專利名稱:測(cè)量電容量的方法和儀器的制作方法
這個(gè)申請(qǐng)書系專利申請(qǐng)?zhí)朜O.668，662的后續(xù)部分。NO.668，662的專利申請(qǐng)日期為1984年11月5日。
測(cè)量阻抗值的儀器通常要求能在被測(cè)器件繼續(xù)接通電源時(shí)進(jìn)行需要項(xiàng)目的測(cè)量，即在測(cè)量過程中需要由測(cè)量?jī)x器提供無(wú)論何種電源。然而，可能被測(cè)器件會(huì)要求有很寬范圍的各種電源電壓和極限條件。例如，如果被測(cè)電路中包含pn結(jié)，則任何施加的電流電壓必須低到足以保護(hù)pn結(jié)，以防止其被擊穿或損壞。因?yàn)樾枰勺兊碾娫醇?lì)電壓值，并因?yàn)橐蟊苊庥瞄_關(guān)變換儀表測(cè)量范圍，所以最好用測(cè)量阻抗比值的方法，即用標(biāo)準(zhǔn)阻抗的方法而不用施加電壓的方法。
在此之前，已經(jīng)可得到采用測(cè)量阻抗比值的方法的儀器;但是為了提供數(shù)字讀數(shù)，這種儀器，一般需要十分復(fù)雜而昂貴的電路。于是一部普通的電橋電路或其電子模擬裝置就可通過一個(gè)輔助的或標(biāo)準(zhǔn)的阻抗來(lái)測(cè)量阻抗。也可用計(jì)算機(jī)電路測(cè)量未知阻抗和標(biāo)準(zhǔn)阻抗兩端的壓降，然后進(jìn)行計(jì)算二者的比率。這個(gè)方法具有由計(jì)算機(jī)的速度及復(fù)雜性所決定的速度。
在此之前，要取消在不同測(cè)量范圍之間轉(zhuǎn)換用的開關(guān)的希望需要壓縮某些測(cè)量標(biāo)度的設(shè)計(jì)。在以往，曾使用一個(gè)對(duì)數(shù)放大器，但是不幸的是這種放大器勢(shì)必會(huì)不穩(wěn)定、不準(zhǔn)確、花錢多并占用相當(dāng)大的印制電路板面積。
由于電路板的密度已經(jīng)增加，對(duì)于測(cè)試設(shè)備也就會(huì)產(chǎn)生能更快地測(cè)量各種阻抗和特別小的電容量(即在每塊電路板上許多點(diǎn)之間的電容量)的要求而不致犧牲測(cè)量準(zhǔn)確度。為了增加測(cè)量速度并減少多點(diǎn)阻抗測(cè)試設(shè)備的體積，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)取消用以把阻抗測(cè)量?jī)x器連接到測(cè)試點(diǎn)探針的機(jī)械開關(guān)，并已代之以高速、高密度的集成固體電路開關(guān)。然而，固體電路開關(guān)一般具有相當(dāng)高的電阻、漏電和電容量，這些都會(huì)引起顯著的測(cè)量誤差。由于開關(guān)網(wǎng)絡(luò)相互連接間的雜散電容量和某些部分由于把各測(cè)試站連接到遠(yuǎn)方測(cè)量設(shè)備機(jī)架的電纜電容量，所以測(cè)量小數(shù)值的電容量(＜0.01微法)就特別麻煩。
我們所需要的是一種高速度地測(cè)量電路板上許多接點(diǎn)間的阻抗，特別是其中小的電容量的測(cè)量方法和儀器，要把測(cè)量設(shè)備的固有電容量的影響減到最小。
在按照本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案中，把一個(gè)預(yù)定的電壓源(這個(gè)電壓源是可按被測(cè)器件的要求而調(diào)整的)連接到一個(gè)未知阻抗和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)阻抗的串聯(lián)組合上。同時(shí)，也根據(jù)經(jīng)過逐次逼近法求得的數(shù)值而將該輸入電壓進(jìn)行可調(diào)地衰減。該被衰減的電壓就與標(biāo)準(zhǔn)阻抗上伴生的壓降進(jìn)行比較，并作為比較結(jié)果，最后就確定一個(gè)數(shù)值，以便利用未知阻抗與標(biāo)準(zhǔn)阻抗的比值來(lái)提供該未知阻抗的測(cè)量值。
