Konstant strömkälla för mätning av kapacitans

[hadoque]

Hej
Jag ska bygga en kapacitansmätare som mäter genom att mäta tiden det tar att ladda upp kondensatorn till en viss spänning via en konstant strömkälla. En strömkälla baserad på op-amp hittade jag i "The art of electronics", se bilden. Där står att spänningen på minusingången kommer att vara Vin, och därför flyter en ström I = Vin/R genom load.
Jag lyckas inte riktigt begripa mig på hur detta kommer att funka. vin kommer att vara 3.3v. Om V- = Vin flyter ju en ström genom R, som sagt. Om load är en kondensator så betyder ju det att ström måste flyta ur vänstra sidan av kondensatorn. Men om ström flyter ur kondensatorn måste ju den sidan få ett elektronöverskott och därmed negativ laddning. Och det funkar ju inte...
Kan någon hjälpa mig att rätsida på detta?

[Icecap]

Det kommer att vara mycket enklare att mäta om du istället använder en strömkälla som ger en konstant ström och låter kondensatorn vara kopplat till GND med ena polen.

Detta mätsätt leder mig till att anta att det är ganska stora kondensatorer du ska mäta, är det korrekt?

[monstrum]

Vänstersidan av kondensatorn blir negativt laddad, men potentialen relativt jord är ju konstant, dvs högersidans potential kommer att öka relativt jord.

[bearing]

Nej, vänstersidan kommer ju hamna på samma potential som plusingången. En operationsförstärkare med negativ återkoppling strävar ju efter att hålla båda ingångarna på samma potential.

[monstrum]

Ja naturligtvis, jag förklarade enbart hur kondensatorn betedde sig.

[hadoque]

Wow, vilka snabba svar. Tack tack.
Ok, så om jag förstår detta rätt:
Kretsen kommer att funka för mitt ändamål. Spänningen på vänstersidan av kondensatorn är konstant Vin och spänningen på högersidan kommer att öka med laddningen?
Kretsen kommer inte att vara för jättestora kondensatorer. Jag tänkte använda ett ganska stort R (1Mohm) och en pic24 för mätningen, så tidsupplösningen i mätningen blir ganska hög och strömmen liten.
Jag tänkte låta ena sidan av kondensatorn vara kopplad till Vref på PIC'ens ADC och den andra till en av de analoga ingångarna och på så sätt slippa mäta mot jord.
Det här är ett projekt som är del av en digital elektronikkurs och min lärare är ganska disträ och säger bara att allt är bra och att fel går att fixa i efterhand. Jag vill gärna ha lite koll innan, så att jag slipper en massa fula "rättningar" på PCB't.

[monstrum]

Nu är jag inte insatt i PIC, men Vref brukar normalt sett vara referensspänningen som du vill ska motsvara maxvärdet för ADC:n. Ska du använda den här kopplingen så måste du därför ha någon form av differentiell mätning. Har PIC:en detta inbyggt så är det ju bra, annars får du bygga en diff-försärkare eller använda en konstantströmkälla där du kan koppla kondensatorn mot jord.

[Icecap]

En A/D-ingång är en belastning som påverkar mätningen, det behövs alltså en buffer mellan kondensatorn och PIC'en.

Samtidig kommer det inte att fungera att mäta på det vis! Man kan inte programmera PIC'en att ge signal vid en viss spänning på A/D-ingången och samplingen tar så pass med tid (i detta) att du inte kan förlita dig på detta system.

Däremot kan du göra en oscillator med kondensatorn där den vänder på strömmen när ett nivå är nått, sedan mäter du upp- och urladdningstiden och känner du då strömmen och spänningarna kan kapacitansen enkelt räknas ut liksom läckström.

Principen fungerar även över ett mycket stort värdeområde.

