Hi, ich beschäftige mich gerade ein wenig mit den CDCs von ACAM. Um meine Messergebnisse besser zu verstehen habe ich versucht herauszufinden wie der Baustein eigentlich arbeitet. Dazu habe ich das Patent DE102006020301B4 von ACAM gefunden. Darin heißt es, dass es neben der Messkapazität Cmess auch noch parasitäre Kapazitäten Csg gibt und das die Laufzeit des Komparators tkomp ebenfalls mit als Fehler in das Ergebnis eingeht: t = (Cmess + Csg)·R + tkomp Ferner besteht die Möglichkeit eine interne Kompensationsmessung durchzuführen. Dabei werden alle Kapazitätseingänge abgetrennt und man erhält: Tsg = Csg·R + tkomp Soweit so gut. Schaue ich mir jetzt aber von mir durchgeführte Messungen bei konstanter Temperatur an stelle ich fest, dass t und auch Tsg mit der Zeit weglaufen, beide aber mit unterschiedlicher Steigung. Ergo muss sich entweder Csg und/oder R und/oder tkomp verändert haben. Doch was ist wahrscheinlich? Kann sich die Laufzeit des Komparators bei konstanter Temperatur ändern und falls ja warum? Lässt sich diese irgendwie beschreiben? R würde ich als konstant erwarten und die parasitären Kapazitäten auch. Gleiches gilt für mein Cmess, welcher ein NP0-Kondensator ist. Erklären kann ich mir das aber nicht. Kann jemand vielleicht mit Wissen auffahren das mir fehlt? Schönen Abend, Felix
Lässt sich R ändern? Dann könntest du das Problem eingrenzen. Sind die Messungen nach einer Pause von >10min wieder auf gleichem Niveau? War der Schaltkreis bereits eine fest definierte Zeit an, damit sich eine konstante Temperatur einstellt? Ergo, Umgebungstemperatur != Schaltkreistemperatur Hat sich R erwärmt? Normalerweise steigt R mit Erwärmung und es ergibt sich so eine längere Zeit. Messe am besten mit einem Temperatursensor (infrarot oder aufgeklebter) nach. Wenn du mehr lernen möchtest, kann ich dir empfehlen ein Elektrotechnikstudium zu beginnen.
Ich könnte einen externen Widerstand anschließen, das ginge tatsächlich. Allerding gehe ich bisher davon aus, dass der interne Widerstand, ich nutze den 180k, einen kleineren TC hat als es ein externer haben könnte. Der interne Referenzwiderstand für die Temperaturmessung ist mit -1,1ppm/K angebenen, also nehme ich einen ähnlichen Wert für den 180k Entladewiderstand an. Das System lief über 90h in einer Klimakammer bei konstanter Temperatur, also kann ich nach einer Einlaufzeit von konstanten Temperaturverhältnissen ausgehen. Die Messwerte laufen jedoch die ganze Zeit immer weiter weg. Aber das war auch nicht die Frage, die Frage war, ist die Laufzeit eines Komparators bei konstanter Temperatur und Versorgungsspannung konstant oder verändert sie sich?
Ein Patent ist ueblicherweise keine Quelle von Wissen, sondern Quelle von Nebel. Es geht jeweils darum, die Arena abzustecken, ohne zuviel Preis zu geben. Ebenso muss nicht alles was patentiert wird Sinn machen, oder gar funktionierten. Im vorliegenden Fall geht es um eine Megatrivialitaet, zwei Kapazitaeten in deren Lade/Entladekurve mit einem Komparator zu vergleichen. In meinen Augen Erfindungshoehe exakt gleich Null, nicht patentwuerdig. Damit haette man vielleicht vor 100 Jahren noch einen Blumentopf gewonnen. Ein neues Einsatzfeld fuer Juristen ... irgend jemand bezahlt immer.
Wie hoch ist die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit? Woraus besteht die parasitäre Kapazität? Quaxkabel? Bei der parasitären Kapazität könnte sich die relative Permittivität ändern (Trocknungseffekt, Feuchtigkeitsaufnahme, Ausgasung). R und tkomp werden sich kaum ändern, allenfalls durch Verschmutzung verursachte Leckströme (zb. Flussmittelrückstände). Was ist der Anlass für die Untersuchung? Cpar,R,tkomp werden im Gleichungssystem eliminiert.
