Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
AM TechnologiesAM Technologies
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Precyzyjny miernik małych pojemności

22 Sty 2012 11:40 4103 7

  • Poziom 30  
    Witam

    Potrzebny mi miernik małych pojemności do pewnych sond, których pojemność zmienia się w zakresie do 100pF i trzeba to zmierzyć z rozdzielczością 0,1pF.

    Zastosowałem metodę pomiaru czasu ładowania - kondensator pomiarowy CX ładujemy ze źródła prądowego ok 0,5uA i napięcie na tym kondensatorze rośnie liniowo. Napięcie na kondensatorze CX badają dwa komparatory i porównują ze wzorcami 0,15V i 2,5V. Wyjścia z komparatorów dołączone są do ATmegi, która liczy czas między zboczem malejącym progu1 a zboczem malejącym progu2. Układ mierzący czas działa bez zastrzeżeń, ale ten cały ustrój pomiarowy już nie :(

    Precyzyjny miernik małych pojemności

    Na obrazku widać napięcie na kondensatorze pomiarowym (10pF ceramiczny). Oscyloskop rejestrował to przez minutę i nanosił wszystkie przebiegi na siebie i jak widać czas ładowania kondensatora nie jest stały! Różnice dochodzą nawet do 144us, co przy całkowitym czasie ładowania rzędu 800us wprowadza bardzo istotny błąd.
    Precyzyjny miernik małych pojemności

    Powoduje to pływanie wyniku. Na wykresie widać, jak wynik sobie pływa w ciągu kilkunastu minut pomiarów. Po wykonaniu 500 pomiarów, ATmega kompensuje pojemność własną układu, uśrednia wynik i przesyła do kompa.
    Precyzyjny miernik małych pojemności

    I co tu robić? Jak ustabilizować prąd ładowania kondensatora? Próbowałem już
    - zamienić tranzystory bipolarne na polowe
    - zamienić LM358 na TL082
    - dodać filtry dolnoprzepustowe przed wejściami komparatorów
    i nic to nie dało!

    Układ zasilany jest z baterii 5V, napięcie odniesienia robi zener 3,3V. Mam to wszytko na płytce stykowej. Oczywiście na zasilaniu jest kilka kondensatorów 100n i 10u.
  • AM TechnologiesAM Technologies
  • VIP Zasłużony dla elektroda
    Witam.
    leonow32 napisał:
    Potrzebny mi miernik małych pojemności

    Mierniki małych pojemności pracują zwykle na zasadzie pomiaru różnicy częstotliwości obwodu rezonansowego LC przy dołączaniu mierzonego kondensatora.
    http://www.google.pl/search?q=Miernik+LC+elek...&rls=org.mozilla:pl:official&client=firefox-a
    https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic1955661.html
    i podobne tematy.
    leonow32 napisał:
    Jak ustabilizować prąd ładowania kondensatora?

    Stabilność tego prądu jest tylko jednym z czynników, które wpływają na dokładność pomiaru, ważna jest także stabilność (dryft termiczny) napięcia niezrównoważenia komparatora, itp.
    leonow32 napisał:
    Mam to wszytko na płytce stykowej

    To jest zły pomysł - niestabilne reaktancje pasożytnicze będą fałszować (zakłócać) pomiary.
    leonow32 napisał:
    napięcie odniesienia robi zener 3,3V