特別是，被逐次逼近的數(shù)值可利用一個(gè)寄存器，在這個(gè)寄存器中，二進(jìn)制數(shù)可在預(yù)定電壓與未知阻抗兩端的電壓相比之前，逐次確定預(yù)定電壓的衰減度。例如，二進(jìn)制數(shù)是被從最高順序的數(shù)字開始而順序產(chǎn)生的，而且每個(gè)數(shù)字產(chǎn)生上述電壓的衰減值，后者與二進(jìn)制數(shù)成反比。于是就進(jìn)行逐次比較，而二進(jìn)制數(shù)就被累計(jì)起來(lái)，這個(gè)累計(jì)的二進(jìn)制數(shù)就以標(biāo)準(zhǔn)阻抗為單位來(lái)表示未知阻抗的比值。由于只需要等于輸出數(shù)字(即分解值)，它由逐次逼近的寄存器提供只需數(shù)個(gè)時(shí)鐘周期，所以這個(gè)操作過程是很快的。同現(xiàn)有技術(shù)相比，這種技術(shù)在元器件方面來(lái)說(shuō)是經(jīng)濟(jì)而且比較簡(jiǎn)單。此外，我們所希望的壓縮測(cè)量標(biāo)度也就達(dá)到目的了;而且具備了相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確度，并且不需用對(duì)數(shù)放大器或其他類似器件。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，被測(cè)的未知電容量被通過一根總線和一個(gè)多路復(fù)用電路而接入，從而可迅速順序地測(cè)出各接點(diǎn)間的未知電容比值。該多路復(fù)用電路是用以有選擇地把離得遠(yuǎn)的被測(cè)器件上的各接點(diǎn)連接到總線。于是所測(cè)得的固有電容量就被在隨后的比值測(cè)量中用作測(cè)量小的未知電容量的標(biāo)準(zhǔn)阻抗。此外還要具備測(cè)量總線和多路復(fù)用電路的固有電容量的裝置，該固有電容量是與未知電容量并聯(lián)出現(xiàn)的。于是就可考慮到該并聯(lián)固有電容量的影響而校正測(cè)得的小電容量比值。
所以，本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一種改進(jìn)的電容量測(cè)量方法和儀器，以便迅速而準(zhǔn)確地測(cè)量電路板上各接點(diǎn)間的電容量。
本發(fā)明的另一目的是要提供一種改進(jìn)的電容量的比值測(cè)量方法和儀器，以便利用最小而可能的標(biāo)準(zhǔn)電容量，準(zhǔn)確地測(cè)量小的電容量。
本發(fā)明還有一個(gè)目的是要提供一種改進(jìn)的儀器以便測(cè)量電容量，包括測(cè)量?jī)x器本身固有電容量的裝置，從而可考慮該固有電容量的影響而校正被測(cè)器件的電容量。
本發(fā)明的主題是要具體指出和明確規(guī)定本說(shuō)明書中所包括的權(quán)利要求
的范圍。然而，通過下面結(jié)合附圖(圖中對(duì)同樣的元件用同樣的代號(hào))的說(shuō)明，既可明了其操作方法和構(gòu)造，又可明了其優(yōu)點(diǎn)和目的。
圖1是本發(fā)明所使用的阻抗測(cè)試儀器的方框圖。
圖2是該測(cè)試儀器的更詳細(xì)的電路方框圖。
圖3是按照本發(fā)明的儀器和方法測(cè)得的阻抗和誤差百分?jǐn)?shù)的函數(shù)關(guān)系座標(biāo)曲線圖。
圖4是圖1的測(cè)試儀器加上總線和多路復(fù)用網(wǎng)絡(luò)(用以迅速順序有選擇地測(cè)量被測(cè)器件上各接點(diǎn)間的阻抗)的方框圖。
圖5是模擬圖4的總線和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的電路圖。
參閱各附圖并具體參閱圖1，該圖示明一個(gè)比值分量測(cè)試系統(tǒng)的方框圖，一個(gè)激勵(lì)電壓Vr值從放大器12被供到電路節(jié)點(diǎn)10，再被供到一個(gè)串聯(lián)電路(包括具有Zx值的未知阻抗和具有Zr值的標(biāo)準(zhǔn)阻抗16，位于節(jié)點(diǎn)10和地氣之間)。該激勵(lì)電壓就被作為基準(zhǔn)輸入相乘的D/A轉(zhuǎn)換器或可編程衰減器18，在那里，Vr就被按數(shù)字衰減輸入21而衰減。具體地說(shuō)，相乘的D/A轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)R/2R電路(此后要更充分說(shuō)明)，它接收許多二進(jìn)制的、可決定衰減的輸入(從逐次逼近寄存器24而來(lái)的)。寄存器24(也將在此后詳述)，按預(yù)定順序即遞減的順序，提供順序的二進(jìn)制數(shù)字，每個(gè)數(shù)字會(huì)在D/A轉(zhuǎn)換器18中產(chǎn)生一個(gè)成比例的轉(zhuǎn)換度。