Zur Bestimmung des Schaltungsdrifts, würde ich für Cmess und Cref Kondensatoren vom selben Typ einsetzen und in einer zweiten Messung die beiden vertauschen. Weiter könnte man Cpar gezielt ändern, um den Anspruch der Einflusselimination zu prüfen.
Okay, ich muss wohl noch etwas weiter ausholen. Die Temperatur lag bei der 90h (teilweise auch länger) Messung bei 25°C in der Klimakammer, Feuchte bei 50% RH eingestellt. Die Messungen nähern sich scheinbar keinem Grenzwert an sondern laufen kontinuierlich weg. Die parasitäre Kapazität ist die innerhalb des Chips bis zum Schalter, von dem aus es dann über die Bonddräht und das Chip-Package zur Außenwelt geht. Das heißt ich messe bei der internen Kompensationsmessung nur die parasitären Kapazitäten bis zu diesem Schalter und in meiner eigentlich zu messenden Kapazität steckt alles von Schalter über das Chip-Package bis hin zur Leiterbahn. Anlass für die Untersuchung war, dass ich einen differentiellen Sensor aufgebaut habe, der in meinen Messungen (d.h. die Differenz der beiden gemessenen Kapazitäten) mit der Zeit weggelaufen ist. Darauf hin habe ich angefangen systematisch herauszufinden woher diese Drift kommt. Letztlich bin ich dabei gelandet einen symmetrischen Aufbau mit NP0-Festkondensatoren zu realisieren und habe herausgefunden, dass das Driften ein Effekt ist der von Chip kommt, weil ich den gleichen Effekt auch an NP0-Festkondensatoren mit extrem kurzen Leiterbahnen bis zum Chip in der Klimakammer beobachten kann. Auch die Größenordnung der Drift ist gleich und damit kein Effekt von meinem Sensor. Also versuche ich herauszufinden was da im Chip vorgeht. Da es um einen differentiellen Sensor geht nützt mir der Verhältnisansatz nichts. Letztlich möchte man meinen, dass sich bei der Differenz die ganzen Effekte ebenfalls eleminieren. Das scheint aber nicht der Fall zu sein, was m.E. daran liegt, dass das Chip nicht parallel alle Kapazitäten misst, sondern sequentiell die einzelnen Kapazitäten ausliest. Das heißt Änderungen zwischen zwei Einzelmessungen gehen voll in das Ergebnis ein. Ich nehme aber mal mit, dass ich schauen werde was passiert wenn ich einen externen Entladewiderstand gleichen Wertes verwende, gute Idee.
Limi schrieb: > Verstehe ich das korrekt? Ja, nur das sich bei mir Cref und Cmess gegensinnig ändern und Cref nicht konstant bleibt.
Für die Differenz ist eine höhere Genauigkeit als für das Verhältnis Cmess/Cref erforderlich. Etwa um den Faktor des Verhältnisses Cdiff/C. Eine konstante Drift: Hier bin ich am rätseln. Vielleicht Ripple auf VCC? Vielleicht lässt sich die Schaltung versuchsweise an einer Batterie betreiben.
Limi schrieb: > Für die Differenz ist eine höhere Genauigkeit als für das > Verhältnis > Cmess/Cref erforderlich. Etwa um den Faktor des Verhältnisses Cdiff/C. > > Eine konstante Drift: Hier bin ich am rätseln. Vielleicht Ripple auf > VCC? Vielleicht lässt sich die Schaltung versuchsweise an einer Batterie > betreiben. Das passiert bereits, ich versorge aus einem recht großen LiPo mit LDO für 3,3V. Netzeinflüsse wollte ich von Anfang an ausschließen.
