RU2724299C1 - Electric capacity converter for capacitance sensor - Google Patents

Electric capacity converter for capacitance sensor Download PDF

Info

Publication number
RU2724299C1
RU2724299C1 RU2019138591A RU2019138591A RU2724299C1 RU 2724299 C1 RU2724299 C1 RU 2724299C1 RU 2019138591 A RU2019138591 A RU 2019138591A RU 2019138591 A RU2019138591 A RU 2019138591A RU 2724299 C1 RU2724299 C1 RU 2724299C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
converter
capacitance
charge
output
transistor
Prior art date
Application number
RU2019138591A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Петр Валерьевич Минин
Максим Иванович Дюмин
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Конструкторское Бюро "Дорс" (Ооо "Кб "Дорс")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Конструкторское Бюро "Дорс" (Ооо "Кб "Дорс") filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Конструкторское Бюро "Дорс" (Ооо "Кб "Дорс")
Priority to RU2019138591A priority Critical patent/RU2724299C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2724299C1 publication Critical patent/RU2724299C1/en

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
    • G01R27/2605—Measuring capacitance

Abstract

FIELD: monitoring and measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to instrumentation and can be used as converter of non-electrical values, for example, thickness of material and its dielectric permeability to electric value. Converter of capacitance sensor capacitance, in which the first plate of the measuring capacitor is connected to a constant potential, comprises an input point for connecting the second capacitive sensor measuring capacitor plate, a charging pulse generator which generates recurrent charge pulses of a rectangular shape, a discharge circuit connected to said input point and configured to provide a charge drain from the input point during the absence of a charging pulse, converter output signal shaper, bipolar transistor, emitter of which is connected to charge pulse generator output, which base is connected to transducer input point, and the collector is connected to the output signal generator, wherein the output signal generator is configured to generate an output signal of the converter depending on the commutator current of the bipolar transistor.EFFECT: invention provides faster operation of the capacitance converter and simplification of its circuit design.8 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники. Емкостные датчики широко применяются в качестве преобразователей неэлектрических величин, таких как расстояние, толщина материала и его диэлектрическая проницаемость, в электрическую величину. Также, емкостные датчики применяются в качестве датчиков приближения и прикосновения. Принцип действия емкостного датчика основан на изменении емкости измерительного конденсатора под действием внешнего воздействия, которое требуется измерить. В емкостном датчике имеется область чувствительности, в которой размещается контролируемый материал либо на которую влияет измеряемая величина. Чаще всего, областью чувствительности является зазор между пластинами измерительного конденсатора.The invention relates to the field of instrumentation. Capacitive sensors are widely used as converters of non-electrical quantities, such as distance, material thickness and permittivity, to an electrical quantity. Also, capacitive sensors are used as proximity and touch sensors. The principle of operation of a capacitive sensor is based on a change in the capacitance of the measuring capacitor under the influence of an external action that needs to be measured. In the capacitive sensor there is a sensitivity area in which the controlled material is placed or which is influenced by the measured value. Most often, the sensitivity area is the gap between the plates of the measuring capacitor.

В современных измерительных или управляющих системах ввод показаний с датчиков осуществляется при помощи одной из стандартных электрических величин, таких как напряжение, ток или частота. Электрическая емкость не относится к таким величинам, поэтому, для передачи результата работы емкостного датчика в измерительную или управляющую систему, емкость измерительного конденсатора необходимо преобразовать в ток, напряжение либо частоту.In modern measuring or control systems, the input of readings from sensors is carried out using one of the standard electrical quantities, such as voltage, current or frequency. The electric capacitance does not belong to such quantities, therefore, to transfer the result of the capacitive sensor to the measuring or control system, the capacitance of the measuring capacitor must be converted to current, voltage or frequency.

Наиболее распространен способ, когда измерительный конденсатор включают в частотозадающую цепь LC- или RC-генератора, и по изменению частоты генерации судят об изменении емкости. Такая схема подключения емкостного датчика представляет собой преобразователь электрической емкости в частоту. В других способах одну из пластин измерительного конденсатора используют в качестве передающей и подключают ее к генератору переменного напряжения для подачи сигнала возбуждения. Вторую пластину используют как приемную и подключают к схеме измерения переменного тока, протекающего через конденсатор. Эта схема является преобразователем емкости в ток. Об изменении емкости судят по изменению величины тока.The most common method is when a measuring capacitor is included in the frequency setting circuit of an LC or RC generator, and a change in capacitance is judged by a change in the generation frequency. Such a capacitive sensor connection diagram is a converter of electric capacitance to frequency. In other methods, one of the plates of the measuring capacitor is used as a transmitter and connected to an alternating voltage generator to supply an excitation signal. The second plate is used as a receiving plate and connected to a circuit for measuring alternating current flowing through a capacitor. This circuit is a capacitor to current converter. A change in capacitance is judged by a change in the magnitude of the current.

В некоторых схемах включения емкостного датчика, первая из пластин измерительного конденсатора связывается с постоянным потенциалом, как правило, с потенциалом Земли. Подобную схему мы, в данном описании, будем называть схемой с заземленной первой пластиной. Иногда, первая пластина не оформлена как отдельный элемент конструкции, а представляет собой проводящую поверхность в механизме или даже поверхность человеческого тела. Вторая пластина измерительного конденсатора используется как точка для присоединения преобразователя электрической емкости. При применении преобразователя электрической емкости в частоту эта точка присоединяется к резонансному LC-контуру или RC-цепочке преобразователя. В другой разновидности схемы включения с заземленной первой пластиной, вторая пластина используется одновременно как для подачи сигнала возбуждения, так и для измерения тока, протекающего через конденсатор. Иными словами, вторая пластина совмещает функции приемной и передающей. Ко второй пластине подключается преобразователь электрической емкости, выходным сигналом которого, как правило, является постоянное напряжение. Подобный преобразователь описан, например, в патенте US 7,656,169 (Опубл. 02.02.2010, МПК G01R 27/26). В этом патенте емкостной датчик используется для проверки наличия пассажира в кресле автомобиля, причем, в качестве первой пластины выступает поверхность тела человека, сидящего в кресле автомобиля. В отсутствии человека, силовые линии перераспределяются на корпус автомобиля, который начинает выполнять функцию первой пластины. При этом, емкость измерительного конденсатора резко снижается. Вторая пластина подключена к генератору через усилитель с токовым входом, который формирует переменное напряжение, пропорциональное току через измерительный конденсатор. Изменение емкости измерительного конденсатора датчика приводит к изменению амплитуды напряжения на выходе усилителя с токовым входом, по которой судят об указанном изменении емкости. Основной проблемой большинства емкостных датчиков является низкое соотношение сигнал-шум, являющееся следствием малой емкости измерительного конденсатора и большой напряженности переменного электрического поля помех в обычных местах установки датчика. Емкость измерительного конденсатора редко превосходит десятки пикофарад, что является весьма малой величиной. При малой емкости полезный токовый сигнал, наводимый сигналом возбуждения во второй пластине, имеет очень малую величину. Интенсивные переменные электрические поля помех с различной частотой в окрестности датчика создаются проводами электропитания, работающим электрическим и электронным оборудованием, а также сетями радиосвязи. Когда эти электрические поля достигают второй пластины, то они наводят в ней токи помех, которые регистрируются преобразователем наряду с полезным сигналом и снижают отношение сигнал-шум. Для повышения этого отношения стараются сузить частотный диапазон схемы измерения переменного тока в преобразователе до малой окрестности частоты генератора сигнала возбуждения. Иногда для этого применяют полосовые фильтры, но стандартным современным техническим решением является использование синхронного детектирования. В упомянутом патенте US 7,656,169 выходной сигнал усилителя с токовым входом подается на входы двух усилителей с коэффициентом усиления, одинаковым по величине и противоположным по знаку. Таким образом, выходные сигналы этих усилителей оказываются в противофазе. Они, в свою очередь, подаются на вход коммутатора, тактируемого частотой генератора возбуждающего сигнала. Этот коммутатор выполняет роль синхронного детектора. Его выход подключен к фильтру низких частот, с которого сигнал подается на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Значения отсчетов АЦП оказываются пропорциональны амплитуде тока второй пластины конденсатора. Однако, вся измерительная схема пропускает только частоты в непосредственной окрестности частоты генератора возбуждения, причем ширина полосы пропускания равна удвоенной частоте среза фильтра низких частот. За счет этого удается подавить влияние внеполосных помех и повысить соотношение сигнал-шум, что ведет к повышению чувствительности датчика. В упомянутом патенте, синхронное детектирование дополнительно используется для измерения фазового сдвига тока второй пластины конденсатора. Такая необходимость связана с влиянием влажности сидения и одежды человека на показания датчика, и обусловлена узкой задачей, решаемой устройством.In some capacitive sensor switching circuits, the first of the plates of the measuring capacitor is associated with a constant potential, as a rule, with the potential of the Earth. In this description, we will call a similar circuit a circuit with a grounded first plate. Sometimes, the first plate is not framed as a separate structural element, but represents a conductive surface in the mechanism or even the surface of the human body. The second plate of the measuring capacitor is used as a point for connecting the converter of the electric capacitance. When using an electric capacitance to frequency converter, this point is connected to the resonant LC circuit or RC circuit of the converter. In another variation of the switching circuit with the ground first plate, the second plate is used both for supplying an excitation signal and for measuring the current flowing through the capacitor. In other words, the second plate combines the functions of the receiving and transmitting. An electric capacitance converter is connected to the second plate, the output signal of which, as a rule, is a constant voltage. Such a converter is described, for example, in US Pat. No. 7,656,169 (Pub. 02.02.2010, IPC G01R 27/26). In this patent, a capacitive sensor is used to check for the presence of a passenger in a car seat, moreover, the surface of the body of a person sitting in a car seat acts as the first plate. In the absence of man, the lines of force are redistributed to the car body, which begins to fulfill the function of the first plate. In this case, the capacitance of the measuring capacitor decreases sharply. The second plate is connected to the generator through an amplifier with a current input, which generates an alternating voltage proportional to the current through the measuring capacitor. A change in the capacitance of the measuring capacitor of the sensor leads to a change in the amplitude of the voltage at the output of the amplifier with a current input, by which this change in capacitance is judged. The main problem of most capacitive sensors is the low signal-to-noise ratio, which is a consequence of the small capacitance of the measuring capacitor and the high intensity of the alternating electric noise field in ordinary places where the sensor is installed. The capacitance of the measuring capacitor rarely exceeds tens of picofarads, which is a very small value. With a small capacitance, the useful current signal induced by the excitation signal in the second plate is very small. Intense alternating electric noise fields with different frequencies in the vicinity of the sensor are created by power wires, working electrical and electronic equipment, as well as radio networks. When these electric fields reach the second plate, they induce interference currents in it, which are recorded by the converter along with the useful signal and reduce the signal-to-noise ratio. To increase this ratio, they try to narrow the frequency range of the AC measurement circuit in the converter to a small vicinity of the frequency of the excitation signal generator. Sometimes bandpass filters are used for this, but the use of synchronous detection is a standard modern technical solution. In the aforementioned US patent 7,656,169, the output signal of an amplifier with a current input is supplied to the inputs of two amplifiers with a gain equal in magnitude and opposite in sign. Thus, the output signals of these amplifiers are in antiphase. They, in turn, are fed to the input of the switch, clocked by the frequency of the generator of the exciting signal. This switch acts as a synchronous detector. Its output is connected to a low-pass filter, from which the signal is fed to an analog-to-digital converter (ADC). The values of the ADC readings are proportional to the current amplitude of the second capacitor plate. However, the entire measuring circuit passes only frequencies in the immediate vicinity of the frequency of the excitation generator, and the bandwidth is equal to twice the cut-off frequency of the low-pass filter. Due to this, it is possible to suppress the influence of out-of-band interference and increase the signal-to-noise ratio, which leads to an increase in the sensitivity of the sensor. In the aforementioned patent, synchronous detection is additionally used to measure the phase shift of the current of the second capacitor plate. This need is associated with the influence of humidity in the seat and clothes of a person on the readings of the sensor, and is due to the narrow task solved by the device.

В упомянутом патенте описаны составные элементы преобразователя электрической емкости в напряжение, которые являются общими для многих известных решений, где используется схема с заземленной первой пластиной измерительного конденсатора. Эти элементы включают в себя генератор переменного напряжения возбуждения, усилитель переменного сигнала с токовым входом и выходом напряжения; синхронный детектор, опорный сигнал на который поступает с генератора, и фильтр низкой частоты, установленный между выходом синхронного детектора и выходом преобразователя. Генератор и усилитель с токовым входом подключены ко второй пластине измерительного конденсатора таким образом, что ток второй пластины, вызванный напряжением генератора, протекает через входную цепь усилителя. При этом, входная цепь усилителя с токовым входом находится под напряжением генератора, но это напряжение не должно напрямую влиять на выходное напряжение усилителя.The above-mentioned patent describes the constituent elements of an electric capacitance-to-voltage converter, which are common to many known solutions where a circuit with a grounded first plate of a measuring capacitor is used. These elements include an alternating field voltage generator, an alternating signal amplifier with a current input and a voltage output; a synchronous detector, the reference signal to which comes from the generator, and a low-pass filter installed between the output of the synchronous detector and the output of the converter. A generator and an amplifier with a current input are connected to the second plate of the measuring capacitor so that the current of the second plate, caused by the voltage of the generator, flows through the input circuit of the amplifier. In this case, the input circuit of the amplifier with the current input is under the voltage of the generator, but this voltage should not directly affect the output voltage of the amplifier.