在引線20上，從D/A轉(zhuǎn)換器18來(lái)的被衰減的輸出就在比較器22中與接在未知阻抗14與已知阻抗16間的抽頭26的引線25上的電壓進(jìn)行比較。逐次逼近寄存器24按預(yù)定順序即從最高有效位開始提供數(shù)字輸出，而比較器22指示出引線20上的輸出電壓是否大于引線25上的電壓。如果引線20上的電壓比較高，則該寄存器24輸出的最高有效位就被清除。反之，如果引線25上的電壓比較高，則最高有效位就被保留作為輸入到D/A轉(zhuǎn)換器18。然后，在兩種情況中，寄存器24都提供下一個(gè)最高有效位的輸出送到D/A轉(zhuǎn)換器18，而該程序又被重復(fù)進(jìn)行。從逐次逼近寄存器24來(lái)的數(shù)字輸出21，將最后選擇D/A轉(zhuǎn)換器中的衰減值18，使被衰減的輸出20送到大體上相當(dāng)于抽頭26上的電壓。寄存器24的數(shù)字輸出就成為激勵(lì)電壓的一個(gè)分?jǐn)?shù)的精確表示，出現(xiàn)在抽頭26上，因此也就是未知阻抗的精確計(jì)量。
假設(shè)該阻抗是電阻，則轉(zhuǎn)換結(jié)果N就可以下式表出Vx/Vr＝N/2n〔1〕或N＝Vx2n/Vr式中n等于D/A轉(zhuǎn)換器18以整數(shù)表示的分解值。該轉(zhuǎn)換結(jié)果N在下列范圍內(nèi)是一個(gè)整數(shù);
0＜＝N＜2n，而根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)，Vx＜Vr。
從圖1就可看出Vx＝VrRr/(Rx+Rr) 〔2〕將方程〔2〕代入方程〔1〕，Rx＝Rr((2n/N)-1) 〔3〕必須指出最后的方程式表明的Rx值與基準(zhǔn)電壓Vr無(wú)關(guān)。對(duì)基準(zhǔn)電壓只須考慮到，它應(yīng)當(dāng)足夠高以便降低噪聲、偏差和其他不理想的環(huán)境影響。同時(shí)，Vr應(yīng)當(dāng)足夠小以避免pn結(jié)導(dǎo)通和在被測(cè)電阻上類似的連通情況。在具體的實(shí)施方案中，Vr由放大器12提供并能在40mV～10V范圍內(nèi)變化而不致影響系統(tǒng)準(zhǔn)確度。方程式〔3〕中的未知數(shù)是以N為單位的，它正是逐次逼近寄存器24的整數(shù)輸出，也正是標(biāo)準(zhǔn)電阻值Rr。
測(cè)試結(jié)果可迅速地取得，逐次逼近寄存器24，通過相當(dāng)于其分解值的時(shí)鐘周期而循環(huán)，這個(gè)分解值在本例中為12。最后的電阻值由此值確定，即以標(biāo)準(zhǔn)電阻為計(jì)量單位而不用電壓值，故十分準(zhǔn)確。此外，此種電路是經(jīng)濟(jì)而不復(fù)雜。并且也就獲得了壓縮標(biāo)度的效果。通過觀察轉(zhuǎn)換函數(shù)方程式〔3〕，在考慮N的過程中，可以注意到一種具有兩個(gè)邊界值的漸近關(guān)系。N的第一邊界值是2n-1而第二個(gè)是0。在邊界區(qū)域處有一個(gè)上升范圍的分量，該分量被壓縮為窄范圍的數(shù)目。將〔3〕式進(jìn)行微分，我們能得出一個(gè)以N和基準(zhǔn)分量為標(biāo)度函數(shù)的表達(dá)式(d/dN)(Rx)＝(d/dN)(Rr(2n/N)-1)＝-Rr(2n)(N-2)。 〔4〕圖3繪出了以誤差百分?jǐn)?shù)為測(cè)得分量的函數(shù)并用12比特實(shí)現(xiàn)的曲線圖，圖中Rx是未知電阻，Rr是標(biāo)準(zhǔn)電阻，而Rx的誤差用對(duì)數(shù)座標(biāo)繪出。該曲線可提供作為被選取的電阻函數(shù)的單個(gè)比特誤差?？梢钥闯觯瑢?duì)大范圍的未知電阻來(lái)說(shuō)，誤差小于1%。
再參閱圖2，圖示電路特別對(duì)逐次逼近寄存器24和D/A轉(zhuǎn)換器18進(jìn)行比較詳細(xì)地說(shuō)明。逐次逼近寄存器的一個(gè)特例是由Motorola廠制造的，它由一對(duì)這種寄存器組成，包括一個(gè)MC 14559B型寄存器(圖中代號(hào)為32)和一個(gè)MC 14549B型寄存器(圖中代號(hào)為34)。比較器22的輸出被連接到每個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，而寄存器32的轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出被接到寄存器34的轉(zhuǎn)換開始輸入端。寄存器34的轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出(圖中未示出)被人們以熟知的方式應(yīng)用，以指明逐次逼近已被完成。這兩個(gè)寄存器被一起應(yīng)用來(lái)提供用于逐個(gè)地操作D/A轉(zhuǎn)換器18中的開關(guān)的12比特輸出。
