[/quote]
Станислав, это стандартное решение. Т.е. если речь идёт именно об измерении напряжения, то нужно сильно изгаляться. А в случае ёмкостного датчика всё решается намного проще (жаль, что автор топика сразу об этом не написал).
Датчик запитывается парафазным сигналом, причём амплитуда одной или обоих фаз регулируется (в прошлом веке - ползунком на катушке трансформатора). Средняя точка подключается к низкоомному входу усилителя рассогласования. Все подводки экранируются и защитное кольцо(-а) емкостей также заземляются. Ёмкость кабелей и пр. при этом не играет роли, поскольку экранируемая средняя точка и так сидит на виртуальной земле.
В принципе, можно даже попробовать отказаться от компенсации, т.е. использовать в качестве выходного сигнал непосредственно с выхода усилителя рассогласования. Но в книжке (где-то пылится на дальних полках) для такой задачи почему-то описывался именно автоматический мост. Возможно, так достигалась линеаризация в доцифровую эпоху...
[/quote]

Стандартное решение мне знакомо; согласен, что оно снимает жесткие требования к усилителю, однако здесь возникают следующие сложности, связаные с желаемой точностью измерения емкости 0.01%:
1. Надо точно выдерживать амплитуды обеих фаз подаваемого напряжения (отличие уже на 0.005% погубит точность)
2. Не совсем ясно, что включать во вторую диагональ моста (не ту, где дифференциальный емкостной датчик). Дело в том, что температурные уходы включенных туда компонентов (будь то резисторы или емкости) должны быть строго согласованы (см. точность выше).
3. Подавление паразитов - вообще не тривиальная задача, все зависит от конкретной реализации механики датчика (которой пока нет, а для таких точностей и с платой придется мухлевать...
4. Компенсация - это некая обратная связь, с помощью которой можно влиять либо на амплитуды разнофазного напряжения, либо на элементы, включенные в мост, причем принципиальна чувствительность регулировки => опять же (1) или (2).

[/quote]
Уважаемый monitor7 как-то приводил ссылку на высотемпературные приборы.
Если удастся раздобыть нечто подобное HT1104, можно попробовать сделать вот такую схемму:
[/quote]

Stanislav, спасибо за схему. Раздобыть какие угодно приборы в принципе не проблема, за ценой не постоим :-). Только мне кажется, что в схеме к емкости ОС будет прибавляться собственная коррекционная емкость ОУ (м.б. не вся, а частично), а она зависит от температуры весьма сильно.

[/quote]
Я бы, пожалуй, не торопился с утверждением, что питание датчика +-5 В менять нельзя. Кста, а насколько оно точно и стабильно? Лучше 0.1%?
Был оглашен диапазон частот сверху. А снизу? Fнч определит требуемое минимальное [эквивалентное] входное сопротивление измерительного преобразователя. Если собираетесь измерять статику, про питание датчика постоянным напряжением стоит забыть.
имхо, измереметр придется разбить на преобразователь C или U во что-нибудь пригодное для передачи на несколько метров, объединенный со схемой питания полумоста и схемой коррекции/компенсации/балансировки, и размещаемый в непосредственной близости от датчика, и удаленный от датчика преобразователь этого "что-нибудь" в требуемый вид.
Возможность использования эскиза схемы, приведенного Stanislav'ом, может быть ограничена конструктивным исполнением датчика. И входной ток для HT1104 при 225 С может составить 10 nA, что просто убийственно для усилителя заряда с 10 pF в ОС (хотя лучшего ОУ на такую температуру я не видел). Проблема решается схемными наворотами, в том числе по питанию полумоста, но сейчас уже не успею - в 22:00 выгоняют с работы
[/quote]

Xemul, интересно, какие конкретно навороты имеются в виду? :-)
Питание "грязное", его придется как-то вылизывать в любом случае. Вообще, говоря про питание, я имел в виду доступное постоянное напряжение, все остальное (AC питание датчика) надо будет делать.

Electrovoicer, что вы имеете в виду под "полосой" датчика? Я-то писал везде про подаваемую на емкость частоту (емкость ведь от частоты зависит, как и потери в ней). Причем к окончательному варианту по ней еще не пришел.
Судя по тому, что вы сравниваете с 10-ми Гц для AD7745, я так понимаю, что вы имеете в виду частоту обновления измеряемых данных? Если говорить о ней, то четкого требования еще нет, но это несомненно критичный параметр для проекта, там часто надо мерять. М.б. 1-2 кГц обновление результата.