Иногда, для измерения тока второй пластины используется несколько отличающаяся конфигурация, в которой ко второй пластине подключен выход генератора возбуждения с повышенным выходным импедансом и вход усилителя напряжения. Выходной импеданс генератора и реактивное сопротивление измерительного конденсатора образуют делитель напряжения, коэффициент деления которого зависит от емкости измерительного конденсатора. Пример такой схемы приведен в патенте ЕР 3512099 (Опубл. 17.07.2019, МПК H03K 17/955).Sometimes, to measure the current of the second plate, a slightly different configuration is used, in which the output of the excitation generator with a high output impedance and the input of the voltage amplifier are connected to the second plate. The output impedance of the generator and the reactance of the measuring capacitor form a voltage divider, the division ratio of which depends on the capacitance of the measuring capacitor. An example of such a scheme is given in patent EP 3512099 (Publ. July 17, 2019, IPC H03K 17/955).

В качестве дополнительных элементов иногда используют усилители переменного сигнала, как это сделано в упомянутом патенте, либо же усилитель сигнала постоянного напряжения на выходе преобразователя, как это сделано в патенте ЕР 3512099.As additional elements, alternating signal amplifiers are sometimes used, as is done in the aforementioned patent, or a constant-voltage signal amplifier at the output of the converter, as is done in patent EP 3512099.

Таким образом, преобразователь электрической емкости для емкостного датчика представляет собой сложную электронную схему. Упрощение преобразователя электрической емкости для емкостного датчика является актуальной технической задачей. Актуальность этой задачи особенно высока в тех случаях, когда для решения технической задачи требуется использовать не один емкостной датчик, а множество одновременно работающих емкостных датчиков. Чтобы сложность всего устройства не была бы чрезмерной, для каждого из множества емкостных датчиков желательно использовать наиболее простой преобразователь емкости.Thus, the capacitance sensor for a capacitive sensor is a complex electronic circuit. Simplification of the electric capacitance converter for a capacitive sensor is an urgent technical task. The relevance of this task is especially high in those cases when, for solving a technical problem, it is required to use not one capacitive sensor, but many simultaneously working capacitive sensors. So that the complexity of the entire device would not be excessive, for each of the many capacitive sensors, it is desirable to use the simplest capacitance converter.

В уровне техники известны решения, в которых часть вышеперечисленных элементов отсутствует, либо один и тот же элемент исполняет несколько функций. Достаточно часто используются преобразователи с передачей заряда. В подобном преобразователе измерительный конденсатор с заземленной первой пластиной периодически сначала подключают к напряжению питания, а затем к схеме приема заряда, имеющей функцию интегратора. В каждом таком цикле конденсатор заряжается до напряжения питания, а затем передает свой заряд в схему приема заряда и разряжается. Схема приема заряда обеспечивает его конвертацию в выходное напряжение преобразователя. Для подключения к источнику питания и к схеме приема заряда используются аналоговые ключи, выполненные на полевых транзисторах.In the prior art, solutions are known in which a part of the above elements is absent, or the same element performs several functions. Converters with charge transfer are often used. In such a converter, a measuring capacitor with a grounded first plate is periodically first connected to the supply voltage, and then to the charge receiving circuit, which has the function of an integrator. In each such cycle, the capacitor is charged to the supply voltage, and then transfers its charge to the charge reception circuit and is discharged. The charge reception circuit ensures its conversion to the output voltage of the converter. To connect to the power source and to the charge reception circuit, analog switches made on field-effect transistors are used.

В преобразователе с передачей заряда аналоговые ключи одновременно реализуют как функции генератора, так и синхронного детектора. За счет их периодического переключения, на вторую пластину подается переменное напряжение, а в схему приема заряда в виде отдельных импульсов отправляется ток второй пластины. Интегратор схемы приема заряда реализует фильтр низких частот. В преобразователе с передачей заряда на синхронный детектор поступает слабый ток второй пластины, не подвергнутый усилению, что ограничивает чувствительность преобразователя. Кроме того, чувствительность ограничивается так называемым эффектом инжекции заряда. Он возникает из-за того, что ключи, образующие генератор и синхронный детектор, непосредственно связаны с второй пластиной. В момент переключения ключа из затвора полевого транзистора на вход схемы приема заряда проникает паразитный заряд, что вызывает искажение величины заряда измерительного конденсатора.In a charge-transfer converter, the analog keys simultaneously realize both the functions of a generator and a synchronous detector. Due to their periodic switching, an alternating voltage is supplied to the second plate, and the current of the second plate is sent in the form of separate pulses to the charge receiving circuit. The charge reception circuit integrator implements a low-pass filter. In the converter with charge transfer to the synchronous detector, a weak current of the second plate, not subjected to amplification, is supplied, which limits the sensitivity of the converter. In addition, sensitivity is limited by the so-called charge injection effect. It arises because the keys that make up the generator and the synchronous detector are directly connected to the second plate. At the moment of switching the key from the gate of the field-effect transistor to the input of the charge reception circuit, a stray charge penetrates, which causes a distortion of the charge value of the measuring capacitor.

Функция усиления в преобразователе с передачей заряда реализуется в схеме приема заряда. Поэтому, шумы и погрешности, вносимые коммутацией ключей, также усиливаются наряду с полезным сигналом и ограничивают чувствительность. Для повышения чувствительности используют сложные схемы накопления заряда и компенсации инжекции. В качестве примера можно привести патент US 9,529,020 (Опубл. 27.12.2016, МПК G01R 17/02), где применяется накопление заряда в нескольких промежуточных переключаемых конденсаторах, а вся схема имеет высокую степень симметрии для компенсации влияния инжекции заряда. В результате, преобразователь электрической емкости с передачей заряда, который способен обеспечить высокую чувствительность, оказывается достаточно сложным по конструкции. Частота возбуждающего напряжения оказывает прямое влияние на чувствительность и быстродействие преобразователя. Увеличение количества циклов перезаряда измерительного конденсатора, происходящих за определенный временной интервал, увеличивает суммарный заряд, протекающий через измерительный конденсатор в течение указанного интервала. Увеличение суммарного заряда позволяет увеличить отклик датчика на измеряемую величину и повысить соотношение сигнал/шум, особенно, при малой емкости измерительного конденсатора датчика.The gain function in a charge transfer converter is implemented in a charge reception circuit. Therefore, the noise and errors introduced by switching keys are also amplified along with a useful signal and limit the sensitivity. To increase the sensitivity, complex schemes of charge accumulation and injection compensation are used. As an example, we can cite the patent US 9,529,020 (Published on December 27, 2016, IPC G01R 17/02), where charge accumulation is used in several intermediate switched capacitors, and the whole circuit has a high degree of symmetry to compensate for the effect of charge injection. As a result, the charge-transfer electric capacitance converter, which is capable of providing high sensitivity, is quite complex in design. The frequency of the exciting voltage has a direct effect on the sensitivity and speed of the converter. An increase in the number of recharge cycles of the measuring capacitor occurring over a certain time interval increases the total charge flowing through the measuring capacitor during the indicated interval. An increase in the total charge makes it possible to increase the response of the sensor by the measured value and increase the signal-to-noise ratio, especially when the measuring capacitor of the sensor is small.

Повышение частоты также позволяет увеличить частоту среза фильтра низких частот без увеличения амплитуды пульсаций на выходе преобразователя. За счет этого снижается время отклика преобразователя на изменение емкости измерительного конденсатора. В результате, увеличивается быстродействие датчика. На практике, для наиболее чувствительных и быстродействующих датчиков стараются использовать высокие частоты, достигающие десятков мегагерц, и в редких случаях доходящие до 100 МГц. Применение высоких частот имеет ряд негативных последствий. Главная сложность связана с большими и плохо управляемыми набегами фазы высокочастотного сигнала на пути к синхронному детектору. Выходной сигнал синхронного детектора пропорционален косинусу набега фазы. При значительных набегах фазы происходит заметное и плохо контролируемое снижение выходного сигнала преобразователя.Increasing the frequency also allows you to increase the cutoff frequency of the low-pass filter without increasing the amplitude of the ripple at the output of the Converter. Due to this, the response time of the converter to a change in the capacitance of the measuring capacitor is reduced. As a result, the speed of the sensor increases. In practice, for the most sensitive and high-speed sensors, they try to use high frequencies reaching tens of megahertz, and in rare cases reaching up to 100 MHz. The use of high frequencies has a number of negative consequences. The main difficulty is associated with large and poorly controlled phase incursions of a high-frequency signal on the way to a synchronous detector. The output of the synchronous detector is proportional to the cosine of the phase incursion. With significant phase incursions, a noticeable and poorly controlled reduction of the converter output signal occurs.

Поскольку в преобразователе с передачей заряда генератор и синхронный детектор совмещены, то, казалось бы, в них не должен возникать существенный набег фазы. Однако, он все же возникает из-за неидеальности ключей и, прежде всего, из-за их значительного проходного сопротивления, которое вместе с емкостью измерительного конденсатора формирует интегрирующую цепочку. В результате, напряжение на измерительном конденсаторе отстает по фазе от напряжения возбуждения. Угол отставания по фазе тем больше, чем выше частота возбуждения. Кроме того, с ростом частоты также растет влияние инжекции заряда, поскольку на каждом периоде переключения в ключ инжектируется примерно один и тот же заряд. За счет описанных эффектов, возможности увеличения частоты возбуждения при применении преобразователей с передачей заряда ограничены. Хорошим достижением считается работа такого преобразователя на частоте возбуждения, равной нескольким мегагерцам.Since the generator and the synchronous detector are combined in the converter with charge transfer, it would seem that a substantial phase incursion should not occur in them. However, it nevertheless arises due to the imperfection of the keys and, above all, because of their significant pass-through resistance, which together with the capacitance of the measuring capacitor forms an integrating chain. As a result, the voltage across the measuring capacitor lags the phase of the excitation voltage. The phase lag angle is greater, the higher the frequency of excitation. In addition, the influence of charge injection also increases with increasing frequency, since approximately the same charge is injected into the switch at each switching period. Due to the described effects, the possibility of increasing the excitation frequency when using converters with charge transfer is limited. A good achievement is the operation of such a converter at an excitation frequency equal to several megahertz.

Усиление переменного тока или напряжения второй пластины измерительного конденсатора позволяет подавать на синхронный детектор сигнал с высокой амплитудой. Это позволяет повысить чувствительность за счет снижения шумов и искажений, вносимых синхронным детектором. Чаще всего, схемы усиления переменного тока или напряжения второй пластины выполняются на основе операционных усилителей. Применение операционных усилителей, в особенности, для усиления высокочастотных сигналов, требует использования специализированных высокоскоростных моделей, отличающихся высокой стоимостью.The amplification of the alternating current or voltage of the second plate of the measuring capacitor allows a high amplitude signal to be supplied to the synchronous detector. This improves sensitivity by reducing noise and distortion introduced by the synchronous detector. Most often, AC or voltage amplification schemes of the second plate are based on operational amplifiers. The use of operational amplifiers, in particular for amplification of high-frequency signals, requires the use of specialized high-speed models of high cost.

Известны подходы к упрощению преобразователей емкости, основанные на использовании простых транзисторных схем для усиления высокочастотных сигналов. Так, в патенте US 10,124,758 (Опубл. 13.11.2018, МПК B60N 2/00), в качестве усилителя с токовым входом применяется комбинация из двух транзисторов, первый из которых включен по схеме с общей базой, а второй с общим эмиттером. Напряжение генератора подается на базу первого транзистора, а вторая пластина конденсатора соединена с эмиттером. Коллекторный ток первого транзистора повторяет ток измерительного конденсатора, и на него почти не влияет напряжение возбуждения. Второй транзистор преобразует коллекторный ток первого транзистора в напряжение, подаваемое на синхронный детектор. Первый транзистор отделяет напряжение возбуждения от тока измерительного конденсатора, а второй обеспечивает основное усиление. Усиление второго транзистора задается соотношением номиналов элементов схемы его включения. Частота возбуждения невысока и лежит в интервале от 10 кГц до 500 кГц. Высокочастотный сигнал, получаемый со второго транзистора, оцифровывается, а синхронное детектирование реализовано вычислительным образом в микроконтроллере, что вполне оправдано на невысоких частотах для уменьшения сложности устройства. При невысокой рабочей частоте, усилитель на втором транзисторе по схеме с общим эмиттером может обеспечить высокий стабильный коэффициент усиления и малый фазовый набег, сопоставимые со схемами на операционном усилителе. Однако, при повышении частоты до 10 МГц и выше, в таком усилителе коэффициент усиления падает и определяется уже не номиналами элементов схемы включения, а внутренними ограничениями быстродействия самого транзистора. Поскольку параметры транзистора, влияющие на его быстродействие в схеме с общим эмиттером, изменяются от экземпляра к экземпляру и дополнительно меняются с температурой, то обеспечить высокий и стабильный коэффициент усиления не представляется возможным. За счет внутренних ограничений по быстродействию возникает значительный фазовый набег, нестабильный по своей величине. Таким образом, для устройства, описанного в упомянутом патенте, не представляется возможным повысить частоту возбуждения, что оказывается необходимым для увеличения чувствительности и быстродействия емкостного датчика.Known approaches to simplifying capacitance converters based on the use of simple transistor circuits to amplify high-frequency signals. So, in the patent US 10,124,758 (Publ. 13.11.2018, IPC B60N 2/00), as an amplifier with a current input, a combination of two transistors is used, the first of which is connected according to the scheme with a common base, and the second with a common emitter. The voltage of the generator is supplied to the base of the first transistor, and the second plate of the capacitor is connected to the emitter. The collector current of the first transistor repeats the current of the measuring capacitor, and it is almost not affected by the excitation voltage. The second transistor converts the collector current of the first transistor into a voltage supplied to the synchronous detector. The first transistor separates the excitation voltage from the current of the measuring capacitor, and the second provides the main gain. The gain of the second transistor is set by the ratio of the nominal values of the elements of the circuit of its inclusion. The excitation frequency is low and lies in the range from 10 kHz to 500 kHz. The high-frequency signal received from the second transistor is digitized, and synchronous detection is implemented computationally in the microcontroller, which is justified at low frequencies to reduce the complexity of the device. At a low operating frequency, the amplifier on the second transistor according to the scheme with a common emitter can provide a high stable gain and a small phase shift comparable with circuits on an operational amplifier. However, with increasing the frequency to 10 MHz and higher, in such an amplifier the gain decreases and is no longer determined by the ratings of the elements of the switching circuit, but by the internal speed limits of the transistor itself. Since the parameters of the transistor, affecting its performance in the circuit with a common emitter, vary from copy to copy and additionally change with temperature, it is not possible to ensure a high and stable gain. Due to internal performance limitations, a significant phase incursion arises, which is unstable in magnitude. Thus, for the device described in the aforementioned patent, it is not possible to increase the excitation frequency, which is necessary to increase the sensitivity and speed of the capacitive sensor.

