Brevet FR2820506A1 — publié le 20020809

La présente invention concerne, d'une manière générale, la mesure d'une capacité de condensateur et, en particulier, la mesure d'une capacité de condensateur par la fourniture de paquets de charges de valeur connue à un condensateur de valeur inconnue jusqu'à ce qu'une tension finale soit déterminée, puis par le calcul de la capacité à partir de la charge totale connue et de la tension mesurée. La mesure d'une capacité est une caractéristique importante d'instruments de mesure, tels que des multimètres numériques. Les brevets américains n 5 073 557 et n 5 136 251 tous deux cédés à la Société Fluke Corporation décrivent des procédés pour mesurer des capacités faibles et importantes dans lesquels on laisse se charger complètement un condensateur de valeur inconnue jusqu'à une tension de référence en fonction de son RC, tandis que simultanément un courant proportionnel au courant de charge est accumulé dans le condensateur de mémorisation d'un convertisseur analogique/numérique (ADC) avec intégration à double rampe. Des condensateurs de faible capacité peuvent se charger complètement en un seul cycle d'intégration de l'ADC, tandis que des condensateurs de forte capacité nécessitent plusieurs cycles d'intégration pour un chargement complet. Dans les deux cas, la charge proportionnelle emmagasinée dans le condensateur de mémorisation de l'ADC à intégration est éliminée au cours de cycles de "désintégration" pendant des périodes de temps définies par l'importance de la charge emmagasinée, et le temps est mesuré pour fournir une indication de la valeur de la capacité. Ces techniques de mesure de capacité de l'art antérieur ne sont pas satisfaisantes en raison de temps de mesure excessivement longs dus à la nécessité d'attendre que le condensateur de valeur inconnue se charge complètement, ce qui a conduit au développement du système de mesure de capacité décrit dans la demande de brevet américain nO 09/267 504 en cours déposée le 12 mars 1999 et dans laquelle une source de courant constant est utilisée pour générer une tension en rampe linéaire aux bornes du condensateur mesuré. Ceci permet de mesurer une tension différentielle (AV) et un temps différentiel (AT) et de calculer la capacité à partir du rapport de ceux-ci. Bien que ce système ait permis d'améliorer à la fois la vitesse et la précision de la mesure pour une large gamme de condensateurs, il s'agit d'un processus relativement lent qui fait appel à un convertisseur analogique/numérique à rampes multiples complexe pour réunir les paramètres requis. Un problème posé par ces procédés de l'art antérieur réside en ce que, comme la valeur du condensateur est inconnue, des efforts considérables sont consacrés à la recherche de la plage appropriée pour laquelle des mesures peuvent être effectuées. De plus, en particulier à proximité de l'extrémité inférieure d'une plage donnée, des distorsions des valeurs de capacité sont susceptibles de se produire du fait d'une compression de résolution. La présente invention a précisément pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur et de proposer un procédé et un appareil de mesure de capacité de condensateur dans lesquels des paquets de charges de valeur connue sont délivrés à un condensateur de valeur inconnue jusqu'à ce qu'une tension finale soit déterminée, la capacité étant calculée à partir de la charge totale connue et de la tension mesurée. Pour atteindre ce but et selon l'un des aspects de la présente invention, il est proposé un procédé pour mesurer une capacité de condensateur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: décharger au moins partiellement un condensateur et mesurer la tension aux bornes de celui-ci afin d'obtenir une tension initiale; délivrer un ou plusieurs paquets de charges prédéterminés afin d'accumuler une charge totale dans le condensateur, pour ainsi générer aux bornes de celui-ci une tension finale supérieure à une tension minimum prédéterminée; et calculer la capacité en soustrayant la tension initiale de la tension finale pour obtenir une tension différentielle et en divisant la charge totale accumulée dans le condensateur par la tension différentielle. Le procédé de l'invention peut comprendre également l'étape qui consiste à sélectionner un niveau de courant et un intervalle de temps pour fournir un paquet de charge minimum prédéterminé. Ce qui précède, ainsi que d'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention, ressortira plus clairement de la description détaillée suivante d'un mode de réalisation préféré, donnée à titre d'exemple nullement limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est un diagramme montrant