Old Nick и Stanislav, спасибо за вашу дискуссию, она помогает думать; тем не менее, я еще выбираю между мостом ( малые треб. к усилителю, но высокие к установке амплитуды и элементам моста) и полумостом ("хитрый" усилитель заряда).
Кстати, еще мной рассматриваются и другие варианты: управляемый генератор на "хорошем" таймере, у которого частота выходного сигнала отзывается на изменение емкости. И еще вариант - схема не переключаемых конденсаторах (прилагается). Там принцип несколько похож на то, что делается в AD7745, Uout = - Uin*C1/С2, имеется в виду DC.

Да, но в данной конкретной частности схема на БТ работать не будет.

Предполагаю, что предложение применить БТ во входном каскаде является необдуманным. Потому, что схема измерения с накачкой в несколько кГц и 10 пФ требует только ПТ на входе усилителя.

Под "Вашей системой" я подразумевал систему, лежавшую на Вашем столе.
Обсуждаемый вопрос сформулирован автором темы в постах № 1,3 и 14.

Нет, не каждый. Что есть, например, "чувствительный элемент"?
Вообще, непонятно, зачем писать столько умных слов? Поверьте, специалисту, даже начинающему, схема скажет гораздо больше.
Нет почвы, извините. После предъявления Вашего варианта схемы я это с удовольствием сделаю.

Ну, вот и приведите пример оттуда. С указанием страницы и номера рисунка.

Я понял, что на датчик подаётся переменное напряжение в несколько килогерц. Может, автор темы всё же ошибся или имел в виду что-то другое?
Схему (или эскиз схемы ) такого преобразователя я и привёл. Нужен ещё термодатчик для калибровки. Остальное - удалённо, в "холодной" части измерителя.

Нет, не убийственно. Разность входных токов - 5 нА. Пусть Rос=200МОм, это вызовет сдвиг нуля выхода в схеме без компенсации в 2 вольта, что вполне приемлемо. Подключив второй вход ОУ к "земле" через такой же резистор, зашунтированный небольшим кондёром, получим уменьшение выходного смещения до 1 В. Информационным же является величина переменного напряжения, так что сдвиг нуля можно считать несущественным.
Хорошо бы посмотреть...

Простите, но стандартных решений, по моему мнению, не бывает. А бывают они хорошими или плохими.
В данной конкретной теме я считаю применение моста плохим решением, только и всего. А о том, стандартное оно, или нет - не мне решать.
Сиречь, усилителя заряда, как я понял?
Я тоже думал о таком варианте, однако, он мне не понравился. Основные недостатки привёл norsen в посте №31.

Не понял, о какой ёмкости идёт речь? Во всяком случае, мне этот термин не знаком. Может, речь идёт о ёмкости выход-вход ОУ? Она действительно будет влиять, но её можно минимизировать конструктивом платы, и она представляет собой достаточно стабильную величину.
Заряд из "левой" половины датчика будет полностью перетекать в "правую" его половину, при условии, что входные токи ОУ малы. Смысл применения ОУ состоит в обеспечении низкого выходного сопротивления схемы, и только. Дальше можете делать с сигналом всё, что заблагорассудится.

PS. При поиске высокотемпературных ОУ используйте волшебное слово: SOI (кремний на изоляторе).

Простите, но не совсем понятно, что значит "малые требования к усилителю"? По-моему, они такие же (ну, или почти такие же), как и для полумоста.

Если norsen таки расскажет про:
конструктив датчика (могу предположить, что все-таки имеем три свободных обкладки без конструктивной привязки к корпусу);
частотный диапазон измеряемого сигнала (требуется ли измерять статическое смещение, единицы кГц - предполагаемая частота модуляции питания датчика или верхняя граница полезного сигнала)
Я написал "эскиз схемы", т.к. он показывает только общую идею построения усилителя заряда. Если датчик выполнен с одной заземленной обкладкой, то эта схема уже неприменима. Если требуется измерять статическое смещение - тоже. Схема питания датчика и схема компенсации будут на порядок сложнее приведенного эскиза.
По даташиту на HT1104 Input Offset Current @225C все-таки <10 нА, но это несущественно, т.к. для усилителя заряда я бы предпочел видеть и Input Bias Current, и Input Offset Current <1-10 пикоА (про нижнюю частоту сигнала нам ничего не сказали, так что точнее не скажу).
Во времена стародавние усилитель заряда для пьезокварцевых датчиков я делал с двумя идентичными каналами (один чисто компенсационный) с входными каскадоми на поминавшихся КП305Е (подбирались по характеристикам, корпуса транзисторов жили в общем радиаторе, под которым стояли ОУ). Требования по точности были существенно мягче (1%), удалось получить постоянную времени усилителя 80-100 часов (емкость ОС 100 pF, входные токи считайте сами) - "Брюль и Кьер" отдыхал. На КР1409УД1 (тогда их начали делать в Риге) получилось на порядки хуже.

