EP0741299A2

Circuit for determining differences in capacity

Abstract

The two capacitors (1, 2) are alternately connected to an integrator with differential amplifier (3), the input current of which is positive (+ I) if the first capacitor (1) is integrated, or negative (-I) if the second capacitor ( 2) is integrated, the switches (5, 6, 7) being switched synchronously. The differential amplifier keeps the voltage on both capacitors the same. A clocked control device (4) takes care of the synchronous switching and measures and adds the respective charging and discharging times separately and measures and, if necessary, adds the output voltage of the integrator and controls the last charging cycle so that the voltage across the capacitors is then equal to the initial voltage. The relative or absolute capacity difference is calculated from the determined sums and can be output digitally.

EP0741299A2, drawing sheet 1
Sheet 1 of 38

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10 claims: 1 independent, 9 dependent

  1. 1
    Schaltungsanordnung zum Ermitteln der Differenz zwischen der Kapazität eines ersten Kondensators (1) und der Kapazität eines zweiten Kondensators (2), bei der ein Differenzverstärker (3) mit einem invertierenden und einem nicht-invertierenden Eingang und mit einem Ausgang, eine positive Stromquelle (+I), die einen Strom mit konstanter Stromstärke und einer ersten Flußrichtung liefert, eine negative Stromquelle (-I), die einen Strom mit konstanter Stromstärke und der entgegengesetzten Flußrichtung liefert, ein Masseanschluß, eine Steuereinrichtung (4), eine erste Schaltvorrichtung (5) und eine zweite Schaltvorrichtung (6, 7) vorhanden sind, bei der diese erste Schaltvorrichtung (5) zwei Schaltpositionen (P 1 , P 2 ) aufweist, in denen jeweils diese positive Stromquelle (+I) oder diese negative Stromquelle (-I) mit dem invertierenden Eingang dieses Differenzverstärkers (3) verbunden ist, bei der der nicht-invertierende Eingang dieses Differenzverstärkers (3) mit diesem Masseanschluß verbunden ist, bei der diese zweite Schaltvorrichtung (6, 7) so eingerichtet ist, daß damit zwei verschiedene Schaltpositionen, in denen jeweils ein Anschluß eines dieser Kondensatoren (1, 2) mit einem der Eingänge des Differenzverstärkers (3) und ein Anschluß des anderen dieser Kondensatoren (1, 2) mit dem jeweils anderen Eingang dieses Differenzverstärkers verbunden ist, eingestellt werden können, bei der die anderen Anschlüsse dieser Kondensatoren mit dem Ausgang dieses Differenzverstärkers und einem Eingang dieser Steuereinrichtung (4) verbunden sind und bei der für diese Steuereinrichtung Mittel vorgesehen sind, mit denen diese erste und diese zweite Schaltvorrichtung (5;6, 7) synchron umgeschaltet werden können, mit denen die Zeit zwischen zwei solchen Umschaltvorgängen und die an den Kondensatoren anliegende Spannung gemessen werden können, mit denen Zeiten addiert werden können und mit denen die für die Bestimmung der Kapazitätsdifferenz erforderlichen Werte ermittelt werden können.
