Устройство для измерения отклонения емкости от номинала

Изобретение относится к измерительной технике, может использоваться в системах контроля и разбраковки электрических конденсаторов, в системах сбора данных с емкостных датчиков в технологических устройствах, а также в медицинской практике.

Известны устройства для измерения отклонения емкости от номинала, использующие аналого-цифровые преобразователи с сигма-дельта модуляцией [Михаль Брихт. Преобразователи емкости в цифровой код на основе сигма-дельта модулятора // Компоненты и технологии. №1. 2006. С. 34-36], содержащие интегратор, к входу которого подключены опорная емкость, другой вывод которой подключен к источнику опорного напряжения и измеряемая емкость, другой вывод которой подключен к источнику возбуждения, выход интегратора подключен к входу аналогового компаратора, выход которого через цепь обратной связи соединен с формирователем уравновешивающих зарядов опорной емкости.

Недостатком устройств является сложность схемотехнического решения. Серийные микросхемы, построенные на этом принципе [AD7745-46 // Data_Sheet/214550359], помимо сравнительно высокой стоимости, имеют ограниченное значение измеряемых номинальных емкостей (стандартное значение 50 пФ) с максимальным абсолютным отклонением до 17 пФ.

Известно устройство для измерения относительного отклонения емкости от номинала, основанное на промежуточном преобразовании емкость-время [Single-chip Solution for Capacitance Measurement PCap02A. March 13, 2013, Сысоева С. Инновационные микросхемы Asic Picocap от компании Acam: время-цифровые емкостные преобразователи // Компоненты и технологии №7, 2014; Троицкий Ю. Преобразователи емкость-код с промежуточным времяимпульсным преобразованием // Компоненты и технологии №7, 2014], содержащие два преобразователя емкость-время, выход каждого из которых соединен с входом преобразователя время-код.

Недостатком устройства является сложность обеспечения сочетания требуемой точности измерения и требуемого быстродействия преобразователя время-код.

Так, например, для обеспечения измерения максимальной разности (отношения) двух емкостей в пределах 1% с разрешением 0,1% с временем измерения 1 мс потребуется преобразователь время-код, работающий на частоте не менее 256 МГц. Для обеспечения высокого быстродействия преобразования емкость-время-код в серийной микросхеме PCap01 [PCap01 Single-chip Solution for Capacitance Measurement with Standart Firmware 03.01.02. July 15, 2013] используются достаточно сложные схемотехнические решения, обеспечивающие работу преобразователя время-код в пикосекундном диапазоне. Кроме того, следует учесть затраты на программное вычисление результата измерения по полученным двум отсчетам.

Известно устройство для измерения относительного отклонения емкости от номинала, основанные на промежуточном преобразовании емкость-напряжение [CAV424 - C/U transducer IC with adjustable output voltage. Analog Microelectronics GmbH], содержащие два интегратора на базе двух источников тока, подключенных к измеряемой и образцовой емкости, опорного генератора синхронизирующего работу интеграторов, схему вычитания напряжений с выходов интеграторов и фильтр низких частот, к выходу которого может подключаться аналого-цифровой преобразователь.

Недостатком устройства является необходимость подключения большого количества внешних элементов, влияющих на точность преобразования.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство логометрического преобразователя емкость-напряжение-код [Троицкий Ю.В. Аналого-цифровые преобразователи емкость-время-код и емкость-напряжение-код // Ремонт и сервис: №7, 2013 г., с. 57-60], содержащее микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами заряда и разряда измеряемой емкости, источник тока и резистор, подключенный к входу опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя.

Недостатками устройства являются:

- невозможность непосредственного сравнения измеряемой емкости с эталонной емкостью;

- нелинейная зависимость результата преобразования от измеряемого значения емкости;

- зависимость от нестабильности сформированного временного интервала заряда емкости;

- зависимость от нестабильности величины резистора, подключенного к входу опорного напряжения.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в обеспечении непосредственного измерения относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной и в повышении точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее микроконтроллер с встроенными аналого-цифровым преобразователем и двумя программируемыми таймерами, управляющими ключами заряда и разряда измеряемой емкости и источник тока заряда, последовательно с измеряемой емкостью включается дополнительная эталонная емкость, выводы которой через буферный усилитель подключаются к входу аналого-цифрового преобразователя, а выводы измеряемой емкости подключаются к входам его опорного напряжения.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой, представленной на фиг. 1.

