Устройство для измерения отклонения емкости от номинала
DEVICE FOR MEASURING CAPACITANCE VARIATIONS FROM THE NOMINAL VALUE

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в системах контроля и разбраковки электрических конденсаторов, в системах сбора данных с емкостных датчиков в технологических устройствах, а также в медицинской практике.
Известны устройства для измерения отклонения емкости от номинала, использующие аналого-цифровые преобразователи с сигма-дельта модуляцией [Михаль Брихт. Преобразователи емкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора // Компоненты и технологии. №1. 2006. С. 34-36], содержащие интегратор, к входу которого подключены опорная емкость, другой вывод которой подключен к источнику опорного напряжения и измеряемая емкость, другой вывод которой подключен к источнику возбуждения, выход интегратора подключен к входу аналогового компаратора, выход которого через цепь обратной связи соединен с формирователем уравновешивающих зарядов опорной емкости.
Недостатком устройств является сложность схемотехнического решения. Серийные микросхемы, построенные на этом принципе [AD7745-46 // Data_Sheet/214550359], помимо сравнительно высокой стоимости, имеют ограниченное значение измеряемых номинальных емкостей (стандартное значение 50 пФ) с максимальным абсолютным отклонением до 17 пФ.
Известно устройство для измерения относительного отклонения емкости от номинала, основанное на промежуточном преобразовании емкость-время [Single-chip Solution for Capacitance Measurement PCap02A. March 13, 2013, Сысоева С. Инновационные микросхемы Asic Picocap от компании Acam: время-цифровые емкостные преобразователи // Компоненты и технологии №7, 2014; Троицкий Ю. Преобразователи емкость-код с промежуточным времяимпульсным преобразованием // Компоненты и технологии №7, 2014], содержащие два преобразователя емкость-время, выход каждого из которых соединен с входом преобразователя время-код.
Недостатком устройства является сложность обеспечения сочетания требуемой точности измерения и требуемого быстродействия преобразователя время-код.
Так, например, для обеспечения измерения максимальной разности (отношения) двух емкостей в пределах 1% с разрешением 0,1% с временем измерения 1 мс потребуется преобразователь время-код, работающий на частоте не менее 256 МГц. Для обеспечения высокого быстродействия преобразования емкость-время-код в серийной микросхеме PCap01 [PCap01 Single-chip Solution for Capacitance Measurement with Standart Firmware 03.01.02. July 15, 2013] используются достаточно сложные схемотехнические решения, обеспечивающие работу преобразователя время-код в пикосекундном диапазоне. Кроме того, следует учесть затраты на программное вычисление результата измерения по полученным двум отсчетам.
Известно устройство для измерения относительного отклонения емкости от номинала, основанные на промежуточном преобразовании емкость-напряжение [CAV424 - C/U transducer IC with adjustable output voltage. Analog Microelectronics GmbH], содержащие два интегратора на базе двух источников тока, подключенных к измеряемой и образцовой емкости, опорного генератора синхронизирующего работу интеграторов, схему вычитания напряжений с выходов интеграторов и фильтр низких частот, к выходу которого может подключаться аналого-цифровой преобразователь.
Недостатком устройства является необходимость подключения большого количества внешних элементов, влияющих на точность преобразования.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство логометрического преобразователя емкость-напряжение-код [Троицкий Ю.В. Аналого-цифровые преобразователи емкость-время-код и емкость-напряжение-код // Ремонт и сервис: №7, 2013 г., с. 57-60], содержащее микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами заряда и разряда измеряемой емкости, источник тока и резистор, подключенный к входу опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя.
Недостатками устройства являются:
- невозможность непосредственного сравнения измеряемой емкости с эталонной емкостью;
- нелинейная зависимость результата преобразования от измеряемого значения емкости;
- зависимость от нестабильности сформированного временного интервала заряда емкости;
- зависимость от нестабильности величины резистора, подключенного к входу опорного напряжения.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в обеспечении непосредственного измерения относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной и в повышении точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами заряда и разряда измеряемой емкости и источник тока заряда, последовательно с измеряемой емкостью включается дополнительная эталонная емкость, выводы которой через буферный усилитель подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя, а выводы измеряемой емкости подключаются к входам его опорного напряжения.
Сущность изобретения поясняется функциональной схемой, представленной на фиг. 1.
