Подводные грабли измерения ёмкости

Думаю, что считать время заряда конденсатора через резистор при помощи микроконтроллера умеют все. Интересует, какие могут быть грабли при измерении ёмкостей порядка 20-100пФ, и можно ли для нижней границы получить повторяемость с точностью 1пФ? Насколько стабильная ёмкость входов у 8-битных контроллеров при комнатных условиях? Можно ли надёжно различать ёмкости порядка 1 и 1.5 пФ, если паразитная ёмкость входов порядка 10 пФ? Обязательно ли ставить кварц, 1% резистор, тщательно стабилизировать питание? Стоит ли использовать внутренний источник опорного напряжения, или лучше поставить резистивный делитель чтобы не зависеть от величины напряжения питания?

 

частотой в мосте мерить лучше.

 

qqwe
С частотой слишком сложно, да и конкретные значения ёмкости не особо важны, важно только отследить приближение к минимальному значению(или уход) с точностью хотя бы 5%. Схемы с резистором думаю будет достаточно, можно еще поставить ключ чтобы отключать измеряемую ёмкость для определения паразитной.

 

Частоту мерять просто - считай себе сколько импульсов в заданный временной интервал поместилось и всё
Я бы измеряемый кондесатор в индуктивную трёхточку вставил и полученную частоту измерял.

 

Y_Mur
в трехточке диапазон емкостей, при которых генератор будет устойчиво работать слишком мал.
И к тому же нестабильность индуктивности сильно влиять будет.

А так самый простой вариант, обеспечивающий необходимую точность и стабильность - это мост.
Не надо стабилизировать частоту, питание.

Ключ на транзисторе будет сам иметь паразитную емкость, сопоставимую с измеряемой емкостью (или даже превосходящую её).

 

cresta
Давно уже не игрался с трёхточкой - доберусь до лаборатории попробую на предмет диапазона и стабильности.
Паразитная ёмкость конечно влиять будет, но откалибровать прибор на базе МК и сразу встроить в него калибровочную кривую ни разу не проблема. Собственно и мост по хорошему откалибровать желательно даже если он изначально на прецизионных элементах

А в мосту то диапазон откуда возьмётся? - там как раз соизмеримость плеч нужна, так что диапазон только с помощью переключателя и достижим

 

qqwe
cresta
Я что-то совсем не понимаю как контроллер будет управлять мостом. Кроме него подкручивать резисторы/конденсаторы некому.

 

Black_mirror

http://chem.usu.ru/win/Manuals_PDF/Lab03.pdf
http://www.cqham.ru/cap_3801.htm

как аналоговый переменный резистор можно использовать пару полевиков в корпусе. регулировать напряжение на затворах контроллером можно ршим с обратной связью.

 

qqwe

??? - что есть какая-то хитрая схемка? Просто полевик с заданным напряжением на затворе = стабилизатор тока, а не резистор - для моста особенно переменного тока это далеко не лучший вариант.

 

Y_Mur

http://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET

нас интересует именно линейный режим

Ic = K * Uси * ((Uзи - Uпор) - Uси/2)
Uси/Iс = (1/K) * (1 / (Uзи - Uпор - Uси/2))

как видите - почти как резистор.

емкость Сси не так велика, у меня на 2мгц и irfz44 искажений заметно не было. но лучше подобрать маломощные высокочастотные

 

паршиво, что тут нет никаких возможностей по оформлению мат формул. и паршиво, что и не будет, даже если будет код это реализующий.

 

qqwe
В вике как-то оно шибко идеализировано нарисовано Реальные даташиты содержат несколько иные графики - даже у маломощного 2N7000 сопротивление d-s в дипазоне Vgs 5-10В меняется всего в ~1,7 раза, а у IRFZ44N так вообще линейные участки практически сливаются в один куст, т.е. зависимость сопротивления от Vgs выражена весьма слабо. При Vgs менее 5В линейный участок (настоящий линейный, а не "условно линейный" названный в вике linear region) ничтожно мал, а зачем в измерительном мосте (особенно в мосте переменного тока) резистор с ярко выраженной нелинейностью?

Т.е. рабочий диапазон такого управляемого резистора весьма скромен и плохо согласуется с МК, у которого обычно питание 5В. Я бы это в измерительном приборе применять не стал.

 

ребяты, вы тут не то меряете. Реально одно из основных использований полевика - переменное сопротивление. Без подачи каких-либо питающих напряжений на сток (в пассивном режиме). Потенциал на затворе управляет сопротивлением канала. Это обычный резистор с электронным управлением.
А все графики приводятся для активного режима и нафиг не нужны.Нужно просто взять транзистор с минимальным напряжением отсечки (что-нибудь средней или большой мощности СВЧ, с мин. емкостями). Отношение сопротивления канала в открытом и закрытом состоянии ну явно не 1,7 - сотни и тысячи. Как раз за счёт большого диапазона сопротивлений (откр/закр) полевики используются в смесителях-модуляторах-детекторах (без подачи питающих напряжений). И пофиг, сколько питание МК - полевику оно не нужно в принципе.

