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.
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.
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.
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.
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)