Решение, описанное в патенте US 10,124,758, было выбрано в качестве прототипа заявленного изобретения.The solution described in US patent 10,124,758 was selected as a prototype of the claimed invention.

В большинстве применений, преобразователь емкости для емкостного датчика должен способствовать решению двух проблем, связанных с самим принципом работы емкостного датчика. Когда емкостные датчики используются в приложениях, где требуется высокая чувствительность измерения, то емкость измерительного конденсатора обычно изменяется в малых пределах в сравнении с полной величиной емкости измерительного конденсатора и соединительных проводников для его подключения. Например, в задачах контроля толщины материала, начальная емкость измерительного конденсатора может иметь величину нескольких пикофарад, а ее полное изменение под действием измеряемой величины может составлять несколько десятков фемтофарад. Таким образом, отношение начальной емкости к диапазону ее изменения может достигать 100 и более. Чтобы устойчиво обеспечивать измерение столь малых относительных изменений емкости, преобразователь должен либо иметь очень широкий динамический диапазон и высокую линейность передаточной характеристики, либо же допускать вычитающую компенсацию начальной емкости в самой схеме преобразователя. При обеспечении широкого динамического диапазона и линейности преобразователя значение АЦП, запомненное в ходе калибровки и соответствующее начальной емкости, можно вычитать из значения АЦП, полученного в ходе измерений. Результат будет соответствовать перепаду емкости под действием измеряемой величины. Если же широкий динамический диапазон и линейность преобразователя не удалось обеспечить, то результат вычитания будет сильно искаженным и не позволит достигнуть высокой чувствительности.In most applications, a capacitance transducer for a capacitive sensor should help to solve two problems associated with the principle of operation of a capacitive sensor. When capacitive sensors are used in applications where high measurement sensitivity is required, the capacitance of the measuring capacitor usually varies within small limits compared with the full value of the capacitance of the measuring capacitor and the connecting conductors for its connection. For example, in problems of controlling the thickness of the material, the initial capacitance of the measuring capacitor can have a value of several picofarads, and its complete change under the influence of the measured value can be several tens of femtofarads. Thus, the ratio of the initial capacity to the range of its change can reach 100 or more. In order to stably provide measurement of such small relative changes in capacitance, the converter must either have a very wide dynamic range and high linearity of the transfer characteristic, or allow subtracting compensation of the initial capacitance in the converter circuit itself. Providing a wide dynamic range and linearity of the converter, the ADC value stored during the calibration and corresponding to the initial capacitance can be subtracted from the ADC value obtained during the measurements. The result will correspond to the difference in capacitance under the action of the measured quantity. If it was not possible to provide a wide dynamic range and linearity of the converter, then the result of the subtraction will be highly distorted and will not allow to achieve high sensitivity.

Вычитающая компенсация в схеме преобразователя позволяет провести аналоговое вычитание сигнала, соответствующего начальной емкости. Этот подход не требует очень большого динамического диапазона преобразователя, так как выходной сигнал преобразователя целиком определяется перепадом емкости под действием измеряемой величины и почти не зависит от начальной емкости. В измерительной технике аналоговое вычитание широко применяется, например, в виде мостовых схем включения датчика того или иного типа. Наилучшие характеристики обеспечивают схемы вычитания с использованием пассивных элементов, так как пассивные элементы обладают высокой линейностью. Высокая линейность позволяет обеспечить точное аналоговое вычитание даже при большом отношении начальной емкости измерительного конденсатора к диапазону ее изменения.Subtracting compensation in the converter circuit allows analog subtraction of the signal corresponding to the initial capacitance. This approach does not require a very large dynamic range of the converter, since the output signal of the converter is entirely determined by the difference in capacitance under the action of the measured quantity and is almost independent of the initial capacitance. In measurement technology, analog subtraction is widely used, for example, in the form of bridge circuits for switching on a sensor of one type or another. The best characteristics are provided by subtraction schemes using passive elements, since passive elements are highly linear. High linearity allows accurate analog subtraction even with a large ratio of the initial capacitance of the measuring capacitor to the range of its variation.

В схеме прототипа не предусмотрена реализация аналоговой вычитающей компенсации. Поэтому, для нейтрализации начальной емкости измерительного конденсатора, в ней можно опираться только на расширение динамического диапазона. Это сопряжено с рядом сложностей. Во-первых, однотранзисторный усилитель по схеме с общим эмиттером обладает небольшим динамическим диапазоном и низкой линейностью, особенно, при больших уровнях сигнала.The prototype scheme does not provide for the implementation of analog subtractive compensation. Therefore, to neutralize the initial capacitance of the measuring capacitor, it can only rely on the expansion of the dynamic range. This is fraught with a number of difficulties. Firstly, a single-transistor amplifier with a common emitter circuit has a small dynamic range and low linearity, especially at high signal levels.

Во-вторых, чтобы точно измерить малый отклик датчика на измеряемую величину на фоне большого отклика на начальное значение емкости, приходится применять сложные и дорогие АЦП высокой разрядности, обычно имеющие архитектуру типа сигма-дельта. Все это ограничивает применение прототипа для преобразования емкости тех датчиков, где начальная емкость значительно превосходит диапазон изменения емкости.Secondly, in order to accurately measure the small response of the sensor to the measured value against the background of a large response to the initial value of the capacitance, it is necessary to use complex and expensive high-resolution ADCs, usually having a sigma-delta architecture. All this limits the use of the prototype for converting the capacitance of those sensors where the initial capacitance significantly exceeds the range of capacitance.

Другая проблема емкостных датчиков связана с утечками электрического поля из области чувствительности. Утечка электрического поля приводит к тому, что на результаты измерения начинают оказывать влияние те факторы, которые действуют вне области чувствительности. Это приводит к снижению чувствительности датчика к измеряемой величине и к появлению чувствительности к посторонним мешающим факторам и объектам. Кроме того, увеличивается начальная емкость измерительного конденсатора, что усложняет проведение измерений. Чтобы перекрыть пути утечки электрического поля, окружают вторую пластину так называемым защитным электродом, за исключением зоны чувствительности. Защитный электрод присоединяется к потенциалу, близкому к потенциалу второй пластины. Он выполняет роль экрана, причем, из-за близости потенциалов, напряженность поля между защитным электродом и второй пластиной оказывается близким к нулю. При использовании защитного электрода, ненулевое электрическое поле может возникнуть только в зоне чувствительности датчика. В практической реализации, защитный электрод либо связывают с выходом генератора возбуждающего напряжения, либо подключают к выходу специального усилителя, который воспроизводит напряжение на второй пластине с коэффициентом усиления, чуть меньшим единицы. Поскольку защитный электрод своим переменным электрическим полем может создавать помехи для других устройств, находящихся вблизи емкостного датчика, его часто окружают дополнительным экранирующим электродом, присоединенным к постоянному потенциалу.Another problem of capacitive sensors is associated with leaks of the electric field from the sensitivity region. The leakage of the electric field leads to the fact that those factors that act outside the sensitivity range begin to influence the measurement results. This leads to a decrease in the sensitivity of the sensor to the measured value and to the appearance of sensitivity to extraneous interfering factors and objects. In addition, the initial capacitance of the measuring capacitor is increased, which complicates the measurement. To block the leakage paths of the electric field, they surround the second plate with the so-called protective electrode, with the exception of the sensitivity zone. The protective electrode is connected to a potential close to the potential of the second plate. It acts as a screen, and, due to the proximity of potentials, the field strength between the protective electrode and the second plate is close to zero. When using a protective electrode, a nonzero electric field can occur only in the sensitivity zone of the sensor. In practical implementation, the protective electrode is either connected to the output of the exciting voltage generator, or connected to the output of a special amplifier that reproduces the voltage on the second plate with a gain slightly less than unity. Since the protective electrode with its alternating electric field can interfere with other devices located near the capacitive sensor, it is often surrounded by an additional shield electrode connected to a constant potential.

Преобразователь емкости, при необходимости предотвратить утечку электрического поля из датчика, должен обеспечивать возможность подключения защитного и экранирующего электрода. Так, в прототипе защитный электрод связан с выходом генератора.The capacitance converter, if necessary, to prevent leakage of the electric field from the sensor, must provide the ability to connect a protective and shielding electrode. So, in the prototype, the protective electrode is connected to the output of the generator.

Задача заявленного изобретения состоит в создании простого преобразователя емкости измерительного конденсатора с заземленной первой пластиной, способного работать на высоких частотах возбуждающего напряжения, достигающих 100 МГц, и обеспечивающего высокую чувствительность. Дополнительная задача заявленного изобретения состоит в обеспечении возможностей для подключения защитного электрода и для реализации аналогового вычитания начальной емкости измерительного конденсатора с помощью простой схемы на пассивных элементах.The objective of the claimed invention is to create a simple transducer of the capacitance of the measuring capacitor with a grounded first plate, capable of operating at high frequencies of the excitation voltage, reaching 100 MHz, and providing high sensitivity. An additional objective of the claimed invention is to provide opportunities for connecting a protective electrode and for implementing analog subtraction of the initial capacitance of the measuring capacitor using a simple circuit on passive elements.

Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении быстродействия преобразователя емкости и упрощении его схемного решения при сохранении высокой чувствительности.The technical result of the claimed invention is to increase the speed of the capacitance converter and simplify its circuit solution while maintaining high sensitivity.

Этот технический результат достигается за счет того, что преобразователь электрической емкости для емкостного датчика, в котором первая пластина измерительного конденсатора емкостного датчика связана с постоянным потенциалом, содержит входную точку для подключения второй пластины упомянутого измерительного конденсатора емкостного датчика, генератор зарядных импульсов, генерирующий повторяющиеся зарядные импульсы прямоугольной формы, разрядную схему, подключенную к упомянутой входной точке, и выполненную с возможностью обеспечения стекания заряда из входной точки во время отсутствия зарядного импульса, формирователь выходного сигнала преобразователя, биполярный транзистор, эмиттер которого связан с выходом генератора зарядных импульсов, база которого связана с входной точкой преобразователя, а коллектор связан с формирователем выходного сигнала, при этом формирователь выходного сигнала выполнен с возможностью формирования выходного сигнала преобразователя в зависимости от коллекторного тока биполярного транзистора. В данном описании, работа биполярного транзистора рассматривается с точки зрения зарядовой модели, известной специалистам. Зарядовая модель обеспечивает простое и достаточно точное описание работы транзистора в переходных режимах открытия и закрытия, что позволяет сделать логические выводы о результатах быстро протекающих процессов в схеме с биполярным транзистором. На русском языке зарядовая модель изложена недостаточно подробно, поэтому в данном описании мы следуем ее изложению в восьмой главе книги "Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits. Chenming Hu. Prentice Hall, 2010."This technical result is achieved due to the fact that the electric capacitance converter for a capacitive sensor, in which the first plate of the measuring capacitor of the capacitive sensor is connected with a constant potential, contains an input point for connecting the second plate of the measuring capacitor of the capacitive sensor, a charge pulse generator that generates repeated charge pulses a rectangular shape, a discharge circuit connected to the mentioned input point, and configured to ensure that the charge drains from the input point during the absence of a charging pulse, the converter output signal shaper, a bipolar transistor, the emitter of which is connected to the output of the charge pulse generator, the base of which is connected to the input the point of the converter, and the collector is connected to the driver of the output signal, while the driver of the output signal is configured to generate the output signal of the converter depending on the collector bipolar transistor current. In this description, the operation of a bipolar transistor is considered from the point of view of the charge model known to specialists. The charge model provides a simple and fairly accurate description of the operation of the transistor in transient modes of opening and closing, which allows logical conclusions about the results of rapidly occurring processes in a circuit with a bipolar transistor. In Russian, the charge model is not described in sufficient detail, so in this description we follow its presentation in the eighth chapter of the book "Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits. Chenming Hu. Prentice Hall, 2010."