    Straszny żargon - podobne słownictwo będzie powodem usunięcia następnych postów do kosza.
    Lepiej zastosować stabilniejsze rozwiązanie.
    Pozdrawiam.
  • AM TechnologiesAM Technologies
  • Poziom 28  
    Ciekawe jest, że tworzysz układ pomiarowy, a nic nie piszesz o maksymalnym błędzie pomiarowym jaki możesz zaakceptować. A to jest kluczowy czynnik jeśli mówimy o precyzyjnym pomiarze. Co z tego, że będziesz miał rozdzielczość na poziomie 0,1pF (swoją drogą nie jest to jakaś imponująca rozdzielczość, zwykły chiński miernik mierzy napięcie na zakresie 200V z rozdzielczością 0,1V) jeśli błąd będzie na poziomie 10%, a Ty nie będziesz wiedział dla jaki właściwie jest ten błąd. Nie masz pojęcia co wpływa w Twoim układzie na błąd pomiarowy, napięcie, prąd offsetu, prąd polaryzacji komparatora, stabilność źródła prądowego itp. Bez analizy źródeł błędu Twój układ będzie się zachowywał tak jak teraz. Należało by przemyśleć czy na pewno zastosowanie komparatora 393 jest dobrym pomysłem. Nie wiadomo nic o dokładności wykonania rezystorów, a przecież one np. wyznaczają napięcie odniesienia komparatorów. Że już nie wspomnę o diodzie Zenera jako źródle napięcia odniesienia. Ciekawe też jest dołączanie oscyloskopu bezpośrednio do tak małego kondensatora. Np. mój oscyloskop ma pojemność wejściową 25 pF. Co prawda dzisiejsze dobre oscyloskopy mają mniejszą pojemność ale i tak w tym przypadku jest ona nie do pominięcia.

  • Poziom 30  
    Maksymalny błąd pomiarowy - im mniej tym lepiej, oczywiście przy zachowaniu rozsądnej ceny :) nie zastanawiałem się ile konkretnie ma być. Obecnie w prototypie mam rezystory węglowe 5%, w docelowej wersji oczywiście maj być precyzyjne.

    Zastanawiam się co zmieniać dalej - zamiast diody Zenera źródło TL431 (bo takie akurat mają w pobliskim sklepie). LM393 można by zmienić na LM319 (response time 80ns, a LM393 ma 300ns). Zamiast LM358 - OP07, NE5534P? Tranzystory BC550 i BC560, niskoszumne.

    Sprawdziłem napięcia odniesienia dla komparatorów - oscylują wokół żądanego o +-30mV.
  • Poziom 38  
    Z moich doświadczeń wynika, że stałość czasu ładowania takiego kondensatora (oraz jego rozładowania - i tu dochodzimy do generacji przebiegu trójkątnego i stabilności częstotliwości tego przebiegu - https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=9809071#9809071) zależy bardzo mocno od wszelkich czynników, które zakłócają wielkość prądu ładowania/rozładowania: prąd Ibias komparatorów, upływność kondensatora. Wiem, że pojemności są małe co narzuca mały prąd, ale wg mnie jest on za mały. Zwiększ go przynajmniej o rząd wielkości albo i dwa.
    No i co za komparatory zastosowałeś? - przecież one mają max Ibias porównywalny z tym prądem ładowania ! Musisz tu zastosować takie, które mają ten prąd o trzy rzędy wielkości mniejszy (a przynajmniej dwa) od prądu ładowania.
    Tranzystory przy Ie=0,5mikroA mogą mieć betę rzędu kilku - albo kilkudziesięciu - nie wiesz tego a ponieważ te źródła prądowe stabilizują ci prąd emitera, więc prąd kolektora (czyli prąd ładowania) może znacząco odbiegać od założonej wartości. Te źródła aż się prosi zrobić na FET-ach, op-amp (sterujący tym FET-em) zastosować jakiś z wejściem MOSFET (Ibias !) - tu nie trzeba nic szybkiego.
    Mnie (w tym generatorze z linku) po zrobieniu porządku z Ibias wzmacniacza (dla komparatora NE521 już alternatywy nie miałem) oraz z kondensatorami (prądy upływu - nawet kondensatory MKC miewają spory) udało się osiągnąć dużą poprawę stabilności rzędu 0,01-0,001%, mimo że zmniejszyłem prądy dwukrotnie.

