Здравствуйте.
Стоит задача - добавить в готовое устройство с ограниченными габаритами печатной платы схему измерения ёмкости в условиях промышленных помех с длинными линиями.
Требования могут быть скорректированы, но базовые таковы:
1. Диапазон измеряемых емкостей 10нФ...10мкФ, разрешение в 1нФ, относительная погрешность 2%
2. На линии присутствуют помехи промышленной частоты (может наводиться, если честно, всё что угодно, спектрограмму сейчас привести сложно), среднеквадратичное значение в диапазоне до 1500Гц может достигать 18..45В
3. Внешние конструктивные и организационные методы защиты от помех на линии использовать нельзя
4. Измерения производятся недифференциальным методом (один провод до объекта длиной несколько километров и заземление)
5. Желательно уложиться в габариты без источников питания и CPU: 20*20мм с обеих сторон ПП
6. Время измерения должно быть в пределах 20...40сек
7. Необходима защита от попадания с линии высоких напряжений до 300В амплитудного значения
8. Последовательно со схемой измерения ёмкости в линии стоит резистор номиналом 5.6кОм 1%, обойти который нельзя.

Номинально измеритель ёмкости в приборе уже присутствует, используется заряд постоянным током (напряжение 150В) и метод оценки напряжения по двум точкам экспоненты. Ведётся несколько измерений, затем выбирается значение после медианной фильтрации. Помехоустойчивость низкая, естественно: реальное значение от измеренного может отличаться в 2-3 раза при большом наведённом напряжении.

Как вариант рассматривается схема измерения на переменном токе с сеткой частот, например: 3, 13, 33, 133Гц. Использовать какой-нибудь малогабаритный ЗЧ-усилитель, есть CPU типа LPC1768 с ЦАП-ом на борту, который можно подключить к усилку для генерации синусоид. АЦП можно взять от того же CPU, либо есть двуполярное внешнее 12bit 250kSps. Оценить значение ёмкости на переменном токе можно через реактивное сопротивление. Выделить нужную частоту и отсечь помехи полосовым фильтром математикой ЦП тоже можно. Решение ли это? Есть ли ещё какие варианты?

Зарядить емкость (несколько секунд), а потом разряжать на интегратор. Он же - фильтр.

Вариант. Как оценить помехоустойчивость в таком случае? Интегратор аналоговый, цифровой, аналоговый и цифровой? Как быть с диапазоном в 3 порядка для аналогового интегратора? Есть ли какие статьи по этому методу?

Тут проблема только в том, чтобы зарядить емкость с нужной точностью. Наводки на интегратор можно посчитать. Легко, если знать наводки. Если не знать, то долго ждать.
Если смущают 3 порядка, то можно емкость интегратора менять коммутатором. Или взять что-то вроде IVC102 и сбрасывать интегратор. Получится сразу цифровой... В Вашу точность уложится... Кажется.
Там уровень после сброса немного прыгает, и небольшая часть заряда будет теряться во время разряда.

Наведённое напряжение - величина случайная, даже спектр помехи гуляет в зависимости от работы разнородного оборудования, которое находится рядом с линией. Токи помехи проходят и через измеряемую ёмкость тоже, величины до десятков миллиампер. Вызывает недоверие работа с интегратором, т.к. пока не особо представляю, как он может помочь в случае, например, если в эквивалентной схеме параллельно измеряемой ёмкости будет подключен источник помехи Не могли бы Вы пояснить, если не затруднит?

Нарисуйте конденсатор, резистор и ОУ. К конденсатору добавьте конденсатор, резистор и генератор. И смотрите. Можно симулятором. Важно только, чтобы не было зашкаливания ОУ. Возможны варианты со схемой ограничения тока разряда. Даже вместо резистора.

1 провод в несколько километров даст ёмкость в 10нФ и более. Мне кажется нужна калибровка. От электриков я слышал о блуждающих токах. А если такой ток приблудится? Сопротивление земли вещь непостоянная, я ещё мягко выразился.

+1.
Боюсь, для таких расстояний схему придется разбивать на две части: собственно измеритель с передатчиком и девайс с приемником.
Блуждающие токи (особенно их постоянная составляющая) штука совершенно непредсказуемая. Зависит и от наличия силовых кабелей, и трамвайной линии, и от системы гальванозащиты от коррозии трубопроводов, и т.д. и пр.
Как смотрите на преобразователь емкость/частота? Питание можно подавать по тому же проводу.

