B2 (en) | Method and circuit for an analog digital capacitance converter | |
US20140327455A1 (en) | Sensor circuit arrangement | |
KR100973139B1 (ko) | 터치키 응용을 위한 풀 디지털 방식 정전용량 센서 및 그 동작 방법 | |
RU2593818C1 (ru) | Способ и устройство измерения электрической емкости | |
CN102340311B (zh) | 模数转换设备、模数转换方法和电子装置 | |
KR102482182B1 (ko) | 광-디지털 변환을 위한 광-디지털 변환기 장치 및 방법 | |
RU2645868C1 (ru) | Устройство для измерения отклонения емкости от номинала | |
CN113228516A (zh) | 用于暗计数消除的传感器装置和方法 | |
EP3296709B1 (en) | Temperature-to-digital converter | |
George et al. | Switched capacitor triple slope capacitance to digital converter | |
Li et al. | On-chip accumulated jitter measurement for phase-locked loops | |
Santos et al. | An 8bit logarithmic AD converter using cross-coupled inverters and a time-to-digital converter | |
Putter | On-chip RC measurement and calibration circuit using Wheatstone bridge |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181028 |