Предлагаю обсудить осуществимость и методы измерения таких величин как нановольты, пикогенри, фемтофарады и т.д. Что может современная техника и что можем МЫ?

Тема навеяна обсуждением измерения микровольт в топике: "Усилитель биологических потенциалов".
http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=12404.

техника может, например, следущее:
http://www.prist.ru/produces/pdf/rlc/6520,6530,6540.pdf
Разрешающие способности:
R: 10 мкОм
C: 1 фФ
L: 0,1 нГн
стоимость ни в какие ворота не лезет.
Есть готовые чипы для работы с датчиками перемещений, например, ad7745 с разрешением 4aF (даже не понял сколько это), но всё это вещи низкочастотные (сотни герц) + зависимоть точности от шунтирующей проводимости.
Мне удавалось в "домашних" условиях на параллельном LC-контуре на 8 МГц методом компенсации внесённой ёмкости (по сдвигу фазы варикапом) определить С с точностью до 0,5 пФ при шунтировании проводимостями 100 мкСм - 10 мСм.
Проблема измерить всё это в полосе частот, скажем, от 1 Гц до ...... 100 МГц! Мда...

атто = 10e-15

Простите, но Вы ошиблись. Атто = 10e-18, фемто = 10e-15.

Вообще-то, обсуждение подобной темы рискует вылиться в грандиозный флейм. Поэтому, мне кажется, лучше приводить конкретные параметры измерительных устройств (подобно тому, как это сделал Миша), а также, если нужно сделать нечто экстраординарное, точные параметры (модели) источников сигнала и помех, чтобы поиметь почву для обсуждения.
Кому интересно, может поискать уровень сигнала от одного спутника, принимаемого GPS C/A приёмником на patch-антенну, а также разрешающую способность ёмкостного датчика перемещения, например, в MEMS акселерометре. Думаю, результаты впечатлят. А ведь это, по современным меркам, копеечные приборы...

To Миша
Wayne Kerr Electronics c Базовая погрешность 0,05% как то не очень (IMHO) подходит для прецизионных измерений емкости, и соответственно всех других физических величин измеряемых емкостными датчиками. В западных лабораториях для подобных измерений используется в основном AH 2700A или AH 2550A
http://www.andeen-hagerling.com/
с Accuracy порядка 10 ppm.
Цена порядка 10 kEuro за AH 2550A

To Stanislav

К сожалению MEMS датчики имеют достаточно ограниченный температурный диапазон. Поэтому (пока) не удается их достаточно активно использовать в различных приложениях, где температура может быть существенно ниже комнатной (жидкий азот или гелий).

Поставлю проблему измерения фазового сдвига на ВЧ без использования трансформаторов и т.п. Для измерения малых ёмкости, шунтированных (не обязательно) большими проводимости необходимо чувствовать сдвиг фазы тест-сигнала относительно опорного порядка 0,1° - 1° (см. маткадовский файл). На частоте 10 МГц 0,1° соответствует T/3600=0,1*10e-6/3600=~27,7 пс. Если измерительный сигнал преобразовать в прямоугольник и подсчитывать ко-во приходящих импульсов, то тактовая частота счетчика должна быть 27 ГГц .
Способы решения:
1. Перенести сигнал в область НЧ (например, на 1 кГц). и без особых проблем таймером / "исключающим или" + интегратор / D-триггером продетектировать. На практике получается отловить минимум 1 - 0,5 пФ.
Недостатки: нелинейность аналогового переноса на НЧ, зависимость от амплитуд входных сигналов, неочевидные метрологические выкладки.
2. Обеспечить циркуляцию измерительного сигнала: генератор даёт один период синусоидального тест-сигнала и отключается (чтобы не мешать). Сигнал при переходе со входа на выход сдвигается, скажем, на 10 пс; с выхода через ОС попадает обратно на вход, снова сдвигается на 10 пс , и так столько раз, сколько надо (чтобы можно было поставить счетчик, тактируемый хотя бы от 1 ГГЦ, а лучше ниже). Как организовать циркуляцию - голову уже сломал, начал перебирать старые патенты 80-х годов (много интересных идей). Пока не нахожу .

To Миша
Пожалуйста опишите подробнее вашу систему измерения емкости. Это трех контактный или 4 контактный способ. Приборы для прецизионного измерения емкости (AH 2550A) используют обычно трех контактную схему, чтобы исключить влияние емкости кабелей подключения.
У меня нет MatCad, если можно ваш расчет как pdf file

Ну вот ещё в эу же тему.
Какое влияние могут оказывать на сигнал защитные диоды во входной цепи ? Сопротивление источника - порядка единиц килоом, преимущественно активное (не более 10к), полоса частот - 1 - 10000 Гц. Какую шумовую ЭДС будт создавать ток утечки диодов, стоит ли ставить в такие цепи диоды с особо малым током утечки типа 3N3595, которых хрен где найдёшь, или можно не парится, и поставить какие-нить широкораспространённые ? Вообще у кого какой опыт в по такой цепи ?