Хм... та же мысль первой и последней приходит в голову.
Простой релаксационный генератор на ОУ с емкостью линии , как частотозадающей. При рациональном построении схемы последовательные 5кОм уберутся, учтутся, мало повлияют. 2% точности - вполне подъемно для рядовых компонентов.
Все наводки сторонние убираются усреднением частоты (периода) за время измерения. Времени вроде хватает. И частоту генерации хорошо бы вне основного спектра помех. Даже вроде модельку прогнал сгоряча. Калибровать, сдвигать, масштабировать - есть чем, программисты это решат.
Главное - не пересолить, не переперчить, не перемускатить кварцами, ЦАПами и гироскопами.

Зарядить неизвестную емкость до известного напряжения и замкнуть на известную емкость.
Полученное напряжение измерить.
Магазин известных емкостей.
..Или наоборот - сначала известную емкость до известного напряжения..

..Это способ. А уж как усреднить..

Все бы хорошо но генераторы имеют свойство синхронизироваться внешним сигналом и может генерить на гармониках помехи.

А если применить двойное интегрирование как в ПВ-шке. Вначале заряд стабильным током до заданного напряжения, затем разряд не менее стабильным током до заданного напряжения.

В моём случае ёмкость линии учитывается в измерениях, т.к. включена в состав измерений: более-менее постоянная величина в пределах нескольких часов - точно, значение этой ёмкости может достигать и единиц микрофарад.
Блуждающие токи? Силовые кабели рядом и мощные нагрузки? Да, это как раз тот случай Приёмник и передатчик разделять нельзя.

Преобразование ёмкость-частота и включение измеряемой ёмкости в частотозадающую цепь генератора - думал об этом, но помехоустойчивость будет никакая, как мне кажется. Наведённое напряжение может вызвать срыв генерации, выведет ОУ в режим насыщения, если совсем не убьёт схему. К тому же следует помнить, что один конец частотозадающей ёмкости заземлён.

2 Tanya
Сейчас занялся моделированием как раз, как доделаю, сообщу. Пока интересует ещё ряд вопросов:
1. Используя интегратор для моего случая, как я понимаю, скорее всего придётся разбивать диапазон на три декады -> три значения ёмкости интегратора (или два-три интегратора), которые придётся коммутировать ключами с малой утечкой. При использовании IVC102 придётся ли использовать внешние конденсаторы или достаточно встроенных и можно поиграться временем интегрирования?
2. Не получится ли схема с интегрированием эквивалентом уже используемой (описал выше)? При этом добавляется ФНЧ: заряжаем неизвестную ёмкость до известного напряжения, разряжаем на известное сопотивление с фильтрацией верхних чатот. В этом случае, в зависимости от значения неизвестной ёмкости следует перестраивать ФНЧ и защищённость от разных спектральных составляющих будет меняться от измеряемой ёмкости. Т.е. в области малых емкостей - ВЧ часть помехи влияет, в области больших емкостей - НЧ часть. Бред тогда получается с таким эквивалентом.
3. В целом, помехоустойчивее ли предложенный Вами вариант варианта, который предложил я в начале поста?

Вы как-то себе генератор представляете вроде гетеродина в приемнике - дунь на любой компонент - завянет.
Релаксационный генератор сбить с толку достаточно трудно, если работать по токовой, а не напряженческой составляющей. Убить ОУ насыщением тоже не получится, как говорится, этого не может быть потому что не может быть никогда. ОУ должен генерировать ток и переключаться, как только напряжение зарядки измеряемого конденсатора достигнет некоего эталонного порога. Если оно увеличится- уменьшится преждевременно от внешней помехи - получим паразитную ЧМ (ФМ), но ничего не выгорит. Паразитная модуляция убирается усреднением. И, конечно, измерительный ток должен быть возможно больше, чтобы уровень помех по возможности подавить.
Что до земли, то таки придется конденсатор измеряемый подключить двумя концами. А как иначе?

..Такой вариант принципиально ничем не отличается от

К тому же, там хотя бы две точки..

..А вот если известный заряд на известной емкости разложить на сумму известной и определяемой емкостей, результатом будет постоянное напряжение, которое надо отфильтровать от переменного напряжения помехи..
..Можно и на неизвестную емкость давать импульс фиксированного тока фиксированной длительности, то есть, фиксированный заряд.
Постоянное напряжение, возможно, проще определить на фоне помех, нежели караулить ту же экспоненту..