Согласно зарядовой модели, коллекторный ток транзистора управляется диффузионным зарядом избыточных носителей QF, сформированным в его базе и эмиттере. Диффузионный заряд можно представить как сумму абсолютных значений избыточных зарядов неосновных носителей, накопленных вблизи p-n перехода в базе и в эмиттере. Так как эмиттер имеет значительно более высокую степень легирования, чем база, то из эмиттера в базу инжектируется значительно больше неосновных носителей, чем из базы в эмиттер. Поэтому, диффузионный заряд почти полностью определяется количеством избыточных неосновных носителей в базе.According to the charge model, the collector current of the transistor is controlled by the diffusion charge of excess carriers Q F formed in its base and emitter. The diffusion charge can be represented as the sum of the absolute values of the excess charges of minority carriers accumulated near the pn junction in the base and in the emitter. Since the emitter has a much higher degree of doping than the base, significantly more minority carriers are injected from the emitter into the base than from the base into the emitter. Therefore, the diffusion charge is almost entirely determined by the amount of excess minority carriers in the base.

С точки зрения зарядовой модели, ток коллектора пропорционален диффузионному заряду:

Figure 00000001
где τF - время накопления, численно близкое к времени пролета базы.From the point of view of the charge model, the collector current is proportional to the diffusion charge:
Figure 00000001
where τ F is the accumulation time numerically close to the base flight time.

Зависимость коллекторного тока от тока базы является вторичной и определяется тем, как ток базы формирует диффузионный заряд QF, в соответствии с дифференциальным уравнением

Figure 00000002
где βF - коэффициент передачи тока базы.The dependence of the collector current on the base current is secondary and is determined by how the base current forms a diffusion charge Q F , in accordance with the differential equation
Figure 00000002
where β F is the current transfer coefficient of the base.

В заявленном изобретении, заряд измерительного конденсатора емкостного датчика происходит за короткое время в начале зарядного импульса, так как зарядный импульс имеет прямоугольную форму с крутым фронтом. Величина заряда, втекшего в измерительный конденсатор через переход эмиттер-база транзистора, равна произведению емкости измерительного конденсатора и величины перепада напряжения на измерительном конденсаторе, которая близка к амплитуде зарядного импульса. В момент заряда ток коллектора равен нулю, и весь ток заряда измерительного конденсатора идет на заряд емкостей транзистора и паразитных емкостей других элементов схемы. Зарядный ток протекает через переход эмиттер-база биполярного транзистора и формирует диффузионный заряд, равный заряду измерительного конденсатора, за вычетом зарядов, накопленных в барьерных емкостях транзистора и паразитных емкостях других элементов схемы.In the claimed invention, the charge of the measuring capacitor of the capacitive sensor occurs in a short time at the beginning of the charging pulse, since the charging pulse has a rectangular shape with a steep front. The magnitude of the charge flowing into the measuring capacitor through the emitter-base transistor junction is equal to the product of the capacitance of the measuring capacitor and the magnitude of the voltage drop across the measuring capacitor, which is close to the amplitude of the charging pulse. At the time of charging, the collector current is zero, and the entire charge current of the measuring capacitor goes to the charge of the capacitance of the transistor and stray capacitance of other circuit elements. The charging current flows through the emitter-base junction of the bipolar transistor and forms a diffusion charge equal to the charge of the measuring capacitor, minus the charges accumulated in the barrier capacitance of the transistor and stray capacitances of other circuit elements.

Как только диффузионный заряд сформировался, транзистор открывается и через его коллектор начинает течь ток в соответствии с пропорциональной зависимостью (1). Таким образом, ток коллектора связан с емкостью измерительного конденсатора линейной зависимостью.As soon as a diffusion charge has formed, the transistor opens and a current begins to flow through its collector in accordance with the proportional dependence (1). Thus, the collector current is linearly related to the capacitance of the measuring capacitor.

В дальнейшем продолжении зарядного импульса, напряжение на измерительном конденсаторе остается стабильным и ток через базу не протекает. Это соответствует обращению в ноль первого члена в правой части уравнения (2). Ток коллектора медленно спадает, поскольку диффузионный заряд медленно уменьшается вследствие рекомбинации неосновных носителей в соответствии с уравнением

Figure 00000003
непосредственно получаемым из уравнения (2).In the further continuation of the charging pulse, the voltage at the measuring capacitor remains stable and no current flows through the base. This corresponds to the vanishing of the first term on the right side of equation (2). The collector current slowly decreases, since the diffusion charge slowly decreases due to the recombination of minority carriers in accordance with the equation
Figure 00000003
directly obtained from equation (2).

По окончании зарядного импульса начинается быстрый разряд емкости измерительного конденсатора через разрядную схему. Одновременно с этим, происходит разряд внутренних емкостей транзистора, и через некоторое время схема приходит в исходное состояние.At the end of the charge pulse, a fast discharge of the capacitance of the measuring capacitor through the discharge circuit begins. At the same time, the internal capacitance of the transistor is discharged, and after a while the circuit returns to its original state.

В соответствии с описанным процессом, при каждом зарядном импульсе на коллекторе транзистора возникает импульс трапециевидной формы, по длительности совпадающий с зарядным импульсом. Амплитуда трапециевидного импульса связана с емкостью измерительного конденсатора линейной зависимостью. Импульс коллекторного тока поступает на формирователь выходного сигнала, который формирует выходной сигнал в зависимости от тока коллектора.In accordance with the described process, with each charging pulse on the collector of the transistor there is a trapezoidal pulse, the duration of which coincides with the charging pulse. The amplitude of the trapezoidal pulse is connected with the capacitance of the measuring capacitor by a linear dependence. A collector current pulse is supplied to the output driver, which generates an output signal depending on the collector current.

В описанной схеме транзистор является усилителем, который преобразует величину заряда измерительного конденсатора в импульс коллекторного тока. Крутизна усиления такого транзисторного каскада, определяемая как отношение среднего значения тока коллектора к заряду измерительного конденсатора и выраженная в амперах на кулон, при малой длительности зарядного импульса определяется только временем накопления диффузионного заряда τF, близким к времени пролета базы транзистора, но почти не зависит от коэффициента βF передачи тока базы транзистора. При малой длительности зарядного импульса ток коллектора практически не успевает уменьшаться к концу импульса. При увеличении длительности зарядного импульса крутизна будет несколько уменьшаться из-за падения тока к концу импульса. Этот эффект наиболее заметен при небольшом коэффициенте передачи тока который определяет повышенную скорость рекомбинации неосновных зарядов в базе в соответствии с (3).In the described circuit, the transistor is an amplifier that converts the charge of the measuring capacitor into a pulse of the collector current. The gain steepness of such a transistor cascade, defined as the ratio of the average collector current to the charge of the measuring capacitor and expressed in amperes per coulon, for a short charge pulse duration is determined only by the diffusion charge accumulation time τ F , close to the transistor base transit time, but almost independent of coefficient β F of the base current transistor. With a short duration of the charging pulse, the collector current hardly has time to decrease towards the end of the pulse. With an increase in the duration of the charging pulse, the steepness will decrease slightly due to the current drop to the end of the pulse. This effect is most noticeable with a small current transfer coefficient that determines the increased rate of recombination of minor charges in the base in accordance with (3).

Из приведенных здесь рассуждений видно, что наилучшая крутизна усиления достигается именно при небольшой длительности зарядного импульса, что соответствует повышенной частоте возбуждения. Физическим пределом уменьшения длительности зарядного импульса является длительность процесса заряда измерительного конденсатора. Для сохранения описанной здесь работы преобразователя длительность заряда измерительного конденсатора должна оставаться существенно меньше длительности зарядного импульса. Как показывает практический опыт и численное моделирование, при емкости измерительного конденсатора в диапазоне нескольких пикофарад, процесс заряда измерительного конденсатора обычно занимает время от 1 до 2 наносекунд. Поэтому, разумное ограничение периода повторения зарядного импульса составляет примерно 10 не, что соответствует максимальной рекомендуемой частоте возбуждения около 100 МГц. Эта частота может быть дополнительно увеличена за счет применения биполярного транзистора, специально оптимизированного для работы на высоких частотах. В прототипе, в схеме с общим эмиттером, коэффициент усиления падает с ростом частоты, и с ним падает чувствительность преобразователя. В заявленном изобретении, наоборот, увеличение частоты является предпочтительным для увеличения крутизны усиления. За счет этого, предпочтительной оказывается работа на значительно более высоких частотах, в сравнении с прототипом, что повышает быстродействие преобразователя согласно заявленному изобретению.From the arguments presented here it is seen that the best gain slope is achieved precisely with a short duration of the charging pulse, which corresponds to an increased excitation frequency. The physical limit for reducing the duration of the charging pulse is the duration of the charging process of the measuring capacitor. To save the operation of the converter described here, the duration of the charge of the measuring capacitor must remain substantially less than the duration of the charge pulse. As practical experience and numerical modeling shows, with a capacitance of a measuring capacitor in the range of several picofarads, the process of charging a measuring capacitor usually takes from 1 to 2 nanoseconds. Therefore, a reasonable limitation of the repetition period of the charge pulse is approximately 10 ns, which corresponds to a maximum recommended excitation frequency of about 100 MHz. This frequency can be further increased through the use of a bipolar transistor, specially optimized for operation at high frequencies. In the prototype, in a circuit with a common emitter, the gain decreases with increasing frequency, and with it the sensitivity of the converter decreases. In the claimed invention, on the contrary, an increase in frequency is preferable to increase the gain slope. Due to this, it is preferable to work at significantly higher frequencies, in comparison with the prototype, which increases the speed of the Converter according to the claimed invention.

Транзистор в заявленном изобретении можно также рассматривать как усилитель заряда. Согласно формуле (1), ток коллектора есть отношение диффузионного заряда к времени накопления. Поэтому, заряд, вытекающий из коллектора биполярного транзистора за время зарядного импульса, есть произведение диффузионного заряда на отношение длительности зарядного импульса к времени накопления τF. Указанное здесь отношение можно рассматривать как коэффициент усиления заряда, обеспечиваемый биполярным транзистором в заявленном изобретении. Для наиболее распространенных маломощных транзисторов время пролета базы составляет несколько десятых наносекунды. При частоте возбуждения, составляющей несколько десятков мегагерц, длительность зарядного импульса находится в диапазоне десятков наносекунд. Поэтому, упомянутый выше коэффициент усиления заряда составляет, как минимум, несколько десятков, чем определяется высокая чувствительность преобразователя емкости согласно заявленному изобретению. Транзистор в заявленном изобретении также выполняет функцию синхронного детектора. Он открывается практически сразу с началом зарядного импульса, подаваемого с генератора, и закрывается немедленно по завершении импульса. Во время импульса транзистор находится в активном режиме и его ток коллектора связан линейной зависимостью с зарядом, накопленным в измерительном конденсаторе. Напротив, заряд, вытекающий из измерительного конденсатора в промежутке между импульсами, не оказывает влияния на коллекторный ток. Таким образом, транзистор является синхронным детектором тока измерительного конденсатора, причем, набег фазы при его синхронизации с генератором оказывается очень небольшим даже на высоких частотах, достигающих 100 МГц.The transistor in the claimed invention can also be considered as a charge amplifier. According to formula (1), the collector current is the ratio of the diffusion charge to the accumulation time. Therefore, the charge flowing out of the collector of a bipolar transistor during the charge pulse is the product of the diffusion charge and the ratio of the charge pulse duration to the accumulation time τ F. The ratio indicated here can be considered as the charge gain provided by the bipolar transistor in the claimed invention. For the most common low-power transistors, the base transit time is several tenths of a nanosecond. With an excitation frequency of several tens of megahertz, the duration of the charge pulse is in the range of tens of nanoseconds. Therefore, the aforementioned charge gain is at least several tens, which determines the high sensitivity of the capacitance converter according to the claimed invention. The transistor in the claimed invention also serves as a synchronous detector. It opens almost immediately with the beginning of the charging pulse supplied from the generator, and closes immediately upon completion of the pulse. During the pulse, the transistor is in active mode and its collector current is linearly related to the charge accumulated in the measuring capacitor. On the contrary, the charge flowing from the measuring capacitor in the interval between pulses does not affect the collector current. Thus, the transistor is a synchronous current detector of the measuring capacitor, and the phase shift during synchronization with the generator is very small even at high frequencies reaching 100 MHz.