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Durch R und T2 fliessen drei unterschiedlich grosse Ströme, somit können sich diese unterschiedlich erwärmen. Bei T2 könnte sich UCE-Sättigung etwas ändern. Diese addiert sich zum Spannungsabfall über R. Der Komperator schaltet wenn folgende Bedingung erreicht ist:
T2 kann leicht durch Modifikation der Schaltung nach Fig1-modifiziert eliminert werden. Ein weiterer Messfehler entsteht durch unterschiedliche RDSON der beiden Analogschalter. Der Fehler wirkt sich bei kleinerem R stärker aus. Entscheidend für die Genauigkeit ist ein konstantes VCC während den drei Messungen. An VCC sollte m. E. ein Stützkondensator von mind. 5*(Cpar+Cref+Cmess) und kleinem ESR bestückt sein. Die parasitären Kapazitäten zwischen AS1 und Cref sowie zwischen AS2 und Cmess sind unterschiedlich. Allerdings kann ich mir aus diesen Fehlerquellen keine konstante Drift erklären.
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Damit die Bezugspannung des Komperators besser passt habe ich die Modifikation angepasst.
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Im Gegensatz zum Patent ist die Schalteranordnung im Chip tatsächlich etwas anders realisiert.
Limi schrieb: > Entscheidend für die Genauigkeit ist ein konstantes VCC während den drei > Messungen. An VCC sollte m. E. ein Stützkondensator von mind. > 5*(Cpar+Cref+Cmess) und kleinem ESR bestückt sein. Ich habe 10µF || 100nF an Vcc und 4.7µ an BuffCap, das sollte demnach ausreichen. Ich habe auch schon mit verschiedenen Kondensatortypen zur Spannungsstabilisierung Versuche durchgeführt, konnte aber zumindest hier keine Änderung feststellen.
Ich nehme an die Schaltung wurde auch schon in einer geschirmten Box betrieben. Was sagt ACAM zum festgestellten Verhalten?
Nein, eine geschirmte Box gibt es nicht, aber wenn auch die interne Kompensationsmessung schon wegläuft nützt die geschirmte Box auch nichts mehr. Ich habe erste Versuche mit einem externen Entladewiderstand durchgeführt, das Ergebnis sieht aber nicht besser aus. Ich gehe in Kürze mit dem Aufbau wieder in die Klimakammer, erwarte aber keine Besserung. ACAM weiß leider auch nichts dazu zu sagen, weil ich mich eher an der unteren Auflösungsgrenze des Chips bewege. Bei den Produkten wo der CDC bisher zum Einsatz kommt hat man es wohl mit Grundkapazitäten von 100pF zu tun (Drucksensor), ich bin eine Größenordnung kleiner mit der Grundkapazität und vor allem am Attofaradbereich interessiert. Das Datenblatt gibt ja auch keinerlei Genauigkeiten an, sondern spricht nur von Auflösungen. Ein echter Vergleich zum AD7746 anhand des Datenblattes ist leider nicht herstellbar. Zudem rechnet ACAM in seiner Standardfirmware immer nur mit Verhältnissen, nicht mit Differenzen, sodass ich hier eigene Firmware schreiben muss. Im Moment besteht meine Firmware nur daraus, dass Rohdaten ausgegeben werden, sämtliche Verrechnung mache ich derzeit offline. Ich lese also neben Temperatur und interner Kompensationsmessung nur noch meine Sensorkapazitäten aus.
Was spricht gegen den AD7746? Um welchen Chip geht es? PCapØ2 oder PCapØ1? Wie hoch ist die Drift? Um welchen Faktor müsste diese kleiner sein, damit es akzeptabel wird? Falls sich überhaupt etwas optimieren lässt, finde ich faktor 2 bis 3 schon viel. Damit stellt sich die Frage, ob das Ziel mit diesem Chip erreicht werden kann. Wie hoch ist die Messfrequenz? Wie wird diese erzeugt? Wie stabil ist diese? Wie wird eigentlich die Entladedauer gemessen? Annahme die Entladedauer wird mit Anzahl Impulsen einer höheren Frequenz bestimmt. Für eine Überschlagsrechnung nehme ich mal ein Tau = R*C 180k*100pF=18ms Auszählen mit 1000 Pulsen ==> 56MHz 180k*0.1pF=18ns Auszählen mit 1000 Pulsen ==> 56GHz Wegen der abnehmenden Steigung wird eher weniger als 5*Tau lang entladen. Somit lassen sich die Frequenzen maximal mit 5 dividieren. ==> R_ext_Discharge möglichst hoch wählen (beim PCap02 habe ich bis 1MOhm gesehen)
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