les relations courant/tension fondamentales associées à un condensateur, pour aider à comprendre la présente invention; la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un système de mesure de capacité selon la présente invention; la figure 3 est une représentation schématique d'une source de courant constant programmable adaptée pour être utilisée dans le système représenté sur la figure 2; et la figure 4 est un organigramme montrant le déroulement du programme de fonctionnement du système de la figure 2. La figure 1 est proposée pour aider à comprendre les principes de la présente invention et montre les relations courant/tension fondamentales associées à un condensateur. Dans les manuels, la définition de la capacité est donnée par la relation tension/courant i = C de/dt à partir de laquelle la tension du condensateur peut être définie comme e(t)= Jidt. Ceci permet de comprendre le concept bien connu selon lequel si le courant délivré à un condensateur est constant, la tension varie de manière linéaire au fur et à mesure que le condensateur intègre le courant constant. Ceci est visible sur la figure 1 o un courant constant i délivré pendant un intervalle de temps AT se traduit par une tension en rampe AV. De plus, l'intégrale du courant pendant n'importe quel intervalle de temps représente la charge Q accumulée dans le condensateur, soit Q = fi. Ainsi, on peut dire que la zone délimitée par la torme d'onde du courant sur la figure 1 est égale à la charge Q. Finalement, étant donné que Q = CV, on peut voir que si la charge Q accumulée et la tension AV aux bornes du condensateur sont connues, il est possible de calculer la valeur de la capacité C. La figure 2 est un schéma fonctionnel d'un système de mesure de capacité selon la présente invention, destiné à mesurer la valeur de la capacité d'un condensateur 10 relié à une borne d'entrée 12. Une source de courant constant programmable 14, un commutateur de décharge 16, un comparateur 18 et un convertisseur analogique/numérique (ADC) 20 sont également reliés à la borne d'entrée 12. Un microprocesseur (4P) 24 comprenant une mémoire associée 26 et un dispositif d'affichage 28 est relié de manière fonctionnelle à tous ces dispositifs. Bien que tous les éléments du circuit représenté sur la figure 2 soient bien connus de l'homme de l'art, une explication plus détaillée de la source de courant constant programmable 14 peut être utile pour permettre de bien comprendre son rôle. Une façon de considérer la source de courant constant programmable 14 est d'estimer qu'il s'agit en fait d'un générateur de paquets de charges, car elle délivre au condensateur 10 une quantité de courant constant (i) pendant un intervalle de temps spécifié (dt). Une source de courant constant programmable adaptée est représentée en détail sur la figure 3. Sur cette figure, on peut voir plusieurs générateurs de courant constant 30A, B, 30C,..., 30n qui génèrent chacun une valeur connue ou prédéterminée différente de courant constant. Ces valeurs peuvent augmenter selon n'importe quelle séquence souhaitée, telle qu'une séquence binaire, par exemple, un microampère (jA), 2 uA, 4 tA, 8 iA, etc., ou n'importe quelle autre séquence, par exemple, 1 gA, 2 pA, 5 pA, 10 jA, etc., selon le système particulier et les intervalles de temps appropriés disponibles qui peuvent être utilisés. Une porte ET 32A, 32B, 32C,... 32n correspondante est reliée à chacun des générateurs de courant constant 30A, 30B, 30C,..., 30n. L'une des entrées de chacune des portes ET 32A-32n provient d'un sélecteur 34 du type "un de n", qui, de manière appropriée, peut être un compteur d'adresse et qui est destiné à sélectionner l'un des générateurs de courant constant 30A-30n. L'autre entrée de chacune des portes ET 32A-32n provient d'un générateur de largeur d'impulsion 36 apte à être sélectionné qui, lorsqu'il est activé, fournit une impulsion de largeur sélectionnée ou prédéterminée pour déclencher le générateur de courant constant sélectionné pendant un intervalle de temps précis connu. Les entrées du sélecteur "un de n" 34 et du générateur de largeur d'impulsion 36 sont fournies par le microprocesseur 24. Ainsi, on peut se rendre compte que pour envoyer un paquet de charge q0 au condensateur 10, le microprocesseur 24 détermine quel générateur de courant sera déclenché et pendant quel intervalle de temps pour fournir la valeur souhaitée q = idt comme sortie de la source de courant constant programmable 14. Le fonctionnement du système de la figure 2 pour déterminer la valeur de la capacité du condensateur 10 va maintenant être décrit en référence au programme de la figure 4. A l'étape 40, le microprocesseur 24 initialise le