(1) и (2) описывают одно и то-же. Описываемя схема и есть мост. Парафазный источник, две ёмкости - вот и мост. Усилитель включён в диагональ, просто она наполовину заземлена.Вопросы точности и стабильности будут возникать в любом случае, даже если бы речь шла об измерении сопротивления резисторов "разумных" номиналов.
(3) - припоминаю, что данное решение рассматривалось (в книге) как единственное, вообще позволяющее провести измерения. Высокоомность требует экранировки, а она, в свою очередь, вносит крайне нестабильную дополнительную ёмкость. В данной схеме это противоречие снимается и появляется возможность ввести охранные кольца и вынести схему не несколько метров (!) от датчика.
(4) - вот, подумалось: без компенсации выходной сигнал зависит от номиналов схемы и распределения токов между элементами усилителя, например: какой ток втекает через резистор ООС и какой утекает через ножку ОУ? Насколько стабилен высокоомный резистор в ООС?
С компенсацией усилитель работает просто нуль-органом. т.е. его точность и линейность не влияют на результат.
Мне кажется, что для компенсации (сиречь, балансировки моста) можно будет использовать перемножающий ЦАП.

Есть ещё довольно популярная и остроумная схема резонансного измерителя. Автогенератор на колебательном контуре из"бросовых" элементов подключается к частотомеру. Далее к контуру подключается эталонная ёмкость. По этим двум точкам вычисляются параметры элементов контура, после чего к нему подключается измеряемая реактивность. Всё это, с индикацией, "укладывается" в однокристалку и компаратор (LM311 - в качестве автогенератора). По отзывам для любительских целей работает отлично, но мне кажется что требуемой точности и стабильности она не даст.

Согласен, термин несколько неудачный. С другой стороны - а как назвать решение, являющееся стандартом де-факто?

Ладно, не будем спорить о терминах. Что-же касается "плохости", то мне кажется, что данное мнение недостаточно обосновано

Ну, если усилитель заряда низкоомный, то.. я просто не знаю

Коррекционная емкость - это та, что внутри ОУ, специально сделана для отрицательной ОС. Она включена между выходным каскадом ОУ и инвертирующим входом дифференциального каскада (может быть и между другими каскадами). Поэтому в отрицательной ОС уже есть "своя" емкость ОУ, по величине - от 1ц до десятков пФ. Если датчик дифференциальный, то сигнал на выходе вашей схемы будет пропорционален соотношению емкостей "половин" датчика, а эта самая коррекционная емкость прибавится к емкости второй половины - той, что в ОС, чем испортит результат.



Не скажите. Тут кто-то писал о том, что если мост балансируется, то усилитель включением в диагональ ничего не портит - на этой диагонали и так 0, главное - точность регулировки, которая тоже от усилителя не зависит. Усилитель служит звеном в цепи общей "корректировочной" ООС схемы. В случае же усиления с середины полумоста, где амплитуда U = Uвозб * C1 / (C1+C2), Uвозб - амплитуда возбуждения, C1,C2 - емкости "половин" датчика, усилитель не должен вносить в схему дополнительных импедансов.



Конструктив еще не принят окончательно, это зависит от механиков, но я тоже могу влиять. Пока известно только, что датчик состоит из 2 емкостей, которые противоположно меняются. Частота снятия информации о емкости в идеале 5-8 кГц, соответственно возбуждение должно быть гораздо чаще (я немного наврал в начале форума), может быть, от 20 кГц и выше.



Измеряется только переменный сигнал, о статике речь не идет. Я так мыслю, что смещение на выходе не страшно (в разумных пределах


Я тут еще задумался в рамках вопроса: известно, что емкость сама по себе и потери в ней зависит от частоты, т.е. на разных частотах значения различны. А как считать, если возбуждение емкости происходит не гармоническим, а, например, импульсным сигналом?

Сообщение отредактировал norsen - Aug 30 2006, 06:07

В уровнемере для ГСМ делал следующий усилитель:


Сигнал с выхода выпрямляете синхронным выпрямителем (синхронным с генератором возбуждения) и интегрируете (например, используя сигма-дельта АЦП).

Опорным напряжением для AЦП может служить напряжение генератора возбуждения, что хорошо скажется на компенсации этой нестабильности.

Операционник с полевыми транзисторами на входе и быстродействующий... Во время разработки под рукой был только 574УД3, его и пользовал, с неплохими результатами.

Кабели достаточно длинные, MC можно градусов до 250 греть...

