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Forum: Digitale Signalverarbeitung / DSP Teil einer C-Messbrücke als digitales Filter?


Autor: Robert (Gast)
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Hi,

ich bin E-Technik Student, und stehe jetzt vor dem Problem, eine sehr 
kleine Kapazität und vor allem eine Kapazitätsänderung zu messen. Mit 
einer C-Messbrücke kann man ja sehr gut ein unbekanntes RC-Glied 
bestimmen. Da ich leider noch nicht die DSP-Vorlesung gehört habe, frag 
ich mich jetzt ob es erlaubt ist, den einstellbaren Teil einer 
C-Messbrücke als Digitales Filter in einen DSP/µC auszulagern. Über 
einen weiteren ADC würde dann die Brückenspannung gemessen werden und im 
DSP die Koeffizienten verändert und gespeichert werden, sodass die 
Brücke ständig abgeglichen wird und man nach der Messung die Daten holt. 
Ist das grundsätzlich Möglich oder soll ich diese Idee gleich wieder 
vergessen? Mir ist natürlich klar, dass da noch sehr viel mehr zu 
beachten ist, aber mir geht’s erstmal nur um das digitale Filter, weil 
ich z.B. nur weiß wie ich digitale Filter aus Schaltungen berechne, aber 
nicht was ich zu beachten habe und wo Nachteile sind.
Danke schon mal für Eure Hilfe.

Gruß Robert

Autor: I_ H. (i_h)
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Kapazitätsmessung geht sehr gut (genau und billig) über die Veränderung 
der Resonanzfrequenz von einem Schwingkreis. Die Frage ist wie genau du 
das brauchst, über die Resonanzfrequenz lassen sich problemlos 
Abweichungen <1pF realisieren (bei kleinen Kapazitäten), wenn du 
entsprechend genaue Bauteile zur Verfügung hast (wenn du'n Kerko als 
Referenz nimmst kannst du das <1pF vergessen).

http://sprut.de/electronic/pic/projekte/lcmeter/lcmeter.htm

Die Größe der damit messbaren Kapazitäten ist nach unten mehr oder 
weniger offen. Wenn du die Schaltung in 'nem HF dichten Gehäuse 
verpackst hast du natürlich bessere Werte, also das hängt dann alles 
davon ab wie gut dein Aufbau ist.
Bei mir spuckt die Sache bei 10pF 10pF aus und bei 33pF 33pF, sogar 
auf'm Steckbrett. Damit lassen sich auch Kapazitäten von Kabeln 
ausmessen.
Wenn ich mit der Hand näher als 20cm komme fängt die Frequenz an sich zu 
ändern, wegen der Kapazität meiner Hand.
So wie die Schaltung da angegeben ist schwingt die Sache ohne irgendwas 
auf ca. 600kHz. Also wenn die Frequenz dann irgendwie 10Hz nach unten 
geht, was man schon problemlos messen kann (Jitter auf'm Steckbrett so 
ungefähr bei 3Hz), gibt das 'ne Zusatzkapazität von 0.0345pF.


'ne Messbrücke bringt dich da nicht so wirklich weiter. Je mehr Bauteile 
du hast, desto größer die Abweichungen. Außerdem musst du dann 
sinusförmige Spannungen vermessen, und bei kleinen Kapazitäten mit 
entsprechenden Frequenzen (oder halt hohen Impedanzen). Digitale Filter 
helfen dir da auch nicht. Mit dem Praxisbezug ist das im E-Technik 
Studium halt immer so'ne Sache ;).

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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In welcher Größenordnung liegt die Kapazität?
Hier auf Seite 4/5 ist eine simple Messbrücke für den alten 
Valvo-Feuchtesensor, dessen Kapazität von 122pF nominell sich mit der 
Feuchte ändert:
http://docs.poulter.de/Elektronik/Sensoren/Luftfeu...
http://www.mikrocontroller.net/articles/Feuchtesensor

Autor: Robert (Gast)
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Wow danke erstmal für die schnellen und auch gute Antworten.