D/A轉(zhuǎn)換器18是一種適當(dāng)?shù)赜葾nalog Devices廠制造的AD 7541型器件，它包含一個(gè)如圖示的普通R/2R網(wǎng)絡(luò)，其中各R值的串聯(lián)電路38，通過一個(gè)最后的2R接腳40，被接在節(jié)點(diǎn)10和地氣之間;而2R電阻接腳42，通過對(duì)應(yīng)的開關(guān)36，被對(duì)應(yīng)地接到該器件的輸出放大器44的輸入端。開關(guān)36實(shí)際上是由CMOS開關(guān)電路組成，它被包含在在轉(zhuǎn)換器中，這些開關(guān)對(duì)應(yīng)地由來(lái)自逐次逼近寄存器24的二進(jìn)制數(shù)輸出進(jìn)行電子控制而閉合。在不工作狀態(tài)時(shí)，開關(guān)36被適當(dāng)?shù)亟拥亍?br>觀察此電路的工作，為了提供順序的輸出(從引線46上的最高序位的輸出開始)寄存器32和34就工作。這個(gè)輸出可閉合開關(guān)50以便把電阻42接到放大器44的輸入端，并且如果比較器22提供一個(gè)數(shù)據(jù)輸出D，表示抽頭26上的電壓高于放大器44所提供的電壓，于是在引線46上的輸出比特就被保留下來(lái)，而圖中開關(guān)36頂上的開關(guān)50就保持閉合。如果是相反情況的話，則引線46上的輸出就會(huì)降低而使開關(guān)50斷開。其次，下一個(gè)最高有效位就在引線48上，使開關(guān)52保持在閉合狀態(tài);從而電阻54(它供給大致為從電阻50供來(lái)的電流的一半)現(xiàn)在也可向放大器44供給輸入。在另一方面，如果在抽頭26上的電壓比放大器44的輸出高，則輸出48保持接通而開關(guān)52保持閉合。否則，在引線48上的輸出就會(huì)降低而使開關(guān)52開斷。這個(gè)操作過程是通過由逐次逼近寄存器24提供的12位二進(jìn)制輸出比特而按二進(jìn)制進(jìn)行的，從而在21上最后的數(shù)字輸出將代表前面提及的N值，從這個(gè)N值就可立刻求得未知電阻14的阻值。
測(cè)量電容能用上述技術(shù)可迅速地測(cè)出高度精確的結(jié)果。這樣，測(cè)量就可依靠在網(wǎng)絡(luò)(由未知電容量Cx和一個(gè)基準(zhǔn)電容量Cr組成)上的電荷分布。在兩個(gè)電容都放電以后，兩個(gè)電容都被充電直到Vr達(dá)到一個(gè)預(yù)定值為止，然后停止充電過程。由于兩個(gè)電容都以相同的電流充電同樣一段時(shí)間，所以在圖1的抽頭26上的電壓Vx將為Vx＝Vr(1/Cr)/((1/Cr)+(1/Cx)) 〔4〕將方程式〔4〕代入方程式〔1〕，Cx＝CrN/(2n-N) 〔5〕而且，對(duì)網(wǎng)絡(luò)充電的電壓或電流并不會(huì)影響電容量的測(cè)試。在許多場(chǎng)合中，這種技術(shù)可消除線路和開關(guān)阻抗的寄生效應(yīng)，因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)沒有電流流動(dòng)。
測(cè)量電感也能用比值的方式來(lái)完成。將基準(zhǔn)元件(已知值為L(zhǎng)r)置于串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的Zr位置。通過把一個(gè)電壓Vr加到串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上去，并經(jīng)調(diào)整后得到一個(gè)讀數(shù)，就可得出兩個(gè)元件Lx和Lr的比值。
由于V＝L(di/dt) 〔6〕Vr＝(Lx+Lr)(di/dt) 〔7〕而Vx＝Lr(di/dt) 〔8〕將〔7〕和〔8〕代入〔1〕，N＝(Lr)(di/dt)(2n)(1/(Lr+Lx)(di/dt))＝(Lr)(2n)(1/(Lr+Lx))或，Lx＝Lr((2n/N)-1) 〔9〕假定激勵(lì)電壓Vr對(duì)方程式〔9〕的成立，并無(wú)電流的極限值。也就是說(shuō)，只要驅(qū)動(dòng)電路能維持足夠的di/dt，方程式〔9〕就會(huì)成立。然而在實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)計(jì)算出電壓驅(qū)動(dòng)器的電流極限值。設(shè)想下述測(cè)量電感量的例子。設(shè)在電流極限值為15毫安時(shí)的激勵(lì)電壓Vr＝0.25V。設(shè)在L＝10mh(Lx+Lr合成電感)。把這些數(shù)值代入方程式〔6〕，我們可得di/dt＝25安 每秒。