В сравнении с прототипом, в заявленном изобретении достигается существенное упрощение устройства, поскольку транзистор одновременно выполняет функции усилителя и синхронного детектора. Для выполнения этих функций требуется минимальное количество дополнительных компонентов. Совершенно обязательной является лишь разрядная схема, подключенная к входной точке, которая должна обеспечивать стекание заряда из входной точки во время отсутствия зарядного импульса. Реализация разрядной схемы не является сложной. В наиболее простом варианте может быть реализована в виде полупроводникового диода, включенного между эмиттером и базой биполярного транзистора, и имеющего полярность, противоположную полярности эмиттерного перехода биполярного транзистора. Это простое решение является, однако, очень эффективным, так как полупроводниковые диоды характеризуются высокой скоростью открытия, малой вносимой емкостью, и низким импедансом в открытом состоянии. Простой альтернативой полупроводниковому диоду может быть полупроводниковый ключ, управляемый выходным напряжением генератора и соединяющий между собой входную точку и линию постоянного потенциала, равного выходному потенциалу генератора зарядных импульсов при отсутствии импульса. Таким образом, сочетание из биполярного транзистора и простой разрядной схемы в заявленном изобретении заменяет многоэлементную двухтранзисторную схему в прототипе, и, в дополнение, выполняет функцию синхронного детектирования, которая в прототипе возложена на микропроцессор. Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает увеличение быстродействия преобразователя емкости и упрощение его схемного решения при сохранении высокой чувствительности.Compared with the prototype, the claimed invention achieves a significant simplification of the device, since the transistor simultaneously performs the functions of an amplifier and a synchronous detector. These functions require a minimum number of additional components. Only the discharge circuit connected to the input point is absolutely mandatory, which should ensure that the charge drains from the input point during the absence of a charging pulse. Implementing a bit circuit is not complicated. In the simplest embodiment, it can be implemented as a semiconductor diode connected between the emitter and the base of the bipolar transistor, and having a polarity opposite to that of the emitter junction of the bipolar transistor. This simple solution is, however, very effective, since semiconductor diodes are characterized by a high opening speed, low insertion capacity, and low open impedance. A simple alternative to a semiconductor diode can be a semiconductor switch controlled by the output voltage of the generator and connecting the input point and the line of a constant potential equal to the output potential of the charge pulse generator in the absence of a pulse. Thus, the combination of a bipolar transistor and a simple bit circuit in the claimed invention replaces the multi-element two-transistor circuit in the prototype, and, in addition, performs the function of synchronous detection, which is assigned to the microprocessor in the prototype. Thus, the claimed invention provides an increase in speed of the capacitance converter and simplification of its circuit solution while maintaining high sensitivity.

Емкостной датчик, возбуждаемый высокочастотным сигналом, может стать источником электромагнитных помех для окружающего его оборудования. С целью снижения спектральной плотности помех, генератор зарядных импульсов может быть выполнен с возможностью обеспечения непостоянного периода импульсов, изменяющегося в соответствии с псевдослучайной последовательностью. При этом, длительность интервалов между импульсами также будет непостоянной. Однако, это непостоянство не будет оказывать заметного влияния на характеристики импульса тока коллектора, так как к концу интервала между импульсами происходит возврат транзистора к исходному состоянию.A capacitive sensor, excited by a high-frequency signal, can become a source of electromagnetic interference for the equipment surrounding it. In order to reduce the spectral density of interference, the charge pulse generator can be configured to provide an unstable pulse period, varying in accordance with a pseudo-random sequence. Moreover, the duration of the intervals between pulses will also be unstable. However, this inconstancy will not have a noticeable effect on the characteristics of the collector current pulse, since at the end of the interval between pulses the transistor returns to its original state.

Формирователь выходного сигнала преобразователя, в самом простом случае, может быть выполнен в виде резистора, подключенного к коллектору транзистора и к постоянному потенциалу. Потенциал на коллекторе транзистора используется в качестве выходного сигнала преобразователя и линейно связан с током коллектора. Однако, более предпочтительным является внедрение интегрирующего звена в формирователь для фильтрации результата синхронного детектирования и подавления компоненты выходного сигнала, имеющей частоту возбуждения. Такое интегрирующее звено может быть реализовано, например, в виде параллельной интегрирующей RC-цепочки, подключенной к коллектору транзистора и к постоянному потенциалу. Интегрирующее звено уменьшает влияние внешних помех, наводимых на емкостной датчик, так как ограничивает полосу пропускания помех с входной точки на выход преобразователя. Кроме того, интегрирующая RC-цепочка нейтрализует пульсацию коллекторного напряжения во время зарядного импульса. За счет этого не только уменьшаются пульсации выходного сигнала преобразователя, но и блокируется отрицательная обратная связь через коллекторную емкость транзистора. Блокировка указанной отрицательной обратной связи позволяет достичь высокой чувствительности преобразователя. Как уже было указано раньше, диффузионный заряд практически равен заряду измерительного конденсатора, за вычетом зарядов, накопленных в барьерных емкостях транзистора и паразитных емкостях других элементов схемы. Добавление специально вводимой емкости между выходом генератора и входной точкой еще более уменьшает диффузионный заряд, поскольку такой конденсатор представляет собой дополнительный путь для тока зарядки измерительного конденсатора, шунтирующий переход эмиттер-база. При соответствующем выборе величины емкости можно обеспечить частичную либо полную нейтрализацию выходного сигнала преобразователя, обусловленного начальной емкостью измерительного конденсатора емкостного датчика. Фактически, вводимая емкость обеспечивает аналоговое вычитание заряда, соответствующего начальной емкости измерительного конденсатора, из диффузионного заряда. Так как вычитание реализуется при помощи пассивного конденсатора или конденсаторов, то достигается высокая линейность и небольшие искажения выходного сигнала преобразователя в диапазоне изменения измеряемой величины.The output driver of the converter, in the simplest case, can be made in the form of a resistor connected to the collector of the transistor and to a constant potential. The potential at the collector of the transistor is used as the output signal of the converter and is linearly related to the collector current. However, it is more preferable to integrate the integrating element into the shaper to filter the result of synchronous detection and suppress the component of the output signal having the excitation frequency. Such an integrating element can be implemented, for example, in the form of a parallel integrating RC circuit connected to the collector of the transistor and to a constant potential. The integrating element reduces the influence of external interference induced by the capacitive sensor, as it limits the bandwidth of interference from the input point to the output of the converter. In addition, the integrating RC circuit neutralizes the ripple of the collector voltage during the charging pulse. Due to this, not only the ripple of the output signal of the converter is reduced, but also negative feedback is blocked through the collector capacitance of the transistor. Blocking this negative feedback allows you to achieve high sensitivity of the converter. As mentioned earlier, the diffusion charge is almost equal to the charge of the measuring capacitor, minus the charges accumulated in the barrier capacitances of the transistor and stray capacitances of other circuit elements. The addition of a specially introduced capacitance between the output of the generator and the input point further reduces the diffusion charge, since such a capacitor represents an additional path for the charging current of the measuring capacitor, which shunts the emitter-base junction. With the appropriate choice of the capacitance value, it is possible to partially or completely neutralize the output signal of the converter, due to the initial capacitance of the measuring capacitor of the capacitive sensor. In fact, the input capacitance provides an analog subtraction of the charge corresponding to the initial capacitance of the measuring capacitor from the diffusion charge. Since the subtraction is realized using a passive capacitor or capacitors, a high linearity and small distortion of the output signal of the converter in the range of the measured value is achieved.

Аналоговое вычитание заряда, соответствующего начальной емкости измерительного конденсатора, может быть реализовано с использованием экранирующего и защитного электродов емкостного датчика. Для этого подключают экранирующий электрод к линии постоянного потенциала, а защитный электрод через вновь вводимый конденсатор подключают к выходу генератора зарядных импульсов. Между защитным и экранирующим электродом неизбежно имеется емкость, определяемая их формой и взаимным расположением. Вновь вводимый конденсатор совместно с емкостью между экранирующим и защитным электродом образуют емкостной делитель напряжения зарядных импульсов. Между защитным электродом и второй пластиной также существует емкость, определяемая их формой и взаимным расположением. Через эту емкость напряжение с емкостного делителя подается на входную точку преобразователя. Описанные емкости образуют путь для тока заряда измерительного конденсатора, который шунтирует переход эмиттер-база транзистора и позволяет уменьшить диффузионный заряд. Емкость вновь вводимого конденсатора определяет степень шунтирования и может быть выбрана для обеспечения частичной или полной нейтрализации выходного сигнала преобразователя, обусловленного начальной емкостью измерительного конденсатора емкостного датчика. Поскольку все описанные емкости образуются пассивными конденсаторами, то обеспечивается высокая линейность и небольшие искажения выходного сигнала преобразователя в диапазоне изменения измеряемой величины.The analog subtraction of the charge corresponding to the initial capacitance of the measuring capacitor can be implemented using the shielding and protective electrodes of the capacitive sensor. For this, a shielding electrode is connected to a constant potential line, and a protective electrode is connected to the output of the charge pulse generator through a newly introduced capacitor. Between the protective and shielding electrode there is inevitably a capacitance determined by their shape and relative position. The newly introduced capacitor together with the capacitance between the shield and protective electrode form a capacitive voltage divider of the charging pulses. A capacitance also exists between the protective electrode and the second plate, which is determined by their shape and relative position. Through this capacitance, voltage from the capacitive divider is supplied to the input point of the converter. The described capacitances form a path for the charge current of the measuring capacitor, which shunts the emitter-base transistor junction and allows to reduce the diffusion charge. The capacitance of the newly introduced capacitor determines the degree of bypass and can be selected to partially or completely neutralize the output signal of the converter, due to the initial capacitance of the measuring capacitor of the capacitive sensor. Since all the described capacitances are formed by passive capacitors, high linearity and small distortions of the converter output signal in the range of the measured quantity are ensured.

На Фиг. 1 показана схема практической реализации преобразователя емкости для емкостного датчика согласно заявленному изобретению. На Фиг. 2 изображена схема замещения, в которой в явном виде показаны емкости внутренних элементов схемы практической реализации, за исключением диффузионной емкости перехода эмиттер-база транзистора 5. В практической реализации изобретения преобразователь электрической емкости используется совместно с емкостным датчиком 1, содержащим заземленную первую пластину 1Е измерительного конденсатора, вторую измерительную пластину 1М измерительного конденсатора, защитный электрод 1G и заземленный экранирующий электрод 1S. Датчик 1 предназначен для контроля толщины листового материала 2, пропускаемого в зазоре между пластинами 1Е и 1М измерительного конденсатора.In FIG. 1 shows a practical implementation diagram of a capacitance converter for a capacitive sensor according to the claimed invention. In FIG. 2 shows an equivalent circuit in which the capacitances of the internal elements of the practical implementation diagram are explicitly shown, with the exception of the diffusion capacitance of the emitter-base of the transistor 5. In the practical implementation of the invention, the electric capacitance converter is used in conjunction with a capacitive sensor 1 containing a grounded first plate 1E of the measuring capacitor , a second measuring plate 1M measuring capacitor, a protective electrode 1G and a grounded shield electrode 1S. The sensor 1 is designed to control the thickness of the sheet material 2, passed in the gap between the plates 1E and 1M measuring capacitor.

Вторая пластина 1М измерительного конденсатора соединена со входной точкой преобразователя емкости. Преобразователь емкости также содержит кварцевый генератор 4 зарядных импульсов, присоединенные к его выходу биполярный кремниевый транзистор 5 типа p-n-р и полупроводниковый диод 6, включенный между эмиттером и базой транзистора 5 и выполняющий функцию разрядной схемы. Ток коллектора транзистора 5 подается на интегрирующую RC-цепочку, состоящую из резистора 7 сопротивлением Ri; и конденсатора 8 емкостью Ci, и присоединенную к источнику отрицательного напряжения питания -5 В. Точка 9 соединения коллектора транзистора 5 резистором 7 и конденсатором 8 является выходом преобразователя. Между выходом 9 преобразователя и источником отрицательного напряжения питания -5 В включен вольтметр 10, который может представлять из себя цифровой вольтметр либо аналого-цифровой преобразователь компьютеризированной измерительной системы (на рисунке не показана).The second plate 1M of the measuring capacitor is connected to the input point of the capacitance converter. The capacitance converter also contains a quartz oscillator 4 of charge pulses, a pn-p type bipolar silicon transistor 5 and a semiconductor diode 6 connected between the emitter and the base of the transistor 5 and acting as a discharge circuit connected to its output. The collector current of the transistor 5 is supplied to an integrating RC circuit consisting of a resistor 7 of resistance R i ; and a capacitor 8 with a capacity of C i , and connected to a negative supply voltage of -5 V. A connection point 9 of the collector of the transistor 5 with a resistor 7 and a capacitor 8 is the output of the converter. Between the output 9 of the converter and the source of negative -5 V supply voltage, a voltmeter 10 is turned on, which can be a digital voltmeter or an analog-to-digital converter of a computerized measuring system (not shown in the figure).

Генератор 4 зарядных импульсов выполнен по КМОП-технологии и обеспечивает напряжение выходного прямоугольного импульса, равное +5 В. Выходной каскад генератора обладает высокой нагрузочной способностью и позволяет отдавать в нагрузку ток до 50 мА при длительности фронтов импульса около 1 не. Частота генерации равна 50 МГц. Длительности импульса и паузы между импульсами равны между собой и составляют 10 не. Выходное напряжение в паузе между импульсами составляет 0 В.The generator 4 charge pulses is made according to CMOS technology and provides a voltage of the output rectangular pulse equal to +5 V. The output stage of the generator has a high load capacity and allows you to give a load of up to 50 mA with a pulse edge duration of about 1 not. The generation frequency is 50 MHz. The pulse duration and pause between pulses are equal to each other and amount to 10 ns. The output voltage in the pause between pulses is 0 V.

Маломощный p-n-р транзистор 5 типа 2N3906 является типичным представителем этого класса полупроводниковых приборов и характеризуется временем пролета базы, равным 0,44 не.A low-power pnp transistor 5 of type 2N3906 is a typical representative of this class of semiconductor devices and is characterized by a base flight time of 0.44 ns.