[hadoque]

Jag har emitterföljare mellan mätpunkten och analogingången, för att få hög impedans.
Jag tänkte att mätningen skulle gå till ungefär så här:

Kod: Markera allt

mätprocess()
{
slå på strömkällan med mosfetswitch
loop
{
läs av analog ingång
om spänning under låg tröskel - gör inget
om spänning över låg och under hög tröskel - öka räknare
om spänning över hög tröskel - hoppa ur loop 
}
räkna ut kapacitans genom värdet på räknare
avsluta
}

Sen får man beräkna/mäta hur lång tid en loop tar och kalibrera funktionen för att ge rätt mätvärde.

Är detta något som inte går att göra med en PIC? Min lärare och min labassistent har sagt idén kommer att funka...

[Icecap]

Med "större" kapacitanser kan det fungera alldeles utmärkt, anledningen är att du får en massa ströströmmar som blir svåra att tygla och som gör mätning extremt svår vid låga värden kapacitans. Och en emitterföljare är då direkt olämplig som buffer, den är strömstyrd!

Det är inte en "PIC eller annan µC"-grej, det är ett teknisk fel sätt att mäta på helt enkelt.

[hadoque]

Det är alltså en emitterföljare gjord på en op-amp. Den måste väl ändå vara spänningsstyrd?
Tack för alla svaren. Jag ska diskutera detta vidare med min lärare på måndag.

[SeniorLemuren]

Om du inte är låst till att använda en op-amp kan du ju alltid kolla mitt projekt.
http://elektronikforumet.com/forum/view ... =8&t=46369
där använder jag en 555 som ger en frekvens, som är proportionell till kapacitansen, för att mata in i pic.

[Icecap]

Om den är gjord med en op-amp är det ju ingen emitterföljare eller hur?

Mätprincipen är OK som sådan men att göra den medelst A/D-omvandling ger mycket låga strömmar och ganska stor osäkerhet vid låga värden på kondensatorerna.

Om man istället gör samma sak men låter strömgeneratorn kunde sourca och sinka strömmen kan du bygga en oscillator, mäter du sedan tiden för varje funktion kan du få bra upplösning och precision. Att mäta tid med en mikroprocessor är synnerligt enkelt.

[hadoque]

IceCap>> Ok, sorry, jag trodde det kallades emitterföljare även med op-ampar. Från The art of electronics:

Figure 4.8 shows the op-amp version of an
emitter follower.

Feltolkning alltså..

Förstår jag rätt nu. Du tycker alltså att jag skulle bygga en konstant-ström-oscillator där frekvensen bestäms av PIC'en genom att med ADC'en mäta när kondensatorn är fulladdad? Menar du då att jag skulle göra en mängd mätningar av upp och urladdning för att minska det statistiska felet?

SeniorLemuren >> Tack för tipset.

[jesse]

Jag tror inte ADC:n är lämplig alls i sammanhanget. Du ska inte mäta en viss spänning, du ska mäta en tidpunkt, då en viss spänning uppnås. Det gör man hellre med en komparator än med en ADC. Sedan får du en logisk signal vars längd (i tid) du kan mäta med PIC.en. En oscillator innehåller ju vanligtvis redan en komparator, dvs den bildar en logisk utsignal som växlar läge när kondensatorn nått en viss spänningsnivå. Om du bara lyckas få oscillatorn att ladda och ladda ur kondensatorn med konstant ström så är det lätt att räkna ut kapacitansen, men jag tror nog att det är så att även om du laddar kondensatorn via en bestämd resistans (då får du en logaritmisk kurva) så blir tiden till en viss spänning ändå linjärt proportionell med kapacitansen. Fast det blir lite svårare att beräkna den koefficient som du måste multiplicera med för att få rätt svar.

Fördelen med oscillatormetoden är att du kan låta PICen använda olika mätmetoder beroende på frekvens. Om den detekterar en hög frekvens, då kan den räkna antal pulser per sekund, men om det går långsamt kan den istället mäta tiden för en puls. På så vis får du stor noggrannhet för både mycket små kondensatorer och för de stora.