在上述的極限電流的設(shè)想下25安/秒＝15毫安/0.6毫秒這就意味著在激勵(lì)電壓被加上網(wǎng)絡(luò)之后，測(cè)試應(yīng)在0.6毫秒以內(nèi)完成。
圖4以方框圖方式說(shuō)明了一種按照本發(fā)明為迅速順序測(cè)量被測(cè)器件上許多測(cè)試點(diǎn)之間的電容而制作的電容量測(cè)量?jī)x器。該儀器包括一個(gè)比值分量測(cè)試系統(tǒng)(RCMS)11，如圖1所示，它包括一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器18，一個(gè)比較器22，一個(gè)逐次逼近寄存器24以及一個(gè)用以產(chǎn)生激勵(lì)電壓Vr的放大器12。一個(gè)要測(cè)量的未知電容Cx被遠(yuǎn)離RCMS11，但被通過一條雙根總線55和一個(gè)多路復(fù)用陣列66包括一組n行的m個(gè)多路復(fù)用器，每個(gè)多路復(fù)用器在陣列中有三個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)，以便它有選擇地把輸入端68接通到兩個(gè)輸出端70和72中的任一個(gè)，或者把輸入端68從它的兩個(gè)輸出端斷開。陣列66中每行多路復(fù)用器的每個(gè)相應(yīng)輸出被連接到另一個(gè)多路復(fù)用器64，為的是要有選擇地把它的2n個(gè)中的任一輸入端連接到總線55的第一根線59，同時(shí)把它的任一輸入端的另一端連接到總線的第二根線61。
陣列66中每個(gè)多路復(fù)用器的輸入端68可被接到被測(cè)器件上的各接點(diǎn)，而多路復(fù)用器64，66可經(jīng)調(diào)整而把這樣兩個(gè)接點(diǎn)接到總線55。因此，要由RCMS11測(cè)量的電容量Cx可隨多路復(fù)用器的開關(guān)狀態(tài)而出現(xiàn)在陣列66的任何兩端68之間。通過有選擇地變化各陣列多路復(fù)用器的開關(guān)狀態(tài)，被測(cè)器件上大量的點(diǎn)間阻抗就能用RCMS11進(jìn)行快速順序地測(cè)量。
為了進(jìn)行電容量比值測(cè)量，被選過的電容量Cx通過多路復(fù)用器陣列而跨接到總線;于是來(lái)自放大器12的激勵(lì)電壓Vr就被通過總線55的第一根線59而加到電容量Cx的一端，總線55的第一根線59是被通過一個(gè)開關(guān)57而接到放大器12的輸出端。出現(xiàn)在電容量Cx的另一端的電壓Vx，通過被接通的第二根總線61，就被送到比較器22的反向輸入端。一個(gè)具有一端接地的電容量為Cr的電容器60，通過一只開關(guān)62，可被接到第二總線61，以便提供基準(zhǔn)電容量。
然而，在利用圖4所示儀器測(cè)量小電容量時(shí)，與之相連的集成電路開關(guān)陣列66和與未知電容量Cx并聯(lián)的總線55或與之并聯(lián)的基準(zhǔn)電容量Cr等的固有電容在按上述方程式〔5〕計(jì)算確定Cx值的過程中會(huì)引入誤差。一個(gè)與Cx并聯(lián)的電容量勢(shì)必使Cx值比實(shí)際值要大些，而與Cr并聯(lián)的電容量將勢(shì)必使Cx比實(shí)際值要小些。
從RCMS11向外看，圖4電路中的總線和開關(guān)部分可模擬成如圖5所示的等效電路圖。未知電容Cx，通過一對(duì)開關(guān)S1和S2(代表陣列中的多路復(fù)用器)被選連到第一總線59和第二總線61。一個(gè)電容量Cp代表第一總線59和地氣之間的雜散電容量以及與激勵(lì)電源并聯(lián)的系統(tǒng)中的固有電容量。電容量Cp不會(huì)對(duì)Cx的測(cè)量引入任何誤差，因?yàn)樗怀潆姷郊?lì)電源的電平而不會(huì)影響到測(cè)出的Vx和Vr的比值。
一個(gè)偏移電容量Cf代表與Cx并聯(lián)出現(xiàn)的所有的測(cè)試儀器的雜散電容量，包括第一、第二總線55間的電容量;而電容量Ca代表與基準(zhǔn)電容量Cr并聯(lián)出現(xiàn)的儀器的所有電容量，包括總線61與地氣之間的固有電容量以及與之相連的多路復(fù)用器開關(guān)S2對(duì)地的電容和探針引線對(duì)地的電容。如果圖4中的陣列66可被單片實(shí)現(xiàn)，則陣列中的所有多路復(fù)用器具有同樣的電容量特性，而如果所有的從被測(cè)器件接到每個(gè)多路復(fù)用器探針的引線都為相同長(zhǎng)度，于是，不管陣列的那個(gè)多路復(fù)用器把未知電容量Cx接到總線55，電容量Ca和Cf的數(shù)值就相對(duì)地保持為常量。