Между выходом генератора 4 и защитным электродом 1G включен нейтрализующий конденсатор 11 переменной емкости, предназначенный для нейтрализации начальной емкости между пластинами 1Е и 1М измерительного конденсатора.Between the output of the generator 4 and the protective electrode 1G, a neutral capacitor 11 of variable capacitance is included to neutralize the initial capacitance between the plates 1E and 1M of the measuring capacitor.

Постоянная времени интегрирующей цепочки 7,8 определяется как RiCi. Она выбирается достаточно большой, чтобы многократно ослабить амплитуду колебаний на выходе 9 преобразователя, имеющих частоту напряжения возбуждения, равную 50 МГц. Конденсатор 12 емкостью CEB соответствует барьерной емкости эмиттерного перехода транзистора 5. Конденсатор 13 емкостью CBC соответствует барьерной емкости обратно смещенного коллекторного перехода транзистора 5. Отметим, что он имеет малую емкость в сравнении с емкостью конденсатора 8 интегрирующей цепочки, и можно считать, что его нижний (по схеме) вывод соединен по переменному току с земляным потенциалом. Конденсатор 14 емкостью CD соответствует барьерной емкости р-n перехода диода 6.The time constant of the integrating chain 7.8 is defined as R i C i . It is chosen large enough to repeatedly weaken the amplitude of the oscillations at the output of the 9 transducer having an excitation voltage frequency of 50 MHz. Capacitor 12 with capacitance C EB corresponds to the barrier capacitance of the emitter junction of transistor 5. Capacitor 13 with capacitance C BC corresponds to the barrier capacitance of the reverse biased collector junction of transistor 5. Note that it has a small capacitance in comparison with the capacitance of capacitor 8 of the integrating circuit, and we can assume that the lower (according to the scheme) terminal is connected by alternating current with earth potential. The capacitor 14 with a capacitance C D corresponds to the barrier capacitance pn junction of the diode 6.

Конденсатор 15 емкостью СМЕ является емкостью измерительного конденсатора емкостного датчика 1. Поскольку в емкостном датчике 1 электроды 1Е и 1М размещаются по разные стороны листа 2, то зависимость емкости СМЕ от толщины листа h и ширины зазора L между электродами определяется формулой

Figure 00000004
. Эта формула может быть легко получена из эквивалентной схемы последовательного включения двух плоских конденсаторов и известна, например, из заявки SE 355428 (опубл. 16.04.1973 г., МПК G07D 7/00). Здесь ε0 обозначает диэлектрическую проницаемость вакуума и практически равна проницаемости воздуха, ε обозначает относительную диэлектрическую проницаемость материала листа, a S - площадь каждого из электродов 1Е и 1М. В соответствии с указанной формулой, когда ширина зазора L многократно превосходит толщину материала h, при введении листового материала в зазор между пластинами датчика, емкость измерительного конденсатора увеличивается на величину, которая практически пропорциональна толщине материала h. Названное соотношение между h и L является типичным, так как на практике, для исключения замятия и повреждения движущегося листа, обычно приходится делать зазор между пластинами 1Е и 1M в несколько раз больше толщины материала листа.The capacitor 15 with the capacitance C ME is the capacitance of the measuring capacitor of the capacitive sensor 1. Since the electrodes 1E and 1M are placed on opposite sides of the sheet 2 in the capacitive sensor 1, the dependence of the capacitance C ME on the sheet thickness h and the gap width L between the electrodes is determined by the formula
Figure 00000004
. This formula can be easily obtained from an equivalent circuit for series connection of two flat capacitors and is known, for example, from the application SE 355428 (publ. 04/16/1973, IPC G07D 7/00). Here ε 0 denotes the dielectric constant of vacuum and is almost equal to the permeability of air, ε denotes the relative dielectric constant of the sheet material, and S is the area of each of the electrodes 1E and 1M. In accordance with this formula, when the gap width L is many times greater than the material thickness h, when sheet material is introduced into the gap between the sensor plates, the capacitance of the measuring capacitor increases by a value that is almost proportional to the material thickness h. The named ratio between h and L is typical, since in practice, to avoid jamming and damage to the moving sheet, it is usually necessary to make a gap between the plates 1E and 1M several times greater than the thickness of the sheet material.

В отсутствии контролируемого листового материала 2 его начальная емкость равна СМЕ и составляет примерно 1 пФ. Перепад емкости за счет введения контролируемого листового материала 2 пропорционален толщине листового материала h и составляет СТ=СМЕ-СМЕ0. Именно величина СТ должна быть преобразована в выходной сигнал преобразователя, который далее измеряется вольтметром 10.In the absence of controlled sheet material 2, its initial capacitance is C IU and is approximately 1 pF. The difference in capacity due to the introduction of a controlled sheet material 2 is proportional to the thickness of the sheet material h and is C T = C ME -C ME0. Namely, the value of C T must be converted into the output signal of the converter, which is then measured with a voltmeter 10.

Конденсатор 16 емкостью CMG соответствует емкости между второй пластиной 1М измерительного конденсатора и защитным 1G электродом датчика 1. Конденсатор 17 емкостью CGS соответствует емкости между экранирующим 1S и защитным 1G электродами датчика 1. Емкости этих конденсаторов определяются конструкцией емкостного датчика 1 и не могут быть произвольно уменьшены.The capacitor 16 with a capacitance C MG corresponds to the capacitance between the second plate 1M of the measuring capacitor and the protective 1G electrode of the sensor 1. The capacitor 17 with the capacitance C GS corresponds to the capacitance between the shielding 1S and the protective 1G electrodes of the sensor 1. The capacitances of these capacitors are determined by the design of the capacitive sensor 1 and cannot be arbitrarily reduced.

В исходном состоянии схемы, когда импульс с генератора 4 отсутствует, токи базы и коллектора транзистора 5 также отсутствуют, барьерная эмиттерная емкость 12 транзистора 5 разряжена, а диффузионный заряд QF транзистора 5 равен нулю. Емкость 13 обратно смещенного коллекторного перехода транзистора 5 заряжена приблизительно до величины напряжения питания -5 В. В момент возникновения переднего фронта импульса на выходе генератора 4 напряжение эмиттера транзистора 5 скачкообразно поднимается до 5 В, и начинается быстрый заряд измерительного конденсатора 15 датчика 1, а также цепочки конденсаторов 11, 16 и 17. Ток заряда втекает в эмиттерный вывод транзистора 5. В начале заряда измерительного конденсатора, ток заряда протекает через барьерную емкость 12 эмиттерного перехода и заряжает ее. Как только напряжение на этой емкости достигает порогового напряжения кремниевого р-n перехода, примерно равного 0,65 В, ток заряда начинает интенсивно пополнять диффузионную емкость транзистора 5, формируя диффузионный заряд QF в соответствии с уравнением

Figure 00000005
Это уравнение непосредственно получается из уравнения (2) с учетом того, что второй член правой части уравнения (2) за короткое время заряда измерительного конденсатора не успевает оказать сколь-либо значимое влияние на величину диффузионного заряда QF и может быть опущен. Заряд барьерной емкости 12 эмиттерного перехода почти прекращается, поскольку напряжение на эмиттерном переходе остается близким к пороговому и по мере заряда диффузионной емкости почти не изменяется. Ток заряда в этот момент ограничивается, главным образом, объемным сопротивлением базы и нагрузочной способностью выходного каскада генератора 4. За счет наличия конденсатора 8 напряжение на коллекторе транзистора во время зарядного импульса мало меняется. Поэтому, не возникает отрицательная обратная связь через емкость 13 база-коллектор, известная как эффект Миллера. В связи с отсутствием эффекта Миллера, напряжение на коллекторе мало влияет на диффузионный заряд транзистора 5 и не оказывает вредного влияния на чувствительность преобразователя.In the initial state of the circuit, when there is no pulse from the generator 4, the base and collector currents of the transistor 5 are also absent, the barrier emitter capacitance 12 of the transistor 5 is discharged, and the diffusion charge Q F of the transistor 5 is zero. The capacitance 13 of the reverse biased collector junction of the transistor 5 is charged approximately to a supply voltage of -5 V. At the time of the leading edge of the pulse at the output of the generator 4, the voltage of the emitter of the transistor 5 rises to 5 V, and the fast charge of the measuring capacitor 15 of the sensor 1 begins, and chains of capacitors 11, 16 and 17. The charge current flows into the emitter terminal of transistor 5. At the beginning of the charge of the measuring capacitor, the charge current flows through the barrier capacitance 12 of the emitter junction and charges it. As soon as the voltage at this capacitance reaches a threshold voltage of the silicon pn junction, approximately equal to 0.65 V, the charge current begins to intensively replenish the diffusion capacitance of the transistor 5, forming a diffusion charge Q F in accordance with the equation
Figure 00000005
This equation is directly obtained from equation (2), taking into account the fact that the second term on the right-hand side of equation (2) does not have time to exert any significant influence on the diffusion charge Q F in a short charge time of the measuring capacitor and can be omitted. The charge of the barrier capacitance 12 of the emitter junction almost ceases, since the voltage at the emitter junction remains close to the threshold and remains almost unchanged with the charge of the diffusion capacitance. The charge current at this moment is limited mainly by the volume resistance of the base and the load capacity of the output stage of the generator 4. Due to the presence of a capacitor 8, the voltage across the collector of the transistor changes little during the charging pulse. Therefore, there is no negative feedback through the capacitor 13 base-collector, known as the Miller effect. Due to the absence of the Miller effect, the voltage at the collector has little effect on the diffusion charge of the transistor 5 and does not adversely affect the sensitivity of the converter.

Процесс заряда измерительного конденсатора 15 длится менее 2 не и завершается, и напряжение на входной точке 3 достигает примерно +4,35 В, что соответствует пороговому напряжению 0,65 В на переходе эмиттер-база транзистора 5. Ток базы транзистора 5 спадает до нуля. С этого момента и до окончания импульса ток коллектора медленно спадает в соответствии с уравнением (3).The charging process of the measuring capacitor 15 does not last longer than 2 and ends, and the voltage at the input point 3 reaches approximately +4.35 V, which corresponds to a threshold voltage of 0.65 V at the emitter-base of the transistor 5. The base current of the transistor 5 drops to zero. From this moment until the end of the pulse, the collector current slowly drops in accordance with equation (3).

На заднем фронте зарядного импульса напряжение на эмиттере транзистора 5 скачкообразно падает до нуля. База транзистора 5 оказывается под более высоким потенциалом, чем эмиттер. Это приводит к открытию диода 6, быстрому разряду емкости измерительного конденсатора 15, и рассасыванию диффузионного заряда транзистора 5. Вскоре после заднего фронта происходит отсечка коллекторного тока транзистора 5. Ток транзистора 5 остается нулевым до прихода следующего зарядного импульса.At the trailing edge of the charge pulse, the voltage at the emitter of transistor 5 drops abruptly to zero. The base of transistor 5 is at a higher potential than the emitter. This leads to the opening of the diode 6, a rapid discharge of the capacitance of the measuring capacitor 15, and the diffusion charge of the transistor 5 dissolves. Shortly after the trailing edge, the collector current of the transistor 5 is cut off. The current of the transistor 5 remains zero until the next charging pulse arrives.

Процесс разряда измерительного конденсатора завершается тем, что диод 6 закрывается и на входной точке 3 устанавливается положительный потенциал, примерно равный пороговому напряжению +0,65 В.The discharge process of the measuring capacitor is completed by the fact that the diode 6 is closed and a positive potential is established at the input point 3, approximately equal to the threshold voltage of +0.65 V.

При дальнейшем повторении циклов заряда и заряда напряжение на измерительном конденсаторе будет колебаться между значениями примерно 0,65 В и 4,35 В, что соответствует размаху 3,7 В. Импульсный ток коллектора, протекающий по интегрирующей цепочке 7,8, имеет скважность, равную 2. Соответственно, через интервал времени, в несколько раз превышающий постоянную времени RiCi, напряжение на выходной точке 9 стабилизируется. Вольтметр 10 будет показывать напряжение, равное половине произведения сопротивления резистора 7 на средний ток коллектора транзистора 5, протекающий во время зарядного импульса. Как следует из приведенного здесь описания работы преобразователя, указанное напряжение связано с емкостью измерительного конденсатора 15 линейной зависимостью. Данное напряжение является результатом измерения при помощи емкостного датчика 1 и преобразователя емкости согласно заявленному изобретению. Если же пороговое напряжение на переходе эмиттер-база транзистора 5 во время зарядного импульса так и не было достигнуто, транзистор 5 все время остается закрытым и ток коллектора не протекает. На возможность достижения порогового напряжения влияет выходное напряжение генератора 4 и соотношение емкостей 11-16, образующих емкостной делитель напряжения возбуждения, поступающего с выхода генератора 4. Увеличение емкостей 13 и 17 увеличивает напряжение эмиттер-база во время зарядного импульса, и действует эквивалентно увеличению емкости измерительного конденсатора 15. За счет увеличения этих емкостей можно, при необходимости, увеличить напряжение эмиттер-база до порогового уровня, чтобы обеспечить открывание транзистора.With further repetition of the charge and charge cycles, the voltage across the measuring capacitor will fluctuate between approximately 0.65 V and 4.35 V, which corresponds to a magnitude of 3.7 V. The collector pulse current flowing through the integrating circuit of 7.8 has a duty cycle equal to 2. Accordingly, after a time interval several times greater than the time constant R i C i , the voltage at the output point 9 is stabilized. The voltmeter 10 will show a voltage equal to half the product of the resistance of the resistor 7 by the average collector current of the transistor 5, flowing during the charging pulse. As follows from the description of the operation of the Converter, the specified voltage is connected with the capacitance of the measuring capacitor 15 linearly. This voltage is the result of measurement using a capacitive sensor 1 and a capacitance converter according to the claimed invention. If the threshold voltage at the emitter-base junction of transistor 5 during the charging pulse has not been reached, transistor 5 remains closed all the time and the collector current does not flow. The ability to achieve the threshold voltage is affected by the output voltage of the generator 4 and the ratio of capacitances 11-16 forming a capacitive divider of the excitation voltage coming from the output of the generator 4. Increasing the capacitances 13 and 17 increases the emitter-base voltage during the charging pulse, and is equivalent to increasing the measuring capacitance capacitor 15. By increasing these capacitances, you can, if necessary, increase the emitter-base voltage to a threshold level to ensure the opening of the transistor.