В своём первом посте я указал, что нет физической возможности подключиться к конденсатору двумя линиями, иначе бы не затевал эту тему, т.к. диф измерения на 20км линии и сейчас работают прекрасно (+-0,3% за неделю при ёмкости 340нФ) при 30В наведёнки линия-земля. А ОУ может выгореть не из-за насыщения, а из-за 300В, о которых я указал тоже в начале поста. Можете привести для описанной задачи пример релаксационного генератора?


Да, только количество измерений с релаксационным генератором можно было бы провести на порядок больше за то же время измерения, чем как у меня - постоянным током

А если применить питание фиксированой частотой, одновременно измеряя ток питания линии, синхронное детектирование (измерение амплитуды и фазы) и накопление результатов в течении минут.
Внеполосные составляющие и низкочастотные помехи подавятся.

Если я правильно понял - получается вариация первого рабочего метода, предложенного мной для рассмотрения в начале поста? Но по скорости проигрывает? "Минут" для измерения нет, рамки временнЫе указал в начале. Метод неплохой, но всё-же требует бОльшего усреднения.
Плюсы - ЦОС значительно проще. Синхронное детектирование можно самим ЦП и АЦП делать, по схемотехнике аналогично предложенному мной.
Минусы - ???

Да, и ещё. Ток источника помехи может на порядки превышать ток моего источника сигнала (измерительного генератора), который протекает через измеряемую ёмкость.

..Ну.. тогда только парабеллум..

На вход измерителя полосовой фильтр на частоту измерения, лучше пассивный LC (легче получить большой динамический диапазон на входном сигнале).
PS. Да пришло в голову на километровой длине могут начаться эфекты длинной линии. Поэтому частота измерительного сигнала желательно меньше 10килогерц.

Если использовать ряд частот (в зависимости от диапазона), то можно только ФНЧ.

Помоделировал с интегратором.
1. В симуляторе всё выглядит красиво, если источник помехи включен последовательно с Cx, т.к. входное сопротивление интегратора большое.
2. Если же источник помехи включен параллельно измеряемой ёмкости, то - беда Разряд в этом случае идёт уже не через интегратор, а через источник помех.

Как будет на практике пока ещё не известно. Нужно думать, а заодно и поиграться регулировкой диапазонов.

P.S.
3. Разряд Cx будет идти не на сам интегратор, а на делитель перед интегратором, т.к. тестовое напряжение равно 150В

Промоделировал дальше схему с интегратором и схему с релаксационным генератором:
1. Для работы с интегратором потребуется ещё переключать, в зависимости от диапазона, верхний резистор в делителе от измеряемого конденсатора перед интегратором
2. Схема с релаксационным генератором оказалась самой неустойчивой, т.к.
а) в линии ещё присутствует, как я написал в начале, проходной резистор 5,6кОм, который подключается последовательно с Cx и влияет на режим работы генератора
б) при внесении сигнала помехи происходит срыв генерации, или биения, или "генерация" на частоте помехи, т.к. напряжение на конденсаторе уже не определяется резистором ОС ОУ, а ток помехи через Cx становится больше тока, обеспечивающего режим генератора.

Лучше все-таки ключом разряжать интегратор периодически, чем делитель переключать. И зачем он нужен... А если уж делитель... То есть генераторы тока интегральные у TI.

Ключом интегратор всё-равно потребуется разряжать. Проблема в другом - Cx разряжается на высоковольтный делитель. Соответственно, постоянную времени необходимо подстраивать и для цепи разряда и для интегратора

Если емкость 10 мкф, а резистор 6 ком (постоянная времени 60 мсек, частота среза 2.6 гц) , то измерительная частота (неважно синус или нет, если нет - эффективное время) должна быть порядка десятых герца, иначе емкость просто будет плохо видна за резистором. Проще всего сделать генератор меандра тока и отслеживать фазовый сдвиг напряжения после полосового (или резонансного, но, для стабильности, цифрового) фильтра с крутым срезом - синхронным детектором (СД). Тогда, при большом интегрировании после СД смогут мешать лишь помехи на выбранной (десятые герца) частоте.

Если делать на проце - то нет проблем произвольно менять частоту как для изменения диапазона, так и для отстройки от помех. Но входной сигнал стоит предварительно грубо аналогово отфильтровать НЧ фильтром(возможно с переключаемой постоянной времени) для облегчения жизни АЦП проца.