P.S.
И все линейности - искажения тоже не должны интересовать: не усилитель же делается

 

cresta

А измерительный мост "вспомогательные" резисторы которого не должны изменяться самопроизвольно - а именно так ведёт себя нелинейный резистор - меняет своё сопротивление в зависимости от поданного на него напряжения - как спрашивается разделять сигнал на измеряемый - вызванный изменением измеряемой ёмкости и паразитный - вызванный нелинейностью составляющих самого моста? Такую систему даже калибровать запаришься, поскольку на каждом диапазоне своя калибровочная кривая нужна. А тут ещё и переменный ток sin-идальность которого нелинейный резистор исказит, соответсвенно классическая формула Xc=1/ωC, перестанет быть корректной

А нафиг нужен переменный резистор который мало того что нелинейный, так ещё и при подаче не него свыше 0,25В превращается в стабилизатор тока?
См. правый график - именно так ведёт себя резистор-полевик у котрого на затворе 3В. Чтобы получить нечто более менее сносное нужно подавать на затвор >5В, а это уже больше чем выходной сигнал МК с питанием 5В.


По сабжу имхо всё таки лучше пробовать разные варианты встраивания конденсатора в генератор, хоть LC+транзистор, хоть на спецмикросхемах и мерять частоту.

 

с генератором стабильности не видать, хоть LC, хоть на м/с. Во-первых, добротность элементов контура никто не отменял. Во-вторых влияние нестабильности индуктивности на частоту будет на порядки больше, чем влияние емкости. Фактически будет отслеживаться изменение индуктивности, вызванное внешними факторами (в основном температура), а не изменение емкости. То же самое с RC-генератором. Идея изначально мертвая.

Если смущает полевик - есть другие решения:
а) варикап
б) КПЕ + шаговый движок
в) кварцевый генератор

Первые два - мостовые
Третья - генератор с последовательно включенным конденсатором. Отследить изменение частоты, вызванное смещением частоты последовательного резонанса кварца от номинальной при включении в цепь конденсатора. Правда уход будет минимальный. 0,5 пФ может и не удастся отследить.

На уровне 1 +/- 0,5 пФ может сработать только КПЕ. И то при условии тщательно выполненной конструкции (термостабильность элементов моста, жесткость корпуса и т.д.). Ну и схема управления движком нужна

 

Кто может объяснить как работает QTouch и QMatrix:

http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc9541.pdf
на рисунке 1.3 наиболее распространённая схема подключения QTouch, что на SNSK нужно подавать импульсы понятно, правда непонятно это импульсы H/L или H/Z, и в каком состоянии в эти моменты должен быть SNS.

http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/an-kd02_103-touch_secrets.pdf
На рисунке 5 последовательно с конденсатором появился резистор и закрадывается подозрение, что он не позволит конденсатору слишком быстро разрядиться через защитные диоды(хотя нормальная работа наверно не должна приводить к их срабатыванию).

http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/qmatrix_white_paper_100.pdf
На рисунке 2 схема наиболее близкая к пониманию, тут понятно что одно из состояний ног Y должно быть Z, осталось только понять в какие моменты относительно состояния X их нужно переключать.

 

С рисунком 1.3 вроде стало понятно, изначально на оба контакта выдаём низкий уровень чтобы разрядить конденсатор, а далее выполняем примерно такой цикл:

Code (Text):

1. time=0;
2. do{
3.   SNS=Z;
4.   SNSK=H;
5.   time++;
6.   SNSK=Z;
7.   SNS=L;
8. }while(!SNSK);

[add]рисунок на самом деле 1-1, это раздел 1.3[/add]

 

а может просто прерывание по изменению уровня на тестовую ногу? по (раз | за)ряду.
те, добавится еще резистор на питание
(на рисунки не глядел)

 

qqwe
Просто считать время заряда конденсатора через резистор мне не понравилось, изменение измеряемой ёмкости в лучшем случае составляет процентов 10 от всяких паразитных. В принципе заметить можно, но шумы чаще всего имеют ярко выраженный пилообразный вид. Идея QTouch в том, что предварительно разрядив накопительный конденсатор мы далее в одной фазе заряжаем измеряемую ёмкость, а в другой фазе соединяем её с накопительной. Поскольку напряжение на измеряемой ёмкости больше, то часть заряда перетекает из неё в накопительную. И далее цикл повторяется, пока накопительный конденсатор не зарядится до заданного уровня. Вообще в схеме QMatrix к накопительному конденсатору добавляют еще последовательно резистор и сравнивают напряжение компаратором аппаратно считая время(сразу для нескольких каналов). Но до этого я пока еще не добрался.

 

Black_mirror

реакция цифровой логики на линейное изменение напряжения часто достаточно мутная. а у вас еще и малые токи и дискретность в несколько тактов.
можно использовать вход встроенного компаратора + какую нибудь развязку с датчика на повторителе

посмотрел ту схему
измерения будут кратны Cs. на малых емкостях будут очень сказываться Rs и сопротивление канала выходных транзисторов (в авр - не помню, а в 40хх серии - сотни ом)

ну, а почему б не заряжать частотой через внешний ключ с источника тока? а заряд проверять через развязку и компаратор?
(
С = (I*т*n)/Uc
I - конст. источник тока
т - конст. время единичного цикла
Uc - конст. из настроек вашего компаратора

C = (I*т/Uc) * n
n - количество единичных циклов пропорционально емкости. чтобы уменьшить шаг просто заряжать меньшим током
)