système. L'entrée positive (+) du comparateur 18 est réglée sur une tension légèrement supérieure à zéro volt par l'application de VREF(0) et le commutateur de décharge 16 est fermé. Toute la tension présente dans le condensateur 10 est alors déchargée par l'intermédiaire du commutateur 16. A l'étape 42, le microprocesseur 24 vérifie si le condensateur 10 est déchargé en contrôlant la sortie du comparateur 18. Si la tension du condensateur est inférieure au seuil fixé au cours de l'étape 40, la sortie du comparateur 18 sera haute, ce qui signalera au microprocesseur 24 que la tension du condensateur est inférieure à VREF(O). Le commutateur de décharge 16 est alors ouvert. Il convient de signaler que le comparateur 18 est utilisé ici comme dispositif de contrôle de tension pour contrôler la tension du condensateur par rapport à des tensions de seuil. Comme l'aura compris l'homme de l'art, le comparateur peut être remplacé par un ADC à grande vitesse et les niveaux de seuil de tension peuvent être définis dans le matériel ou le logiciel associé au microprocesseur 24. A l'étape 44, la tension Vc(O) aux bornes du condensateur 10 est mesurée par l'ADC 20 et stockée dans la mémoire 26. Le temps de lecture réel peut être ajusté pour tenir compte des effets d'une absorption diélectrique qui pourrait entraîner une légère augmentation de la tension du condensateur, lorsqu'une faible quantité de charge est redistribuée au sein de la partie physique du condensateur. Dans ce cas, le commutateur 16 doit être fermé à nouveau pendant une courte période de temps pour éliminer la charge résiduelle, puis réouvert afin de permettre la lecture d'une nouvelle tension Vc(0O). Là encore, si le comparateur 18 est remplacé par un ADC à grande vitesse, ce dernier peut remplir une double fonction, ce qui permet de remplacer à la fois le comparateur 18 et l'ADC 20 par un seul ADC à grande vitesse. Le programme peut indiquer que le seuil a été atteint, et la lecture effectuée par l'ADC est mémorisée. A l'étape 46, le microprocesseur 24 choisit la plus faible valeur de paquet de charge disponible q0 en sélectionnant la combinaison de niveau de courant/intervalle de temps appropriée de la source de courant constant programmable 14, et règle le comparateur 18 pour qu'il se déclenche à une tension VREF légèrement inférieure à la moitié de la spécification d'entrée maximale de l'ADC 20. A l'étape 48, le microprocesseur 24 dirige un courant de la source de courant programmable 14 vers le condensateur 10 pendant un intervalle de temps connu pour placer un paquet de charge q0 dans le condensateur, tout en contrôlant la sortie du comparateur de tension 18. A l'étape 50, si le comparateur de tension 18 ne se déclenche pas, cela signifie que le paquet de charge délivré au condensateur 10 n'était pas suffisant pour générer une tension atteignant le niveau de déclenchement fixé au cours de l'étape 46. Si le comparateur de tension 18 se déclenche, cela signifie que la charge délivrée au condensateur 10 a généré une tension égale ou supérieure au niveau de déclenchement fixé au cours de l'étape 46. A l'étape 52, si le comparateur de tension 18 ne se déclenche pas après la fourniture d'une charge q0, l'étape 48 est répétée afin que le condensateur reçoive une charge Q = q0 + q0- Si le nouveau paquet de charge délivré au condensateur 10 est encore insuffisant pour générer une tension qui atteigne le niveau de déclenchement, le microprocesseur 24 sélectionne une combinaison de niveau de courant/intervalle de temps pour fournir un nouveau paquet de charge q1 = 2q0 et dirige ce paquet de charge vers le condensateur 10. Les étapes 48, 50 et 52 sont répétées jusqu'à ce que la charge Q totale du condensateur 10 génère une tension propre à déclencher le comparateur 18, ce qui indique que la tension générée par le condensateur 10 se situe quelque part entre la moitié et le maximum de la fenêtre de fonctionnement spécifiée de l'ADC 20. Le microprocesseur 24 conserve la trace des paquets de charges délivrés au condensateur 10, et la charge Q totale est stockée dans la mémoire 26. Si le comparateur 18 ne se déclenche pas au bout d'une période de temps prédéterminée permettant d'effectuer plusieurs tentatives afin de trouver une combinaison de niveau de courant/intervalle de temps propre à générer une tension suffisante pour déclencher le comparateur 18, le test s'achève car cela signifie que, pour une raison ou une autre, le condensateur n'accepte pas de charge. A l'étape 54, après le déclenchement du comparateur 18, le microprocesseur 24 active alors l'ADC 20 pour mesurer la tension finale Vc() du condensateur 10. Une seconde mesure peut être effectuée peu de temps après pour vérifier que la tension finale VC(F) est identique à la première mesurée, car si elle était légèrement inférieure, cela indiquerait un condensateur comportant des pertes dans lequel une faible quantité de charge a fui. A l'étape 56, la capacité est calculée par le microprocesseur 24 conformément à l'équation suivante: N ^vI C = QT n AV V^f.