Устройство содержит микроконтроллер 1 (MC с встроенными аналого-цифровым преобразователем 2 (ADC) и двумя программируемыми таймерами 3 (T1) и 4 (T2), управляющими ключами заряда 5 (SW1) и разряда 6 (SW2) измеряемой емкости 7 (Cx) и эталонной емкости 9 (Co), источником тока 8 (I)). Выводы эталонной емкости 9 через буферный усилитель 10 (DA) с коэффициентом усиления k_у подключены к входу аналого-цифрового преобразователя 2, а выводы измеряемой емкости 7 подключены к входам его опорного напряжения (Uref+, Uref-).

Устройство работает следующим образом. В исходном положении эталонная 9 (C₀) и измеряемая 7 (С_х) емкости разряжены через замкнутый ключ 6 (SW2). При размыкании ключа 6 (SW2) и замыкании ключа 5 (SW1) на время t₀, задаваемое таймером T1 (3), происходит заряд емкостей С₀ и С_х током I от источника тока (8) до уровней

Полученный сигнал U_in подается на входы буферного усилителя (10), а сигнал U_ref, снимаемый с измеряемой емкости, подается на входы опорного напряжения (U_ref+, U_ref-) аналого-цифрового преобразователя (2).

При замыкании ключа 6 (SW2) и размыкании ключа 5 (SW1) на время t₁, задаваемое таймером T2 (4), происходит разряд емкостей С₀ и С_х и возвращение устройства исходное состояние.

В основу преобразования положен логометрический [ratiometric] метод [АВТЭКС Санкт-Петербург, http://www.autexspb.da.ru, стр. 7…13], который обеспечивает результат преобразования кратный отношению U_in/U_ref

где N - результат преобразования АЦП, N_max максимальное значение выходного кода АЦП (N_max=2ⁿ, n - разрядность АЦП).

С учетом зависимостей (1, 2)

т.е. обеспечивается прямо пропорциональное преобразование емкость-цифровой код, независимое от нестабильности тока и времени заряда емкостей t₀.

Представив

получим

Выбрав k_у=0,5, получим возможность измерения величины относительного отклонения измеряемой емкости δC_x в диапазоне ±100%.

(Примером серийного усилителя с коэффициентом передачи менее 1 может служить инструментальный усилитель АМР01 фирмы Analog Devices, обеспечивающий коэффициент передачи в диапазоне от 0,1 до 10 и обладающий малыми входными токами.)

В соответствии с полученным выражением начало шкалы отсчета АЦП смещается на середину шкалы , относительно которой фиксируется относительное отклонение измеряемой емкости в диапазоне ±100%.

Как следует из полученного выражения, результат преобразования не зависит от нестабильности параметров элементов устройства, что обеспечивает повышение точности измерения.

Допустимая величина измеряемого значения δC_x определяется прежде всего допустимым диапазоном изменением величины опорного напряжения U_ref. Для большинства выпускаемых аналого-цифровых преобразователей этот диапазон лежит в пределах от 1,2 В до уровня напряжения питания микросхемы.

Следовательно, в соответствии с (2) необходимо выбрать

Так, для обеспечения диапазона δС_{x max}=±0,5 значение U_ref в соответствии с (6), (8) будет изменяться в пределах от U_{ref min}=0,666U_{ref ном} до U_{ref max}=2U_{ref ном}.

Для выполнения условия U_{ref min}=1,2 В необходимо выбрать U_{ref ном}=1,8 В. При этом U_{ref max}=3,6 В, что вполне вписывается в допустимый диапазон изменения величины опорного напряжения АЦП.

Время измерения складывается из времени заряда емкостей задаваемого таймером T1 (3) и времени преобразования отношения емкостей, осуществляемого аналого-цифровым преобразователем (2).

Время заряда/разряда емкостей одинаково как для прототипа, так и для преобразователей емкость-время. Но в прототипе для измерения отношения емкостей необходимо повторить измерение для второй емкости.

При 20-разрядной эффективной разрешающей способности АЦП (N_max=2²⁰), обеспечиваемой встраиваемыми АЦП современных микроконтроллеров, преобразование приращения емкости будет осуществляться с разрешением 2¹⁹ бит, т.е. будет фиксироваться отклонение δC_x=±2⋅10^-5.

Для преобразования время-код в преобразователях с промежуточным преобразованием емкость-время для обеспечения такой разрешающей способности потребуется опорная частота гигагерцового диапазона.

Таким образом, благодаря предложенному включению эталонного и измеряемого конденсаторов удается обеспечить непосредственное измерение относительного отклонения измеряемой емкости от эталонной емкости с высокой точностью и с высоким быстродействием.