  2. 2
    Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die erste Schaltvorrichtung (5) ein erster Schalter (5) ist und die zweite Schaltvorrichtung (6, 7) ein zweiter Schalter (6) und ein dritter Schalter (7) ist, bei der diese Schalter (5, 6, 7) jeweils alternativ in eine erste Schaltposition (P 1 ) und in eine zweite Schaltposition (P 2 ) gebracht werden können, in denen ein fester Anschluß des betreffenden Schalters jeweils mit einem von zwei alternierenden Anschlüssen verbunden ist, bei der der feste Anschluß des ersten Schalters (5) mit dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers (3) und einer der alternierenden Anschlüsse des ersten Schalters (5) mit der positiven Stromquelle (+I) und der andere der alternierenden Anschlüsse des ersten Schalters (5) mit der negativen Stromquelle (-I) verbunden ist, bei der entweder a) der feste Anschluß des zweiten Schalters (6) mit einem Anschluß eines der Kondensatoren (1, 2) und der feste Anschluß des dritten Schalters (7) mit einem Anschluß des anderen Kondensators verbunden ist und jeweils einer der alternierenden Anschlüsse des zweiten und des dritten Schalters (6, 7) mit dem einen Eingang des Differenzverstärkers und der jeweils andere der alternierenden Anschlüsse mit dem jeweils anderen Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist oder b) der feste Anschluß des zweiten Schalters (6) mit einem Eingang des Differenzverstärkers und der feste Anschluß des dritten Schalters (7) mit dem anderen Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist und jeweils einer der alternierenden Anschlüsse des zweiten und des dritten Schalters mit einem Anschluß eines der Kondensatoren (1, 2) und der jeweils andere der alternierenden Anschlüsse mit einem Anschluß des anderen Kondensators verbunden ist und bei der für die Steuereinrichtung (4) Mittel vorgesehen sind, mit denen diese Schalter (5, 6, 7) wie für diese zweite Schaltvorrichtung vorgesehen synchron umgeschaltet werden können.
  3. 3
    Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, bei der die Schalter (5, 6, 7) einzeln umgeschaltet werden können.
  4. 4
    Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die positive und die negative Stromquelle (+I, -I) Ströme mit einer dem Betrag nach gleichen Stromstärke liefern.
  5. 5
    Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die erste Schaltvorrichtung (5) unabhängig von der zweiten Schaltvorrichtung (6, 7) umgeschaltet werden kann.
  6. 6
    Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die zweite Schaltvorrichtung (6, 7) eine Schaltposition ermöglicht, in der die mit einem Eingang des Differenzverstärkers verbundenen Anschlüsse der Kondensatoren beide mit dem Masseanschluß verbunden sind, bei der die zweite Schaltvorrichtung zwischen dieser Schaltposition und jeder der beiden Schaltpositionen, in denen die mit einem Eingang des Differenzverstärkers verbundenen Anschlüsse der Kondensatoren mit verschiedenen Eingängen des Differenzverstärkers verbunden sind, synchron mit der ersten Schaltvorrichtung (5) umgeschaltet werden kann und bei der die Steuereinrichtung (4) Mittel aufweist, mit denen zumindest für eine dieser Schaltpositionen jeweils erfolgende Änderungen der an den Kondensatoren anliegenden Spannung addiert werden können und diese Summe gespeichert werden kann.
  7. 7
    Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, bei der die Steuereinrichtung (4) Mittel aufweist, mit denen zwischen Schaltpositionen umgeschaltet werden kann, sobald der Betrag der Summe der jeweils in einer bestimmten Konstellation der Schaltpositionen der Schaltvorrichtungen (5;6, 7) erfolgenden Änderungen der an den Kondensatoren anliegenden Spannung den Betrag eines von der Steuereinrichtung gespeicherten Wertes erreicht.