Емкости 11, 12, 14 образуют пути прохождения тока заряда измерительного конденсатора в обход диффузионной емкости транзистора 5. Уменьшение этих емкостей действует аналогично увеличению емкостей 13 и 17 и также увеличивает напряжение эмиттер-база во время зарядного импульса. Увеличение емкостей 11, 12, 14 снижает диффузионный заряд. Емкости 12, 13, 14, 16 и 17 задаются конструктивными характеристиками емкостного датчика 1, транзистора 5 и диода 6, и не могут использоваться для регулировки преобразователя. Напротив, емкость нейтрализующего конденсатора переменной емкости 11 может быть выбрана таким образом, чтобы отрегулировать преобразователь и реализовать аналоговое вычитание начальной емкости измерительного конденсатора. Для этого необходимо перед измерением, в отсутствии контролируемого листа 2 в зазоре датчика 1, отрегулировать емкость конденсатора 11 таким образом, чтобы ток коллектора во время зарядного импульса имел минимальное ненулевое значение. Такой регулировке будет соответствовать показание вольтметра 10 в пределах нескольких десятых вольта, используемое в качестве опорного напряжения для дальнейших измерений.Capacities 11, 12, 14 form the paths of the charge current of the measuring capacitor bypassing the diffusion capacitance of transistor 5. The decrease in these capacities acts similarly to the increase in capacitances 13 and 17 and also increases the emitter-base voltage during the charging pulse. The increase in capacities 11, 12, 14 reduces the diffusion charge. Capacities 12, 13, 14, 16 and 17 are determined by the design characteristics of the capacitive sensor 1, transistor 5 and diode 6, and cannot be used to adjust the converter. On the contrary, the capacitance of the neutralizing capacitor of variable capacitance 11 can be selected so as to adjust the converter and realize the analog subtraction of the initial capacitance of the measuring capacitor. For this, before measuring, in the absence of a controlled sheet 2 in the gap of the sensor 1, it is necessary to adjust the capacitance of the capacitor 11 so that the collector current during the charging pulse has a minimum non-zero value. This adjustment will correspond to the reading of the voltmeter 10 within a few tenths of a volt, used as a reference voltage for further measurements.

При вводе листа 2 в зазор датчика 1, емкость измерительного конденсатора увеличится на величину CT, пропорциональную толщине листа. Это, в свою очередь, приведет к увеличению напряжения на выходе преобразователя с нескольких десятых вольта на величину, пропорциональную толщине листа. Результат измерения толщины листа получается в виде разницы показания вольтметра 10 при нахождении листа 2 в зазоре датчика 1, за вычетом определенного ранее опорного напряжения. Этот результат пропорционален толщине листа. Коэффициент пропорциональности, связывающий напряжение в вольтах и толщину листа в микронах, необходимо заранее определить при помощи калибровочного измерения листа заранее известной толщины. Для учета всех допусков в конструкции датчика и отклонений параметров электронных компонентов, калибровочное измерение должно проводиться с использованием того же самого экземпляра датчика и того же самого экземпляра преобразователя.When sheet 2 is inserted into the gap of sensor 1, the capacitance of the measuring capacitor increases by the value of C T proportional to the thickness of the sheet. This, in turn, will lead to an increase in the voltage at the converter output from a few tenths of a volt by an amount proportional to the sheet thickness. The result of measuring the thickness of the sheet is obtained in the form of the difference in the readings of the voltmeter 10 when the sheet 2 is in the gap of the sensor 1, minus the previously determined reference voltage. This result is proportional to the thickness of the sheet. The proportionality coefficient, which relates the voltage in volts and the sheet thickness in microns, must be determined in advance by using a calibration measurement of the sheet of a known thickness. To take into account all the tolerances in the design of the sensor and deviations of the parameters of the electronic components, the calibration measurement should be carried out using the same sensor instance and the same transmitter instance.

Помехозащищенность преобразователя в отношении электрических наводок на вторую пластину 1М измерительного конденсатора обеспечивается синхронным детектированием, осуществляемым транзистором 5 в сочетании с диодом 6. Транзистор 5 попеременно открывается и закрывается строго в фазе с выходным напряжением генератора 4. Коллекторный ток транзистора 5 представляет собой выходной ток синхронного детектора, входом которого является входная точка 3. Выходной ток синхронного детектора далее фильтруется интегрирующей цепочкой, состоящей из резистора 7 и конденсатора 8. Для помех, проникающих на входную точку 3 через вторую пластину 1М измерительного конденсатора, в соответствии с известным свойством синхронного детектора, схема преобразователя ограничивает полосу пропускания величиной

Figure 00000006
Одновременно с этим, быстродействие преобразователя в отношении быстрого изменения емкости ограничивается постоянной времени RiCi. Таким образом, выбор постоянной времени интегрирующей цепочки должен делаться, исходя из необходимого быстродействия датчика, что одновременно определяет и полосу пропускания для внешних помех.The interference immunity of the converter with respect to electrical interference to the second plate 1M of the measuring capacitor is ensured by synchronous detection by transistor 5 in combination with diode 6. Transistor 5 alternately opens and closes strictly in phase with the output voltage of generator 4. The collector current of transistor 5 is the output current of a synchronous detector the input of which is the input point 3. The output current of the synchronous detector is further filtered by an integrating circuit consisting of a resistor 7 and a capacitor 8. For interference penetrating the input point 3 through the second plate 1M of the measuring capacitor, in accordance with the known property of the synchronous detector, the converter circuit limits bandwidth to
Figure 00000006
At the same time, the speed of the converter with respect to the rapid change in capacitance is limited by the time constant R i C i . Thus, the choice of the time constant of the integrating chain should be made based on the required speed of the sensor, which at the same time determines the bandwidth for external interference.

Подавление пульсаций с частотой возбуждения на выходе преобразователя определяется частотой среза фильтра нижних частот, образуемого интегрирующей цепочкой 7, 8, и равной

Figure 00000007
Подавление пульсаций с частотой возбуждения может быть значительно увеличено путем добавления к интегрирующей цепочке 7, 8 дополнительного фильтра низких частот высокого порядка с частотой среза, значительно превышающей
Figure 00000008
Такой фильтр практически не ограничивает быстродействие преобразователя, но существенно подавляет пульсации.The ripple suppression with the excitation frequency at the converter output is determined by the cutoff frequency of the low-pass filter formed by the integrating chain 7, 8, and equal to
Figure 00000007
The ripple suppression with an excitation frequency can be significantly increased by adding an additional high-order low-pass filter to the integrating chain 7, 8 with a cutoff frequency significantly exceeding
Figure 00000008
Such a filter practically does not limit the speed of the converter, but significantly suppresses ripple.

Описанный преобразователь обладает широким динамическим диапазоном и позволяет работать в диапазоне токов коллектора от десятых долей миллиампера до нескольких десятков миллиампер, что соответствует изменению преобразуемой емкости в пределах одного-двух порядков величины. Крутизна преобразования емкости в выходное напряжение, на этом интервале токов, немного изменяется, поскольку время накопления τF, как и время пролета базы, в некоторой степени зависит от тока коллектора. Однако, эта зависимость может быть учтена при калибровке датчика и далее скомпенсирована в ходе вычислительной обработки результатов измерений. Чувствительность описанного преобразователя находится на уровне нескольких сотен аттофарад, то есть нескольких десятитысячных долей начальной емкости измерительного конденсатора. Этот результат достигается как за счет возможности нейтрализации начальной емкости при помощи конденсатора 11, так и за счет широкого динамического диапазона и высокой степени подавления помех с помощью синхронного детектирования. При этом, быстродействие емкостного датчика обеспечивается на уровне нескольких сотен тысяч измерений в секунду, что многократно превышает достижимое быстродействие прототипа.The described converter has a wide dynamic range and allows working in the range of collector currents from tenths of a milliampere to several tens of milliamps, which corresponds to a change in the converted capacitance within one to two orders of magnitude. The steepness of the conversion of the capacitance to the output voltage, in this current interval, varies slightly, since the accumulation time τ F , as well as the time of flight of the base, to some extent depends on the collector current. However, this dependence can be taken into account when calibrating the sensor and then compensated during the computational processing of the measurement results. The sensitivity of the described transducer is at the level of several hundred attofarads, that is, several ten thousandths of the initial capacitance of the measuring capacitor. This result is achieved both due to the ability to neutralize the initial capacitance using a capacitor 11, and due to the wide dynamic range and a high degree of interference suppression using synchronous detection. Moreover, the performance of the capacitive sensor is provided at the level of several hundred thousand measurements per second, which is many times higher than the achievable speed of the prototype.

Описанный преобразователь обладает хорошей температурной стабильностью, что можно объяснить следующим образом. На коллекторный ток транзистора практически не влияет коэффициент передачи тока базы, который обладает сильной зависимостью от температуры. Кроме того, на коллекторный ток почти не влияет экспоненциальная зависимость вида

Figure 00000009
, которая описывает многие процессы в биполярном транзисторе и которая обычно является главной причиной температурной нестабильности схем на полупроводниковых приборах. В описанном преобразователе зависимость тока коллектора транзистора 5 от температуры определяется временем пролета базы транзистора 5, а также барьерными емкостями эмиттера 12, коллектора 13, и емкостью 14 диода 5. Указанные параметры имеют достаточно слабую зависимость от температуры.The described converter has good temperature stability, which can be explained as follows. The collector current of the transistor is practically not affected by the transmission coefficient of the base current, which has a strong temperature dependence. In addition, the exponential dependence of the form is almost not affected by the collector current
Figure 00000009
, which describes many processes in a bipolar transistor and which is usually the main cause of temperature instability of circuits on semiconductor devices. In the described converter, the temperature dependence of the collector current of the transistor 5 is determined by the transit time of the base of the transistor 5, as well as by the barrier capacitances of the emitter 12, collector 13, and the capacitance 14 of diode 5. These parameters have a rather weak temperature dependence.

Так как процесс заряда измерительного конденсатора 15 в описанном преобразователе сопряжен с коротким, но мощным броском тока, то этот бросок тока может создавать сверхвысокочастотные колебания в проводниках, которыми датчик 1 связан с преобразователем. Сверхвысокочастотные колебания могут создавать помехи как для самого преобразователя, так и для иной аппаратуры, расположенной рядом или электрически связанной с преобразователем. Для подавления сверхвысокочастотных колебаний в проводники, связывающие датчик с преобразователем и с заземлением, могут быть введены фильтрующие элементы, такие как проходной ферритовый поглотитель помех либо низкоомный резистор, включенный в разрыв проводника. Параметры фильтрующих элементов необходимо выбирать таким образом, чтобы они не приводили к существенному затягиванию процесса заряда и разряда емкостей датчика 1, поскольку существенное затягивание процесса заряда может нарушить работу преобразователя и исказить результаты измерений.Since the charging process of the measuring capacitor 15 in the described transducer is associated with a short but powerful inrush current, this current surge can create microwave oscillations in the conductors by which the sensor 1 is connected to the transducer. Microwave oscillations can interfere with both the converter itself and other equipment located nearby or electrically connected to the converter. To suppress microwave oscillations, filter elements, such as a pass-through ferrite noise absorber or a low-resistance resistor included in the gap of the conductor, can be introduced into the conductors connecting the sensor to the converter and ground. The parameters of the filtering elements must be selected in such a way that they do not lead to a significant delay of the charge process and discharge of the capacities of the sensor 1, since a significant delay of the charge process can disrupt the operation of the converter and distort the measurement results.

Регулировка емкости конденсатора переменной емкости 11 для нейтрализации начальной емкости измерительного конденсатора 15 перед проведением измерений может производиться автоматизированным образом. Для этого, конденсатор переменной емкости 11 может быть оснащен моторизованным или пьезоэлектрическим приводом, управляемым от встроенной вычислительной системы измерительной установки. Примеры подобных конденсаторов переменной емкости хорошо известны специалистам.Adjusting the capacitance of a variable capacitor 11 to neutralize the initial capacitance of the measuring capacitor 15 before measurements can be performed in an automated manner. For this, a variable capacitor 11 can be equipped with a motorized or piezoelectric drive, controlled from the built-in computing system of the measuring installation. Examples of such variable capacitors are well known in the art.