    Aha - jeszcze jedno; - kolega wyżej już ci wskazał błąd polegający na dołączaniu wejścia oscyloskopu do tego kondensatora. I popatrz na ten przebieg - wcale nie jest liniowy, co świadczy o tym ,że "coś wcina" ci ten prąd - albo jest on przez źródła bardzo niedokładnie podawany.
    Ja w tym generatorze z linka zrobiłem dla zabawy dokładną analizę wpływu Ibias wzmacniacza (na LM318, teraz zmieniłem na AD811 bo tam musi być szybki) na stabilność fwy. Krzywa napięcia w funkcji czasu (wyznaczona matematycznie) była identyczna jak u ciebie, i stąd wnioskuję, że tu chodzi o Ibias komparatorów.
    Co ciekawe, z tej analizy wynikało, że ten Ibias nie wpływa na fwy, tylko na kształt przebiegu (ważne - tam chodziło o przebieg trójkątny). A jednak każda zmiana powodująca poprawę liniowości ładowania (ograniczenie prądów Ibias, upływnosci) powodowała wyraźny wzrost stabilności fwy - przekładając to na twój układ - na powtarzalność czasu ładowania twojego kondensatora.

    Jeszcze jedno - tak na szybko licząc do na oporniku emiterowym źródła masz (dla 4,7M i 0,5mikroA) - ok. 2,5V, kondensator ładuje się do 2,3V, więc czy tranzystor nie wchodzi już w obszar nieliniowy?
    Wypadałoby podnieść napięcie zasilania, dać tranzystorowi troszkę "papu" - grzał się nie będzie.... np 15V, ładować kondensator do 12V bo im większe to napięcie tym czas dłuższy (co pozwala "bezboleśnie" zwiększyć prąd) - i to da ci mniejsze błędy pomiaru. Jako komparatory nawet chyba można jakikolwiek opamp z wejściem MOSFET i kompensacją Vos. Bo częstotliwości masz tam niewielkie? - 800Hz widzę, więc płytka stykowa nie powinna nic tu szkodzić.

  • Poziom 30  
    @marekzi
    Dziękuję za fachową odpowiedź. Zastosowanie elementów lepszej klasy jakościowej, różne zmiany i lepsza stabilizacja zasilania zdecydowanie ograniczyła efekt pływania wyniku. Na wykresie widać 11000 pomiarów kondensatora ceramicznego 100pF, rejestrowanych przez dwie godziny - przez większość czasu pływanie wyniku nie przekroczyło 0,2pF! I teraz okazuje się, że największym problemem jest temperatura otoczenia :D ów uskok widoczny na wykresie powstał po otwarciu okna :!: ale zapewnienie stałej temperatury to już nie mój problem :)

    Precyzyjny miernik małych pojemności
  • Poziom 38  
    No to cieszę się.
    Zapewnienie stałej temperatury nie powinno być problemem, na pewno będzie sporo łatwiejsze od samego sposobu pomiaru.
    Jeszcze n/t temperatury - w tym moim generatorze uzyskałem zadziwiająco wysoką stabilność - nawet 10E(-5) (dziesięć do potęgi -5) - odchyłki f nie przekraczały tej wartości w czasie 0,5 godz. pracy (po nagrzaniu). Tyle, że w stałej temperaturze - też wystarczyło otworzyć okno, i fiuu...
  • VIP Zasłużony dla elektroda
    leonow32 napisał:
    Dziękuję za fachową odpowiedź

    Ta "fachowość" odpowiedzi - to ... elementarz. Szczególnie to stwierdzenie wzbudza podziw:
    marekzi napisał:
    dać tranzystorowi troszkę "papu"

    "Odkrywcze" wnioski, które wyciągnął autor, to:
    leonow32 napisał:
    Zastosowanie elementów lepszej klasy jakościowej, różne zmiany i lepsza stabilizacja zasilania


    W efekcie "różnych zmian" (jakich - nie wiadomo) autor nie martwi się o "zapewnienie stałej temperatury" (to nie jego problem), a doradzający "fachowiec" stwierdza z rozbrajającą szczerością:
    marekzi napisał:
    też wystarczyło otworzyć okno, i fiuu...