總線55的第一與第二根線，通過一個(gè)開關(guān)58和已知基準(zhǔn)值為Cra的電容，可被有選擇地接通，為的是要提供一個(gè)輔助基準(zhǔn)電容量，而第二根總線可通過電容器60(基準(zhǔn)電容量Cr)占開關(guān)62串聯(lián)而接地。
Ca和Cf電容量可對(duì)電壓Vx和Vr的比值起作用，具體地說(shuō)，當(dāng)Cx很小時(shí)，從而可測(cè)得Ca和Cf，并在根據(jù)RCMS測(cè)試計(jì)算Cx時(shí)就可把Cx考慮在內(nèi)。為了測(cè)量Ca，開關(guān)57和62就被開斷，開關(guān)S1和S2被開斷，而開關(guān)58被閉合以便基準(zhǔn)電壓Vr在電容量Cra和Ca的串聯(lián)組合的兩端出現(xiàn)。Ca的值能被從最后的RCMS輸出的結(jié)果N，根據(jù)下式確定Ca＝(Cra/N)(2n-N) 〔10〕如果電容量Ca的數(shù)值是已知值，則電容量Cf的數(shù)值就能由開斷的開關(guān)58、62、S1以及S2決定，閉合開關(guān)57，并把RCMS測(cè)量結(jié)果輸出N代入下式Cf＝CaN/(2n-N) 〔11〕如果Ca和Cf為已知值，則小的未知電容量Cx，通過只需將小的固有電容量Ca用作基準(zhǔn)電容量的RCMS測(cè)試，就能十分精確地確定;在此測(cè)試中開關(guān)62須斷開以從第二總線61上斷開電容60，并須將開關(guān)57和相當(dāng)?shù)拈_關(guān)S1和S2閉合以將選好的電容Cx連到RCMS的輸入端。于是Cx就可從RCMS輸出的最后結(jié)果N，根據(jù)下式算出Cx＝(CaN/(2n-N))-Cf〔12〕
為了在給定的RCMS輸出N的范圍內(nèi)提供一種更窄范圍電容量的測(cè)量，電容量60的Cr，也可由開關(guān)62的閉合而并聯(lián)在Ca上，因此，結(jié)果是增加用于RCMS測(cè)量的基準(zhǔn)電容量。于是Cx就可從RCMS的輸出，按下式算出Cx＝((Ca+Cr)N/(2n-N))-Cf〔13〕為了進(jìn)行微微法級(jí)的Cx的準(zhǔn)確測(cè)量，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確地確定偏移電容量Cf。偏移電容量一般是從與多路復(fù)用器陣列相聯(lián)系的固體電路開關(guān)的寄生電容量所引起的，而這種寄生電容量能隨用以進(jìn)行測(cè)量的激勵(lì)電源電壓的變化而變化幾十個(gè)微微法。由于變?nèi)莠F(xiàn)象的結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生這種由容量的變化，其中，在固體電路開關(guān)中，圍繞pn結(jié)的損耗層中的非線性分層摻雜分配會(huì)導(dǎo)致結(jié)電容量隨電壓而變化。由于偏移電容量Cf部分是因這種結(jié)電容所致，所以Cf是隨電壓而變化。因此，應(yīng)當(dāng)在使用同樣的激勵(lì)電壓(在測(cè)量Cf時(shí)使用的激勵(lì)電壓)來(lái)進(jìn)行Cx的RCMS測(cè)試。
在本發(fā)明已經(jīng)對(duì)最佳實(shí)施方案進(jìn)行了說(shuō)明的同時(shí)，就會(huì)明顯地看到，對(duì)技術(shù)行家來(lái)說(shuō)，可以進(jìn)行許多變化和改進(jìn)，而在其主要方面不違反本發(fā)明。因此，附加的權(quán)利要求
范圍的意圖是要把所有這種變化和改進(jìn)都包羅為本發(fā)明的合法精神與范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.