Diseño del medidor C, 8-9 dígitos precisos

Sé que hay un diseño DIY uC que lo hace de las dos maneras que sugieres anteriormente:

Medidor Elmcie LC

tiene la C (o L) desconocida como parte de un oscilador para el rango más pequeño, y para una capacitancia mayor se carga con corriente constante y mide el tiempo.

Sin embargo, los medidores automáticos generalmente (creo que por lo que he visto / oído / leído) utilizan una técnica diferente: aproximadamente, ponen un seno preciso muy limpio a través de lo desconocido como parte de un filtro LC y luego miden el cambio de fase . Tuve un excelente artículo sobre el diseño de uno de estos que incluía un FPGA, pero parece que no puedo encontrarlo ... Si lo consigo, lo agregaré después.

De todos modos, creo que para las mediciones de pF pequeñas, el método del oscilador debe alcanzar una resolución de 1pF de alrededor / debajo, y será el más fácil de realizar.

Tenga en cuenta que hay una opción aburrida, que es comprar un IC dedicado, algunos disponibles y se encuentran en Digikey, Farnell, etc. Agregue la pantalla multidigit (debería tener salida BCD) y listo. Creo que muchos multímetros (¿la mayoría?) Los usan.

EDITAR - Creo que la precisión relativa de 8-9 dígitos será prácticamente imposible de lograr. Incluso los medidores LCR más avanzados de, por ejemplo, Agilent E49840A (~ £ 10k para comprar) "solo" logrará mediciones de alrededor de una femtoFarad tal vez 100aF, y por lo que puedo ver, la precisión relativa está en partes por millón. No me gustaría intentar calibrar una de esas cosas :-)

Creo que tratar de hacer uno de estos probablemente sería tan complicado como decir, un Lecroy Wavemaster alcance. Se necesita una gran cantidad de dinero, personas e investigación. Tal vez podría hablar con algunos expertos en equipos de prueba y ver lo que creen que es posible.

Olvídalo! :-)

Por lo general, se mide la capacitancia al medir la tasa de cambio de la tensión durante la carga o la descarga. 9 dígitos significativos significan que su dígito menos significativo (LSD) es 1nV (!) Para escala completa de 1V. No es imposible obtener este tipo de resolución, incluso 15 dígitos son posibles si lo desea. La cosa es que la mayoría de sus "dígitos significativos" no son significativos en absoluto. Son solo ruido, podrías usarlos como un generador de números aleatorios. Solo mirando su configuración ya cambia la lectura.

  

¿Cuál es el uso de tener 9 dígitos si no puede obtener los 4 LSD para mostrar un valor estable?

La mayoría de los cálculos de ingeniería diarios se pueden hacer con 3 dígitos significativos. Para cadenas complejas de cálculos, es posible que ocasionalmente necesite 4 o 5 dígitos en resultados intermedios, pero lo más probable es que el resultado sea 1.23V, no 1.234715V.

  

Un condensador de placa paralela de 1mm \ $ ^ 2 \ $ con una separación de 0.01mm da aproximadamente 1pF. Para tener un cambio de un noveno dígito de este valor (1 zeptoFarad), tendría que desplazar las placas 10fm (femtómetro). ¡Éxito!

Los condensadores varían con la temperatura y una variedad de otros factores. ¿Hay alguna manera de que uno pueda regular la temperatura de una tapa de manera tan perfecta que se desplace a menos de una parte por billón, o puede medir la temperatura con suficiente precisión para proporcionar una compensación que sea significativa para ese nivel de precisión? Además, ¿con qué definición exacta está buscando medir la capacitancia? Una tapa típica se comportará como una combinación de muchas tapas más pequeñas interconectadas con varias resistencias, inductancias y elementos no lineales. El número de electrones necesarios para causar un cambio potencial de un voltio en un buen límite será constante dentro de una pequeña fracción, pero ni siquiera los mejores límites obtendrán la variación en el rango de partes por billón (uno, algunos límites, la variación). puede ser más como una parte en cuatro).

¡9 dígitos es 1 ppm! Pero solo pide una lectura relativa (delta), que es mucho más fácil que una lectura absoluta. Un cristal estándar tiene una precisión de 50 ppm, supongo que un oscilador de cristal en un horno pequeño con control de temperatura puede ser fácilmente estable a 1 ppm durante 10 segundos. Si puede colocar su condensador como elemento determinante de la frecuencia en un oscilador, puede usar un microcontrolador (con el reloj estabilizado como un reloj) para medir la frecuencia. La mayoría de los uC tienen una entrada de contador externo que puede manejar unos pocos MHz, por lo que necesita menos de un segundo de tiempo de medición para obtener una diferencia de una marca que corresponde a 1 ppm. Excepto por el oscilador con su condensador (no soy experto en ese campo), creo que todo esto es factible.

Otro enfoque sería mezclar la salida de tu-capacitor-socillator con el oscilador de referencia, y analizar la señal de diferencia en la mezcla. Por lo tanto, variará mucho más que su condensador.

Pero, como han dicho otros, ¿te das cuenta de la influencia que tendrán en tu condensador los factores ambientales que probablemente no controlas? Piense en la temperatura, la presión del aire, las vibraciones, las variaciones del campo magnético, la radioactividad natural, tal vez incluso el movimiento browniano de las moléculas de aire.