  8. 8
    Verfahren zum Ermitteln des Quotienten aus den Kapazitäten zweier Kondensatoren (1, 2) oder des Quotienten aus der Differenz und der Summe der Kapazitäten zweier Kondensatoren (1, 2) unter Verwendung einer Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem a) der Quotient aus den Stromstärken des von der positiven Stromquelle (+I) gelieferten Stromes und des von der negativen Stromquelle (-I) gelieferten Stromes fest eingestellt wird, die erste Schaltvorrichtung (5) in eine erste Schaltposition (P 1 ) gebracht wird und die zweite Schaltvorrichtung (6, 7) so eingestellt wird, daß der eine Kondensator mit dem einen Eingang des Differenzverstärkers und der andere Kondensator mit dem anderen Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist, b) der mit der ersten Schaltvorrichtung verbundene Kondensator während einer vorgegebenen oder von der Steuereinrichtung (4) aus bisherigen Verfahrensschritten ermittelten Zeit geladen oder entladen wird, während der Differenzverstärker den anderen Kondensator auf dieselbe Spannung lädt, c) die erste und die zweite Schaltvorrichtung synchron umgeschaltet werden, so daß die mit einem Eingang des Differenzverstärkers verbundenen Anschlüsse der Kondensatoren mit dem jeweils anderen Eingang des Differenzverstärkers verbunden werden, d) der Schritt b) ausgeführt wird, e) die Schritte c) und d) mehrmals hintereinander ausgeführt werden, wobei für jede der beiden Schaltpositionen, zwischen denen in Schritt c) umgeschaltet wird, gesondert die Zeiten, während derer Schritt b) oder d) ausgeführt worden ist, addiert werden und der Schritt d) so oft und jeweils so lange ausgeführt wird, daß die an den Kondensatoren anliegende Spannung anschließend mit der zu Anfang an den Kondensatoren anliegenden Spannung zumindest soweit übereinstimmt, wie für die vorgegebene Meßgenauigkeit erforderlich ist, und f) der Quotient der Kapazitäten oder der Quotient aus der Differenz und der Summe der Kapazitäten der Kondensatoren aus dem bekannten oder separat ermittelten Quotienten der Stromstärken und den Summen der für die Schaltpositionen gesondert addierten Zeiten ermittelt wird.
  9. 9
    Verfahren zum Ermitteln der Differenz der Kapazitäten zweier Kondensatoren (1, 2) oder des Quotienten aus der Differenz und der Summe der Kapazitäten zweier Kondensatoren (1, 2) unter Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 oder 7, bei dem a) der Quotient aus den Stromstärken des von der positiven Stromquelle (+I) gelieferten Stromes und des von der negativen Stromquelle (-I) gelieferten Stromes fest eingestellt wird, die erste Schaltvorrichtung (5) in eine erste Schaltposition (P 1 ) gebracht wird und die zweite Schaltvorrichtung (6, 7) in eine von zwei speziellen Schaltpositionen A oder B eingestellt wird, in denen entweder A) der eine Kondensator mit dem einen Eingang des Differenzverstärkers und der andere Kondensator mit dem anderen Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist oder B) die mit einem Eingang des Differenzverstärkers verbundenen Anschlüsse der Kondensatoren beide mit dem Masseanschluß verbunden sind, b) ein zwischen dem invertierenden Eingang des Differenzverstärkers und dem Ausgang des Differenzverstärkers parallel zu dem Differenzverstärker vorhandener weiterer Kondensator (8) (Schaltungskomponente bestimmter Kapazität oder unbekannte parasitäre Kapazität) während einer vorgegebenen oder von der Steuereinrichtung aus bisherigen Verfahrensschritten ermittelten Zeit geladen oder entladen wird, während der Differenzverstärker den oder die anderen Kondensator(en) auf dieselbe Spannung lädt, c) die erste und die zweite Schaltvorrichtung synchron umgeschaltet werden, so daß die Kondensatoren aus der eingestellten speziellen Schaltposition in die andere spezielle Schaltposition gelangen, d) der Schritt b) ausgeführt wird, e) die Schritte c) und d) mehrmals hintereinander ausgeführt werden, wobei für jede der beiden speziellen Schaltpositionen gesondert die Zeiten, während derer Schritt b) oder d) ausgeführt worden ist, addiert werden und zumindest für eine dieser speziellen Schaltpositionen gesondert die während dieser Zeiten jeweils erfolgenden Änderungen der an den Kondensatoren anliegenden Spannung addiert werden und der Schritt d) so oft und jeweils so lange ausgeführt wird, daß die an den