Описанный преобразователь может использоваться и в многоэлементных емкостных датчиках, содержащих несколько измерительных конденсаторов. Для этого, каждый из измерительных конденсаторов должен быть оснащен индивидуальным преобразователем, подобным описанному здесь. Для всех индивидуальных преобразователей рекомендуется использовать единый генератор или систему синхронизированных генераторов. Например, для всех преобразователей может использоваться общий задающий генератор, а вместо генератора 4 зарядных импульсов в каждом из преобразователей может применяться повторитель напряжения задающего генератора. За счет синхронной работы всех преобразователей на одной частоте исключаются взаимные помехи в виде биений, которые были бы неизбежны при использовании несинхронизованных генераторов 4 для каждого из преобразователей.The described Converter can be used in multi-element capacitive sensors containing several measuring capacitors. For this, each of the measuring capacitors must be equipped with an individual transducer, similar to that described here. For all individual converters it is recommended to use a single generator or a system of synchronized generators. For example, a common master oscillator can be used for all converters, and instead of a generator of 4 charge pulses, a voltage follower of the master oscillator can be used in each of the converters. Due to the synchronous operation of all converters at the same frequency, mutual interference in the form of beats is eliminated, which would be inevitable when using non-synchronized generators 4 for each of the converters.

Особое преимущество достигается при использовании синхронизированных преобразователей описанного типа совместно с многоэлементным емкостным датчиком, в котором вторые пластины всех измерительных конденсаторов расположены на одной и той же плоскости вплотную друг к другу. Так как синхронизированные преобразователи описанного типа прикладывают ко вторым пластинам измерительных конденсаторов практически одинаковый потенциал, то электрическое поле этих пластин является однородным и направлено по нормали к плоскости расположения пластин. Однородное поле в зазоре многоэлементного датчика делает такой датчик практически нечувствительным к месту расположения тонкого материала в зазоре. Это обусловлено тем, что на материал, при любом его положении в зазоре, действует поле одной и той же величины и направления напряженности, что вызывает одну и ту же поляризацию молекул материала. Указанное здесь преимущество является существенным при построении многоэлементных емкостных датчиков толщины листового материала, применяемых для выявления неоднородностей листа.A particular advantage is achieved when using synchronized converters of the described type together with a multi-element capacitive sensor, in which the second plates of all the measuring capacitors are located on the same plane close to each other. Since the synchronized converters of the described type apply almost the same potential to the second plates of the measuring capacitors, the electric field of these plates is uniform and directed along the normal to the plane of the plates. The uniform field in the gap of the multi-element sensor makes such a sensor practically insensitive to the location of the thin material in the gap. This is due to the fact that a material of any position in the gap is affected by a field of the same magnitude and direction of tension, which causes the same polarization of the material’s molecules. The advantage indicated here is significant in the construction of multi-element capacitive sensors for the thickness of the sheet material used to detect inhomogeneities of the sheet.

Благодаря простоте схемного решения и минимальному количеству требуемых пассивных элементов, преобразователь согласно заявленному изобретению может быть также реализован в составе интегральной микросхемы, выполненной по смешанной технологии биполярных и комплементарных полевых транзисторов, известной как БиКМОП (BiCMOS). Реализация многих преобразователей в составе одной интегральной микросхемы позволяет создавать многоэлементные емкостные датчики для контроля плоских материалов, обладающие большим количеством измерительных конденсаторов и обеспечивающие, за счет этого, высокое пространственное разрешение. Это открывает возможность для картирования толщины и диэлектрической проницаемости плоских материалов с высоким пространственным разрешением, приближающимся к разрешению, обеспечиваемому оптическими методами.Due to the simplicity of the circuit solution and the minimum number of passive elements required, the converter according to the claimed invention can also be implemented as part of an integrated circuit made using a mixed technology of bipolar and complementary field-effect transistors, known as BiCMOS. The implementation of many converters as part of a single integrated circuit allows you to create multi-element capacitive sensors for monitoring flat materials, having a large number of measuring capacitors and providing, due to this, high spatial resolution. This opens up the possibility for mapping the thickness and dielectric constant of flat materials with high spatial resolution, approaching the resolution provided by optical methods.

Claims (18)

1. Преобразователь электрической емкости для емкостного датчика, в котором первая пластина измерительного конденсатора связана с постоянным потенциалом, при этом преобразователь электрической емкости содержит входную точку для подключения второй пластины упомянутого измерительного конденсатора емкостного датчика,1. An electric capacitance converter for a capacitive sensor, in which the first plate of the measuring capacitor is connected with a constant potential, while the electric capacitance converter contains an input point for connecting a second plate of said capacitive sensor measuring capacitor, генератор зарядных импульсов, генерирующий повторяющиеся зарядные импульсы прямоугольной формы,charge pulse generator, generating repeating rectangular charge pulses, разрядную схему, подключенную к упомянутой входной точке и выполненную с возможностью обеспечения стекания заряда из входной точки во время отсутствия зарядного импульса,a bit circuit connected to said input point and configured to allow charge to drain from the input point during the absence of a charging pulse, формирователь выходного сигнала преобразователя,converter output signal shaper, биполярный транзистор, эмиттер которого связан с выходом генератора зарядных импульсов, база которого связана с входной точкой преобразователя, а коллектор связан с формирователем выходного сигнала, при этом формирователь выходного сигнала выполнен с возможностью формирования выходного сигнала преобразователя в зависимости от коллекторного тока биполярного транзистора.a bipolar transistor, the emitter of which is connected to the output of the charge pulse generator, the base of which is connected to the input point of the converter, and the collector is connected to the driver of the output signal, while the output driver is configured to generate the output signal of the converter depending on the collector current of the bipolar transistor. 2. Преобразователь по п. 1, в котором разрядная схема представляет собой полупроводниковый диод, включенный между эмиттером и базой биполярного транзистора и имеющий полярность, противоположную полярности эмиттерного перехода биполярного транзистора.2. The Converter according to claim 1, in which the discharge circuit is a semiconductor diode connected between the emitter and the base of the bipolar transistor and having a polarity opposite to the polarity of the emitter junction of the bipolar transistor. 3. Преобразователь по п. 1, в котором разрядная схема представляет собой полупроводниковый ключ,3. The Converter according to claim 1, in which the discharge circuit is a semiconductor switch, соединяющий между собой входную точку и линию постоянного потенциала, равного выходному потенциалу генератора зарядных импульсов при отсутствии импульса,connecting the input point and the line of constant potential, equal to the output potential of the generator of charge pulses in the absence of a pulse, управляющий вход которого подсоединен к выходу генератора зарядных импульсов,the control input of which is connected to the output of the charge pulse generator, и выполненный с возможностью соединения при отсутствии импульса на управляющем входе.and made with the possibility of connection in the absence of a pulse at the control input. 4. Преобразователь по п. 2, в котором генератор зарядных импульсов выполнен с возможностью обеспечения непостоянного периода импульсов, изменяющегося в соответствии с псевдослучайной последовательностью.4. The Converter according to claim 2, in which the generator of charge pulses is configured to provide an unstable period of pulses, changing in accordance with a pseudo-random sequence. 5. Преобразователь по п. 2, в котором формирователь выходного сигнала преобразователя содержит интегрирующее звено.5. The Converter according to claim 2, in which the driver of the output signal of the Converter contains an integrating element. 6. Преобразователь по п. 5, в котором интегрирующее звено реализовано в виде параллельной RC-цепочки, подключенной к коллектору транзистора и к постоянному потенциалу, причем коллектор транзистора используется в качестве выходной точки преобразователя.6. The converter according to claim 5, in which the integrating element is implemented in the form of a parallel RC circuit connected to the collector of the transistor and to a constant potential, the collector of the transistor being used as the output point of the converter. 7. Преобразователь по п. 6, в котором дополнительно реализована емкостная связь между входной точкой, с одной стороны, и выходом генератора зарядных импульсов, с другой стороны,7. The Converter according to claim 6, which additionally implements capacitive coupling between the input point, on the one hand, and the output of the charge pulse generator, on the other hand, а параметры емкостной связи выбраны таким образом, чтобы обеспечить по меньшей мере частичную нейтрализацию выходного сигнала преобразователя, обусловленного начальной емкостью измерительного конденсатора емкостного датчика.and the capacitive coupling parameters are selected so as to provide at least partial neutralization of the output signal of the converter, due to the initial capacitance of the measuring capacitor of the capacitive sensor. 8. Преобразователь по п. 7, в котором дополнительно обеспечена возможность подключения экранирующего электрода емкостного датчика к линии постоянного потенциала, и8. The Converter according to claim 7, which further provides the ability to connect the shielding electrode of the capacitive sensor to the constant potential line, and дополнительно обеспечена возможность подключения защитного электрода емкостного датчика через конденсатор к выходу генератора зарядных импульсов,In addition, it is possible to connect the protective electrode of the capacitive sensor through the capacitor to the output of the charge pulse generator, а емкость упомянутого конденсатора выбрана таким образом, чтобы обеспечивать по меньшей мере частичную нейтрализацию выходного сигнала преобразователя, обусловленного начальной емкостью измерительного конденсатора емкостного датчика.and the capacitance of said capacitor is selected so as to provide at least partial neutralization of the output signal of the converter, due to the initial capacitance of the measuring capacitor of the capacitive sensor.
RU2019138591A 2019-11-28 2019-11-28 Electric capacity converter for capacitance sensor RU2724299C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138591A RU2724299C1 (en) 2019-11-28 2019-11-28 Electric capacity converter for capacitance sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019138591A RU2724299C1 (en) 2019-11-28 2019-11-28 Electric capacity converter for capacitance sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724299C1 true RU2724299C1 (en) 2020-06-22

Family

ID=71135858

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019138591A RU2724299C1 (en) 2019-11-28 2019-11-28 Electric capacity converter for capacitance sensor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724299C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU684733A1 (en) * 1974-01-11 1979-09-05 Научно-Исследовательский Институт Теплоэнергетического Приборостроения "Теплоприбор" Converter of capacitor capacitance value into time-related voltage interval
SU1553922A1 (en) * 1987-11-27 1990-03-30 Предприятие П/Я В-8657 Digital converter of electric capacitance
SU1711094A1 (en) * 1989-11-21 1992-02-07 Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов Converter of pickup capacity
DE19833210A1 (en) * 1998-07-23 2000-02-17 Siemens Ag Amplifier circuit arrangement for capacitance measurements e.g. in finger print sensor
RU2206887C2 (en) * 2001-06-26 2003-06-20 Егоров Юрий Валентинович Measuring converter for capacitive pickup
US7777501B2 (en) * 2005-06-03 2010-08-17 Synaptics Incorporated Methods and systems for sigma delta capacitance measuring using shared component
WO2016062824A1 (en) * 2014-10-22 2016-04-28 Iee International Electronics & Engineering S.A. Low-cost complex impedance measurement circuit for guardsense capacitive sensors operated in loading mode

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU684733A1 (en) * 1974-01-11 1979-09-05 Научно-Исследовательский Институт Теплоэнергетического Приборостроения "Теплоприбор" Converter of capacitor capacitance value into time-related voltage interval
SU1553922A1 (en) * 1987-11-27 1990-03-30 Предприятие П/Я В-8657 Digital converter of electric capacitance
SU1711094A1 (en) * 1989-11-21 1992-02-07 Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов Converter of pickup capacity
DE19833210A1 (en) * 1998-07-23 2000-02-17 Siemens Ag Amplifier circuit arrangement for capacitance measurements e.g. in finger print sensor
RU2206887C2 (en) * 2001-06-26 2003-06-20 Егоров Юрий Валентинович Measuring converter for capacitive pickup
US7777501B2 (en) * 2005-06-03 2010-08-17 Synaptics Incorporated Methods and systems for sigma delta capacitance measuring using shared component
WO2016062824A1 (en) * 2014-10-22 2016-04-28 Iee International Electronics & Engineering S.A. Low-cost complex impedance measurement circuit for guardsense capacitive sensors operated in loading mode

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6366099B1 (en) Differential capacitance sampler
US6194903B1 (en) Circuit for acquisition of the capacitance or capacitance change of a capacitive circuit element or component
US8054089B2 (en) Capacitance measuring circuit
US8836350B2 (en) Capacitive touch sensing using an internal capacitor of an analog-to-digital converter (ADC) and a voltage reference
Mego Improved feedback charge method for quasistatic CV measurements in semiconductors
KR101719852B1 (en) Digital Charge Amplifier and Method for Converting Charge Signals into Digital Signals
US20040004488A1 (en) Capacitive sensor circuit with good noise rejection
US20130314109A1 (en) Multi-functional capacitance sensing circuit with a current conveyor
EP1219967A1 (en) Impedance detector circuit, impedance detector and method of impedance detection
US6307385B1 (en) Capacitance measuring circuit for a capacitive sensor
US6486680B1 (en) Edge detector
US20010008478A1 (en) Linear capacitance measurement circuit
US7385439B2 (en) Analog switch having a minimized external flow of leakage current and switched capacitor filter incorporating the analog switch
US6639414B2 (en) Circuit for measuring changes in capacitor gap using a switched capacitor technique
KR20020065631A (en) Method and apparatus for active isolation in inductive loop detectors
US9645193B2 (en) Impedance source ranging apparatus and method
Toth et al. A very accurate measurement system for multielectrode capacitive sensors
EP2799891A1 (en) Sensor circuit arrangement
JPH0627074A (en) Fuel sensor system
RU2724299C1 (en) Electric capacity converter for capacitance sensor
US20230275583A1 (en) Touch or proximity sensing system and method
JPH056544Y2 (en)
CA2784085A1 (en) Capacitive measuring circuit insensitive to high-frequency interference
RU2693647C1 (en) Integrating analog-to-digital converter for measuring small electrical signals
US20100225334A1 (en) Liquid concentration sensor