Без особого гемороя достигается разрешение порядка 10e-3 (практически зависит только от качества операционника), и абсолютная точность 10e-2 при использовании хорошей емкости в обратной связи. Если есть, чем калибровать (какая либо опорная емкость, подключаемая вместо измерительной), то абсолютная точность сравнима с разрешением

ЗЫ Вся конструкция работает в емкостном уровнемере 0-20метров с точностью +-1мм, при этом весь диапазон разбит на участки по 250мм и они переключаются ключами на вход ОДНОГО усилителя.

ЗЗЫ Кстати, схема нечуствительна к активной проводимости измеряемой емкости (ну, скажем не менее 10МОм), что может помочь в случае большой влажности...

Простите, но Вы имеете несколько превратное представление о корректирующей(их) емкости(ях) в ОУ. Посмотрите схемотехнику ОУ - и убедитесь, что они включаются вовсе не между выходом и входом. Чаще всего с помощью такой ёмкости создают местную частотно-зависимую ОС в каскаде с максимальным усилением, формируя доминирующий полюс АФХ.

Без наличия самОй схемы обсуждать этот вопрос, согласитесь, несколько сложновато.
Совершенно, например, непонятно, какой всё-таки метод балансировки моста предлагается.

Опять ничего не понятно. Каких именно импедансов? И почему в мостовой схеме эти "импедансы" несущественны?

А вот это существенное уточнение!

Импульсный сигнал в ряде случаев может оказаться хуже - к усилителю-преобразователю придётся предъявлять более жёсткие требования по линейности и быстродействию.

Интересно. В общем, усилитель заряда. Хотелось бы прояснить:
1)Почему на датчик подается меандр? (а не синусоида?)
2)Терминологически: под разрешением имеется в виду уровень нечувствительности, а под точностью - относительная погрешность измерений? а то все так говорят и в даташитах пишут, но не всегда есть ясность :-)
И кстати: если у вас не было опорной емкости, как вы сделали вывод о точности? (Ведь для этого нужно знать измеряемую емкость с точностью выше, чем дает схема) Или точность 10е-2 расчетная?
3)Какие параметры ОУ вы имели в виду, говоря о его качестве: входные токи или еще что?
4) Исследовался ли термоуход схемы?

5) Меня не покидает ощущение, что к емкости ОС должно что-то добавляться, обусловленное внутренней емкостью коррекции ОУ. И еще: возможно, лучше не детектировать, а применить АЦП побыстрее, синхронизоваться с источником и детектировать уже в цифре? Линейность, все-таки, а частоты позволяют...

А мне вот, например, кажеся недостаточно обоснованным предложение применить мостовую схему (которую, кстати, здесь представлена только общими словами, со ссылками на некую "понятность").

Тогда не понимаю я.
Идеальный усилитель заряда имеет нулевое входное сопротивление.
В то же время, его активный элемент (ОУ) при таких параметрах датчика обязан иметь высокое входное сопротивление.
Если это не так, поясните свою мысль, пожалуйста.

А как обстоит дело с устойчивостью такой схемы?

1. А какая разница? Меандр проще сформировать, кроме того интеграл модуля сигнала не будет зависить от активной проводимости, а вот с синусоидой надо еще посмотреть...

2. Точность 10e-2 измерена косвенно (так на пальцах не объяснишь, в общем, там в уровнемере все измерения относительные, но можно немного подкорректировав программу, превратить их в абсолютные и по разности оценить точность).

3. Входной ток должен быть как можно меньше, полоса и скорость нарастания побольше.

4. Да, исследовался. Определяется качеством конденсатора в цепи обратной связи.

5. Для меандра - нет

Лучше детектировать (+1 каскад на операционном усилителе и ключи) и потом интегрировать(входит в состав СД АЦП).



Устойчив.

Используется штатная коррекция операционника. Точнее на к=1.

Спасибо.


Например, такие схемы:


Здесь усилитель условно обозначен, главное. что в первой схеме его импеданс влияет на результат, так как включен параллельно 2-ой емкости делителя. Во второй же схеме усилитель служит только индикатором разбаланса, а результат преобразования представляется не усиленным напряжением, как в первой схеме, а схемой контроля, т.е. тем, насколько изменены параметры схемы(источника или пары С0 и С00) для поддержания 0. Я именно это имел в виду, говоря о требованиях к усилителю. О сложностях такого подхода я уже говорил, однако импеданс усилителя здесь действительно не влияет.
Вроде как, с усилителем заряда все должно получаться хорошо...

конечно, приведены здесь не схемы, а, скорее, структуры. Как именно делать коррекцию моста - это другой вопрос

Сообщение отредактировал norsen - Aug 30 2006, 10:24