Kondensatoren anliegende Spannung anschließend mit der zu Anfang an den Kondensatoren anliegenden Spannung zumindest soweit übereinstimmt, wie für die vorgegebene Meßgenauigkeit erforderlich ist, und die Summe der in dieser speziellen Schaltposition erfolgten Änderungen der an den Kondensatoren anliegenden Spannung von der Steuereinrichtung gespeichert wird, f) die zweite Schaltvorrichtung (6, 7) in eine der zwei speziellen Schaltpositionen B oder C eingestellt wird, wobei in Schaltposition C der eine Kondensator mit dem einen Eingang des Differenzverstärkers und der andere Kondensator mit dem anderen Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist und dabei die Anschlüsse gegenüber der speziellen Schaltposition A vertauscht sind, g) der Schritt b) ausgeführt wird, h) der Schritt c) ausgeführt wird, wobei zwischen den speziellen Schaltpositionen B und C umgeschaltet wird, i) der Schritt b) ausgeführt wird, j) die Schritte h) und i) mehrmals hintereinander ausgeführt werden und für diese beiden speziellen Schaltpositionen gesondert die Zeiten, während derer Schritt g) oder i) ausgeführt worden ist, addiert werden und zumindest für eine dieser speziellen Schaltpositionen gesondert die während dieser Zeiten jeweils erfolgenden Änderungen der an den Kondensatoren anliegenden Spannung addiert werden und entweder die Summe der in dieser speziellen Schaltposition erfolgten Änderungen der an den Kondensatoren anliegenden Spannung ebenfalls von der Steuereinrichtung gespeichert wird oder der Schritt i) in dieser speziellen Schaltposition so oft und jeweils so lange ausgeführt wird, daß der Betrag dieser Summe den Betrag des von der Steuereinrichtung in Schritt e) gespeicherten Wertes erreicht, und der Schritt i) insgesamt so oft und jeweils so lange ausgeführt wird, daß die an den Kondensatoren anliegende Spannung anschließend mit der zu Anfang an den Kondensatoren anliegenden Spannung zumindest soweit übereinstimmt, wie für die vorgegebene Meßgenauigkeit erforderlich ist, und k) aus dem bekannten oder separat ermittelten Quotienten der Stromstärken, den Summen der für die Schaltpositionen gesondert addierten Zeiten und dem Quotienten der in den Schritten e) und j) jeweils erfaßten Summen der Änderungen der Spannung der Quotient aus der Differenz und der Summe der Kapazitäten der Kondensatoren ermittelt wird oder aus diesen Werten und dem bekannten oder separat bestimmten Wert der Kapazität des weiteren Kondensators (8) die Differenz der Kapazitäten der Kondensatoren ermittelt wird.
  10. 10
    Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, unter Verwendung einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder nach einem der Ansprüche 6 oder 7, rückbezogen auf Anspruch 5, bei dem der Quotient aus den Stromstärken des von der positiven Stromquelle gelieferten Stromes und des von der negativen Stromquelle gelieferten Stromes ermittelt wird, indem a) die erste Schaltvorrichtung in eine erste Schaltposition gebracht wird und die zweite Schaltvorrichtung so eingestellt wird, daß mindestens ein Kondensator mit der ersten Schaltvorrichtung verbunden ist, b) dieser Kondensator während einer vorgegebenen oder von der Steuereinrichtung aus bisherigen Verfahrensschritten ermittelten Zeit geladen oder entladen wird, c) nur die erste Schaltvorrichtung umgeschaltet wird, d) der Schritt b) ausgeführt wird, e) die Schritte c) und d) mehrmals hintereinander ausgeführt werden, wobei für jede der beiden Schaltpositionen der ersten Schaltvorrichtung gesondert die Zeiten, während derer Schritt b) oder d) ausgeführt worden ist, addiert werden und der Schritt d) so oft und jeweils so lange ausgeführt wird, daß die an dem Kondensator anliegende Spannung anschließend mit der zu Anfang an dem Kondensator anliegenden Spannung zumindest soweit übereinstimmt, wie für die vorgegebene Meßgenauigkeit erforderlich ist, und f) der Quotient aus den Stromstärken des von der positiven Stromquelle gelieferten Stromes und des von der negativen Stromquelle gelieferten Stromes als Quotient aus der Summe der für die Schaltposition, in der der Kondensator mit der negativen Stromquelle verbunden ist, gesondert addierten Zeiten und der Summe der für die Schaltposition, in der der Kondensator mit der positiven Stromquelle verbunden ist, gesondert addierten Zeiten ermittelt wird.