Da gibt es nur ein paar Probleme. Da ich gerne vom worst case ausgeh, 
würde ich sagen, die Kapazität(en) lieben im Bereich 1 fF < C < 100pF. 
Endgültige Sicherheit habe ich leider erst am Mittwoch :-) Das ist aber 
garnicht das Problem. Viel entscheidender ist die Tatsache, dass ich ein 
serien Widerstand habe, dessen R bei ca. 1-50 MOhm liegt. Wenn dieses R 
nicht da wäre, würde ich nen Capacitance to Digital Converter (CDC) von 
Analog Devices nehmen. Die würden Kapazitäten bis fF messen und 
breuchten nur 2 Pull-Up Widerstände für die I2C-Datenübertragung 
(einfacher gehts garnicht ;-)

Jetzt hab ich auch noch das Pech, im Halbleiterbreich zu sein, und ich 
bekomme das R auch nicht weg, sprich das ist kein einzelner greifbarer 
Kondensator oder Widerstand :-)
Außerdem wäre es ja nicht schlecht, wenn man durch abgleich von Real und 
Imaginärteil auch gleich noch den Widerstandswert exakt bestimmen 
könnte, weil der auch nur ungefähr durch eine U-V-Kurve bekannt ist.

Und was das Messen mit Sinusspannungen angeht, bin ich mir dessen schon 
bewusst. Das wird dann eine der nächsten Probleme sein, die 
Phasenselektive Gleichrichtung und einen DSP/µC zu finden, der schnell 
genug ist. Aber mir gehts ja erstmal nur um die Theorie. Und eine 
Analoge Messbrücke kommt nicht in Frage, weil ich eine Gas-Abhängigkeit 
der Kapazität/Widerstand messen möchte und ich viel zu lange brauchen 
würde bis die Brücke von Hand wieder abgeglichen ist.

Gruß Robert

Autor: I_ H. (i_h)
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Ich hab zwar keine Erfahrung damit Kapazitäten im Femtofaradbereich an 
Serienwiderständen im Megaohmbereich auszumessen, aber vielleicht wär's 
einfacher wenn du damit einen Wechselspannungsteiler aufbaust und 
frequenzabhängig die Spannung misst?
Das hat den Vorteil das du einen sehr großen Wertebereich abdecken 
kannst (1kHz bis 100MHz gibt ja schon Faktor 10^5), und die Amplitude 
einer Wechselspannung lässt sich auch mit vertretbarem Aufwand 
bestimmen. Außerdem kannst du sehr viele Messwerte aufnehmen (zB. immer 
Faktor 2) und darüber kontrollieren, ob sich die Sache so verhält wie 
sie soll, also ob die Werte stimmig sind. Und schließlich lässt sich 
darüber sowohl die Kapazität, als auch der Widerstand bestimmen.

Autor: Christoph Kessler (db1uq) (christoph_kessler)
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Also 50 MOhm und 1 Femtofarad klingt nach einem sehr akademischen 
Ersatzschaltbild. Alleine die Anschlusskapazität des 50MOhm-Widerstands 
dürfte das Femtofarad überschreiten, von den Serieninduktivitäten ganz 
zu schweigen.
Hat schonmal jemand solche Messungen gemacht? Wo liegen die 
Bereichsgrenzen kommerzieller Messgeräte, z.B. von Agilent? Wie messen 
die sowas?

Autor: Robert (Gast)
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Haha, gestern wollten wir direkt an dem Halbleiter messen, und haben es 
nur geschaft die Messgeräte zu Messen. Also der Widerstand ist echt hoch 
>10M
Denke es geht wirklich nur mit einer Messbrücke, wenn überhaupt! Ich hab 
aber immer noch keine Antwort auf meine Frage, ob es geht einen Teil 
einer Messbrücke als IIR-Filter in einen DSP/µC zu implementieren??? Ich 
will ja keine Lösung, ich will nur wissen ob es wegen den 
Signallaufzeiten erlaubt ist/sinn macht bzw. ob das vielleicht jemand 
schon mal gemacht hat?

Autor: Ulrich harms (Gast)
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Einen DSp könnte man nutzen um einen Lockin Verstärker "nachzubauen", 
wobei die modernen Lockin Verstärker auch oft auf DSPs basieren.
Das eigentliche Problem wird aber wohl werden extrem kleine Ströme zu 
messen. Dazu muss man so dicht wie möglich an die Probe ran, denn jeder 
cm Kabel stört schon, von Steckverbindern ganz zu schweigen. Wege des 
Serienwiederstandes wird sich das Ganze wohl bei eher moderaten 
Frequenzen ( < 1 MHz Abspielen). Wegen der parasitären Kappatzitäten, 
würde ich mal vermuten, das die relativen Änderungen und damit die 
Verstimmung der Brücke sehr klein sein werden. Nach einem einmaligem 
Abgleich (von Hand ?), genügt es dann die Brückenspannung phasenrichtig 
bei ein paar Testfrequenzen zu messen. Bis auf den benötigten sehr 
hochohmigen Verstärker gibt es dafür fertige Geräte (Lockin Amplifier 
bei eher niedriger Frequenz oder Netzwerkanalysator bei hohen 
Frequenzen).

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