-V^ " dans le cas o qn = q0 + q1 + q2 +...+q-. Il est en outre possible de montrer que pour une séquence binaire comme celle décrite ciaprès, QT = q02( N-1),q0 représentant le paquet de charge minimum et N le nombre de cycles de charge pour que le comparateur 18 indique que le niveau de déclenchement fixé au cours de l'étape 46 a été dépassé. On peut voir dans le tableau suivant que la charge Q totale du condensateur 10 augmente selon une séquence binaire: Cycle de charge 1 2 3 4 5 6, etc. Quantité de chargeqo qo 2qo 4qo 8qO 16qo... Charge Q totale qo 2qO 4qO 8qO 16qo 32qo Cette séquence de charge permet de déterminer très rapidement les capacités de condensateurs ayant une large plage de valeurs de capacité, par exemple huit décades de valeurs, sans avoir à rechercher la plage de capacité appropriée. De même, étant donné que le condensateur se charge en une série de paliers allant d'une tension presque nulle à une tension se situant dans la moitié supérieure de la fenêtre de fonctionnement de l'ADC, c'est-à-dire entre la moitié de la valeur maximum et la valeur maximum de celui-ci, la résolution de mesure est constante sur toute la plage de mesure. Il n'existe pas de compression de résolution à l'une ou l'autre extrémité de la plage de mesure. La plage dynamique de la technique décrite ici est limitée uniquement par les niveaux de courant et les intervalles de temps utilisés pour créer les paquets de charges et est, par conséquent, fonction des capacités du générateur de courant programmable 14. Par exemple, en supposant que l'ADC 20 calcule AV = 1,00 volt à partir de mesures de tensions initiale et finale, pour Qmin = q0 = 0,5gA X 200psec = 100 pCoulombs, une capacité de 100 pF peut être mesurée. D'autre part, une capacité de condensateur de 10000 gF peut être mesurée en approximativement 5 secondes à l'aide d'une source de courant de 1 mA. Ceci représente une plage de valeurs de capacité de huit décades (de pF à 10000 gF) ou, si une résolution à trois chiffres est requise, des plages de six décades couvertes. On peut donc se rendre compte que le procédé décrit ici comporte automatiquement un autocalibrage pour les mesures de capacité, ce qui évite d'avoir à recourir à des programmes et techniques de recherche de plages. Etant donné que les condensateurs sont chargés à partir d'une valeur de tension initiale jusqu'à une valeur de l tension finale et que leur valeur de capacité est déterminée à partir de leur charge totale, une compression de résolution des valeurs au niveau de l'extrémité inférieure des plages de capacité est évitée, ce qui représente un perfectionnement sensible par rapport à l'art antérieur. De même, une compression des valeurs au niveau de l'extrémité supérieure d'une courbe de constante de temps RC est évitée. En outre, des condensateurs défectueux présentant des problèmes d'absorption diélectrique ou des condensateurs présentant des pertes peuvent être détectés. Bien que la description précédente ait porté sur un mode de réalisation préféré de la présente invention, celle-ci n'est bien entendu pas limitée à l'exemple particulier décrit et illustré ici, et l'homme de l'art comprendra aisément qu'il est possible d'y apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. A titre d'exemple, le comparateur de tension 18 peut être remplacé par un ADC à grande vitesse pour déterminer la tension initiale et la tension finale. REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer une capacité de condensateur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui consistent à: décharger (40) au moins partiellement un condensateur et mesurer la tension aux bornes de celuici afin d'obtenir une tension initiale; délivrer (48) un ou plusieurs paquets de charges prédéterminés afin d'accumuler une charge totale dans le condensateur, pour ainsi générer aux bornes de celui-ci une tension finale supérieure à une tension minimum prédéterminée; et calculer (56) la capacité en soustrayant la tension initiale de la tension finale afin d'obtenir une tension différentielle et en divisant la charge totale accumulée dans le condensateur par la tension différentielle. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend également l'étape qui consiste à sélectionner (46) un niveau de courant et un intervalle de temps pour fournir un paquet de charge minimum prédétermine.