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
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 ;).
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
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.
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?
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?
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).