Ваш вопрос в этом топике не корректен. Здесь все-таки обсуждаются вопросы измерения величин. Создайте тему в ветке "Вопросы аналоговой схемотехники"!

Ну, MEMS датчики ещё много где не могут работать - в морской воде, в огне, в эпицентре ядерного взрыва... Тем не менее, это не мешает им постоянно расширять и так неслабую область применения, особенно с учётом непрерывного улучшения точности и появления на рынке всё новых производителей. И насчёт комнатных температур Вы не правы - диапазон такой же, как и для большинства микросхем, изготовленных по кремниевой технологии, т.е., где-нибудь -55 - +125 С.
А для чего нужно помещать MEMS датчики в жидкий азот? С гелием вообще экстрим какой-то. Назовите хоть одно кремниевое устройство, реально работающее при такой температуре.

2 Миша
Простите, но мне кажется. что Вы пытаетесь поставить телегу впереди паровоза. Для начала, нужно указать точные параметры измеряемой цепи и допустимую погрешность измерения, а затем уж обсуждать возможные решения.
Вообще-то есть подозрение, что нужное Вам устройство называется фазовым детектором. О том, как его сделать, можно говорить только после выяснения этих параметров. И не забудьте указать, возможно ли усреднение результатов измерений во времени.

Сообщение отредактировал Stanislav - Apr 24 2006, 05:06

To Stanislav
В моем сообщении не было итверждения, что MEMS датчики имеют более ограниченный температурный диапазон, чем другие изделия изготовленные по кремниевой технологии.

В данном случае непонимание возникло из-за существенно различных областей применений. В моем случае, это физические исследования (в том числе физика твердого тела), при которых использование жидкого азота и гелия в большинстве случаев просто необходимо.
Кремневые устройства в этом случае не используются, используются различные емкостные, I-V, и т.п. датчики. Вопросы же точного измерения с помощью таких датчиков очень актуальны (для физиков).

nadie файл перевел в htm - смотрите. Схема измерения ёмкости: Генератор кварцованный на ттлш-логике (КР1531ЛА3, питание 0, +5 В). Превращаем его в генератор тока последовательным с нагрузкой резистором 15 кОм. Нагрузка - параллельный LC-контур, настроенный на 8 МГц - катушка, конденсаторы, подстроечники, варикапная матрица КВС111А трехвыводная. С контура 2 выхода - на амплитудный детектор АД (кд522а) и перемножитель К174ПС1 (питание 0, +9 В). С перемножителя фильтруем RC-цепочкой (выносной блок закончен) и по экранированному кабелю подаётся на стационарный "счетный блок" - активный фильтр на ОУ, компаратор (синус-прямоугольник, питание +9В, -9В), далее "ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ" на К561ЛП2 (питание 0, +9 В). Дальше интегратор - просто RC-цепочка со здоровенной ёмкостью - её выход на вольтметр (индикатор ёмкости) и на управляющий вывод варикапа.
Алгоритм работы: подключаемая к контуру проводимость снижает амплитуду колебаний, что отражается в показаниях АД. Фазу колебаний проводимость не сдвигает. Емкость же, наоборот, не снижает амплитуду и сдвигает фазу, которую надо отловить (см. маткадовский файл). для этого загоняем её в перемножитель, и дале по цепочке, в итоге на варикап е устанавливается напряжение (индикатор) такое, чтобы он скомпенсировал внесёную ёмкость.
Возможности этой схемы: измеряемые емкости, шунтированные любой проводимостью в диапазоне 0 -10 мСм: 0 - 20 пФ с разрешающей способностью 0,5 пФ (для целей диэлькометрического контроля, чем я и занимаюсь, должно быть 0,1 пФ). Измеряемая проводимость - 100 мкСм - 10 мСм.

Теперь про фазовый детектор. Выходное сопротивление источников двух синусоид - зависит от измеряемой проводимости (!), частота синусоид - 1 Гц - 100 МГц (это нормальный диапазон для исследования физико-химических свойств проводящих сред). Габариты - минимум (это должен быть датчик с низкочастотным выходным сигналом для передачи на 0,5-5 метров). Усреднение во времени возможно (по крайней мере, на ВЧ). Метрология: разрешающая способность должна быть 0,01 - 0,1°, погрешность - 0,001 - 0,01°. Всё это идельные требования, так что их можно снижать в разумных пределах (в 2-5 раз все параметры).

Нет маткада - смотреть в htm

как-то это не корректно звучит. обычно наоборот бывает

To Миша
Можете pdf или что-то подобное сделать. kontur_C_100p.htm у меня не видно графики.