у
Устройство содержит микроконтроллер 1 (MC с встроенными аналого-цифровым преобразователем 2 (ADC) и двумя программируемыми таймерами 3 (T1) и 4 (T2), управляющими ключами заряда 5 (SW1) и разряда 6 (SW2) измеряемой емкости 7 (Cx) и эталонной емкости 9 (Co), источником тока 8 (I)). Выводы эталонной емкости 9 через буферный усилитель 10 (DA) с коэффициентом усиления k подключены к входу аналого-цифрового преобразователя 2, а выводы измеряемой емкости 7 подключены к входам его опорного напряжения (Uref+, Uref-).
0
х
0
0
х
Устройство работает следующим образом. В исходном положении эталонная 9 (C) и измеряемая 7 (С) емкости разряжены через замкнутый ключ 6 (SW2). При размыкании ключа 6 (SW2) и замыкании ключа 5 (SW1) на время t, задаваемое таймером T1 (3), происходит заряд емкостей С и С током I от источника тока (8) до уровней
in
ref
ref
ref
Полученный сигнал U подается на входы буферного усилителя (10), а сигнал U, снимаемый с измеряемой емкости, подается на входы опорного напряжения (U+, U-) аналого-цифрового преобразователя (2).
1
0
х
При замыкании ключа 6 (SW2) и размыкании ключа 5 (SW1) на время t, задаваемое таймером T2 (4), происходит разряд емкостей С и С и возвращение устройства исходное состояние.
in
ref
В основу преобразования положен логометрический [ratiometric] метод [АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autexspb.da.ru, стр. 7…13], который обеспечивает результат преобразования кратный отношению U/U
max
max
n
где N - результат преобразования АЦП, N максимальное значение выходного кода АЦП (N=2, n - разрядность АЦП).
С учетом зависимостей (1, 2)
0
т.е. обеспечивается прямо пропорциональное преобразование емкость-цифровой код, независимое от нестабильности тока и времени заряда емкостей t.
Представив
получим
у
x
Выбрав k=0,5, получим возможность измерения величины относительного отклонения измеряемой емкости δC в диапазоне ±100%.
(Примером серийного усилителя с коэффициентом передачи менее 1 может служить инструментальный усилитель АМР01 фирмы Analog Devices, обеспечивающий коэффициент передачи в диапазоне от 0,1 до 10 и обладающий малыми входными токами.)
В соответствии с полученным выражением начало шкалы отсчета АЦП смещается на середину шкалы , относительно которой фиксируется относительное отклонение измеряемой емкости в диапазоне ±100%.
Как следует из полученного выражения, результат преобразования не зависит от нестабильности параметров элементов устройства, что обеспечивает повышение точности измерения.
x
ref
Допустимая величина измеряемого значения δC определяется прежде всего допустимым диапазоном изменением величины опорного напряжения U. Для большинства выпускаемых аналого-цифровых преобразователей этот диапазон лежит в пределах от 1,2 В до уровня напряжения питания микросхемы.
Следовательно, в соответствии с (2) необходимо выбрать
x max
ref
ref min
ref ном
ref max
ref ном
Так, для обеспечения диапазона δС=±0,5 значение U в соответствии с (6), (8) будет изменяться в пределах от U=0,666U до U=2U.
ref min
ref ном
ref max
Для выполнения условия U=1,2 В необходимо выбрать U=1,8 В. При этом U=3,6 В, что вполне вписывается в допустимый диапазон изменения величины опорного напряжения АЦП.
Время измерения складывается из времени заряда емкостей задаваемого таймером T1 (3) и времени преобразования отношения емкостей, осуществляемого аналого-цифровым преобразователем (2).
Время заряда/разряда емкостей одинаково как для прототипа, так и для преобразователей емкость-время. Но в прототипе для измерения отношения емкостей необходимо повторить измерение для второй емкости.
max
x
20
19
-5
При 20-разрядной эффективной разрешающей способности АЦП (N=2), обеспечиваемой встраиваемыми АЦП современных микроконтроллеров, преобразование приращения емкости будет осуществляться с разрешением 2 бит, т.е. будет фиксироваться отклонение δC=±2⋅10.
Для преобразования время-код в преобразователях с промежуточным преобразованием емкость-время для обеспечения такой разрешающей способности потребуется опорная частота гигагерцового диапазона.
Таким образом, благодаря предложенному включению эталонного и измеряемого конденсаторов удается обеспечить непосредственное измерение относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной емкости с высокой точностью и с высоким быстродействием.