在這個(gè)確定未知電容量的方法中，該未知電容量可分別接在一個(gè)開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的第一端子和第二端子之間，這兩個(gè)端子由該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)地連接到一個(gè)適宜于測(cè)量一個(gè)接在那里的未知阻抗的測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量方法是通過把該未知阻抗上的壓降與一個(gè)已知阻抗(接在該測(cè)量設(shè)備的第二端子和共用的基準(zhǔn)電位點(diǎn)之間)上的壓降進(jìn)行比較的比值測(cè)量方法；在該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的第一和第二端子之間存在著第一固有電容量，而在該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的第二端子和共用的基準(zhǔn)電位點(diǎn)之間存在著第二固有電容量；該測(cè)量電容量的方法的特征在于包括a、通過把開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的第一端子從該測(cè)量設(shè)備的第一端子斷開，測(cè)量該第二固有電容量；把一個(gè)輔助基準(zhǔn)電容量跨接到該測(cè)量設(shè)備的兩個(gè)端子上；將一個(gè)電壓加到該測(cè)量設(shè)備的第一端子，并將該第二端子上的電壓與該測(cè)量設(shè)備的第一和第二端子間的電壓進(jìn)行比較，以便用比值測(cè)量的方法確定該第二固有電容量。b、通過把一個(gè)電壓加到該測(cè)量設(shè)備的該第一端子，測(cè)量該第一固有電容量，此時(shí)最后提及的端子是接到該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的第一端子的；并將第二端子上的電壓與該測(cè)量設(shè)備的第一和第二端子之間的電壓進(jìn)行對(duì)比，以便用比值測(cè)量的方法確定該第一固有電容；并且，c、通過把未知電容量跨接到開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的第一和第二端子，測(cè)量該未知電容量；將一個(gè)電壓加到該測(cè)量設(shè)備的該第一端子上，此時(shí)最后提及的端子被連接到該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的第一端子上；將第二端子上的電壓與該測(cè)量設(shè)備的第一和第二端子間的電壓進(jìn)行比較，以便用比值測(cè)量的組合電容量；然后再減去該第一固有電容量。
2.權(quán)利要求
1的方法的特征在于，由步驟a確定的第二固有電容量被用作步驟b中的比值測(cè)量基準(zhǔn)阻抗。
3.權(quán)利要求
1的方法的特征在于由步驟a確定的第二固有電容量被用作步驟c中的比值測(cè)量基準(zhǔn)阻抗。
4.為了決定第一和第二電容量中的一個(gè)的數(shù)值而確定第一電容量與第二電容量的比值的方法，其中第一電容量通過一根第一導(dǎo)線和第二導(dǎo)線被配接到一個(gè)測(cè)量設(shè)備，同時(shí)該第二電容量被配接在第二導(dǎo)線和共同基準(zhǔn)電位點(diǎn)之間，該二導(dǎo)線的特征在于固有電容量;其特征在于包括斷開第一導(dǎo)線，將一個(gè)輔助基準(zhǔn)電容量跨接到測(cè)量設(shè)備，并測(cè)量第二導(dǎo)線和共用基準(zhǔn)電位點(diǎn)之間的第一固有電容與該輔助基準(zhǔn)電容量的比例。重新接上第一導(dǎo)線并測(cè)量導(dǎo)線間的第二固有電容量與用作基準(zhǔn)的該第一固有電容的比例;并且將該第一電容量跨接到該導(dǎo)線上并測(cè)量該第一電容量和該第二固有電容量與至少包括該第一固有電容量的第二電容量的比例。
5.一種用以確定可由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)接在第一和第二端子之間的電容量的儀器，在開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的第一和第二端子之間存在著第一固有電容量，而在該開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的第二端子和共用基準(zhǔn)電位點(diǎn)之間存在著第二固有電容量，該儀器的特征在于包括為了有選擇地連接第一和第二端子之間的未知電容而設(shè)的裝置;為了產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓而設(shè)的裝置;為了測(cè)量在該第二端子上的第二電壓而設(shè)的裝置;一個(gè)基準(zhǔn)電容量;一種裝置，用以通過基準(zhǔn)電容量，有選擇地把基準(zhǔn)電壓連到第二端子，從而可按基準(zhǔn)電容量的相對(duì)值，測(cè)量第二端子上的第二電壓和當(dāng)未知電容未被接在該端子之間時(shí)的第二固有電容量;以及一種裝置，用以有選擇地將基準(zhǔn)電壓加到第一端子上，從而可按在未知電容未被接到該端子之間時(shí)的第一和第二固有電容的相對(duì)值測(cè)量第二端子上的第二電壓，并按未知電容量的相對(duì)值，測(cè)量在未知電容量已被接在該端子之間時(shí)的第一和第二電容量。
6.一種如權(quán)利要求
5中的儀器的特征在于其用以測(cè)量第二電壓的裝置包括可編程的衰減器，它把基準(zhǔn)電壓接收為要衰減的輸入，該可編程的衰減器具有許多以預(yù)定數(shù)字順序確定衰減輸入的等級(jí);一個(gè)逐次逼近寄存器，適宜于產(chǎn)生一種具有順序值的順序數(shù)字輸出;其中，該數(shù)字輸出被送到該可編程衰減器以確定衰減的輸入。一個(gè)裝置，用以將可編程衰減器的輸出與第二電壓進(jìn)行對(duì)比，為的是要將一個(gè)轉(zhuǎn)換的、確定的輸入供到逐次逼近寄存器，該逐次逼近寄存器是用以使基準(zhǔn)電壓被衰減成為相對(duì)于第二電壓的固定相對(duì)值，以便使逐次逼近寄存器的最后數(shù)字輸出可以示出第二電壓值對(duì)基準(zhǔn)電壓值的比值。
7.一種用以確定一個(gè)未知電容量的儀器，其特征在于包括提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓的裝置;可編程衰減器，它把基準(zhǔn)電壓接收為要衰減的輸入，該可編程衰減器具有許多以預(yù)定數(shù)字順序確定衰減輸入的等級(jí);一個(gè)逐次逼近寄存器，適宜于產(chǎn)生一種具有順序值的順序數(shù)字輸出;其中，該數(shù)字輸出被送到該可編程衰減器的方法以確定衰減的輸入;第一和第二導(dǎo)線;用以有選擇地將該基準(zhǔn)電壓加到該第一導(dǎo)線的裝置;用以有選擇地將該未知電容量跨接到第一和第二導(dǎo)線的裝置，該第二導(dǎo)線是被通過一個(gè)連接該連接裝置和該導(dǎo)體的固有電容量而連接到一個(gè)共用基準(zhǔn)電位點(diǎn)的。及用以將該可編程衰減器的輸出與出現(xiàn)在該第二導(dǎo)線上的電壓進(jìn)行對(duì)比的裝置，為的是要將一個(gè)轉(zhuǎn)換的、確定的輸入提供到逐次逼近寄存器;該逐次逼近寄存器是用以使該基準(zhǔn)電壓被衰減成為對(duì)該第二導(dǎo)線上的該電壓的固定相對(duì)關(guān)系的，以便在該基準(zhǔn)電壓被加到第一導(dǎo)線時(shí)以及在該未知電容量被跨接到第一和第二導(dǎo)線時(shí)，上述的逐次逼近寄存器的最后數(shù)字輸出可用對(duì)該固有電容量的相對(duì)值指示出該未知電容量的值。
8.確定一個(gè)第一電容量與一個(gè)第二電容量的比值的方法，用以確定它們之中的一個(gè)數(shù);其中，第一電容量是適宜于被通過一根第一導(dǎo)線和一根第二導(dǎo)線連到一種測(cè)量裝置的，而該第二電容量是適宜于被連在第二導(dǎo)線和一個(gè)基準(zhǔn)電位點(diǎn)之間的，該第二導(dǎo)線的特征在于固有電容量;它包括將第一導(dǎo)線斷開，將一個(gè)輔助基準(zhǔn)電容量跨接到測(cè)量裝置，并測(cè)量第二導(dǎo)線和共用基準(zhǔn)電位點(diǎn)之間的固有電容量與輔助基準(zhǔn)電容量的比例;和將該第一電容量跨接到該第二導(dǎo)線上，并用該測(cè)量裝置測(cè)量一個(gè)電容量與至少是該固有電容量的比例。
9.權(quán)利要求
8的方法還包括附加一個(gè)基準(zhǔn)電容量，與該固有電容量并聯(lián)。
專利摘要
電容量的比值測(cè)量方法是將該儀器的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的輸出與一個(gè)在第一固有電容量和未知電容量之間的抽頭上的電壓進(jìn)行對(duì)比的方法。在該儀器中的固有電容量的影響是用一種逐次逼近的測(cè)量技術(shù)來(lái)補(bǔ)償?shù)?，其中固有電容量被逐次地與未知電容量進(jìn)行對(duì)比。
文檔編號(hào)G01R17/06GK86101617SQ86101617
公開日1987年1月21日 申請(qǐng)日期1986年3月13日
發(fā)明者扎弗里爾·謝弗 申請(qǐng)人:約翰·弗蘭克制造公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan