Design and analysis of accurate measurement electronics on wide temperature scale

Abstract

Tämän työn tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa kapasitiiviselle anturille mittauselektroniikka, joka toimii lämpötilavälillä -40 °C - +60 °C. Elektroniikan oli kyettävä mittaamaan tarkasti kapasitanssiväliä 150 pF - 300 pF. Mittauselektroniikka toteutettiin 8chmitt-liipaisimen ja Miller-integraattorin muodostamalla oskillaattorilla, jossa mitattava kapasitanssi kytketään integraattoriin. Integraattorin vahvistimeksi valittiin puskuroimaton invertteri operaatiovahvistimen sijaan, koska sillä on parempi lämpötilasieto ja sillä on helpompi stabiloida oskillaattorikytkentä koko lämpötila-alueella.

APLAC-simulointien avulla stabiloitiin invertteri sekä mitoitettiin oskillaattori toimimaan oikealla taajuusvälillä. Näiden lisäksi simuloinneilla säädettiin kolmioaallon amplitudi kohdalleen, tutkittiin oskillaattorin lineaarisuutta sekä integraattorin pohjakondensaattorin suuruuden vaikutusta lineaarisuuteen.

Prototyypeille tehdyt mittaukset osoittivat, että simulointitulokset vastasivat mittaustuloksia erittäin hyvin. Prototyypille tehdyissä mittauksissa päästiin noin 9 fF:n mittaustarkkuutta vastaavaan kohina-amplitudiin. Elektroniikan lämpötilan muuttuminen aiheutti eniten virhettä -50 °C:n lämpötilassa. Tällöin virhe oli noin 2 fF/°C. Hajakapasitanssimittauksilla todettiin, että 100 pF:n hajakapasitanssi anturilinjassa invertterin tulopuolella aiheuttaa pahimmillaan noin 55 fF:n mittausvirheen. Hajakapasitanssin ollessa invertterin lähtöpuolella ei havaittavaa mittausvirhettä esiintynyt. 0,3 V:n vaihtelu käyttöjännitteessä aiheutti mittausten mukaan maksimissaan noin 15 fF:n virheen lämpötiloissa +60 °C sekä +25 °C. -60 °C:n lämpötilassa maksimivirhe oli mittausten mukaan 150 fF. Viimeksi mainittu tulos on epävarma.

Kokonaisuudessaan tässä työssä saadut tulokset vaikuttavat lupaavilta ja odotusten mukaisilta. Tässä työssä suunnitellun mittauselektroniikan kehitystä ja testaamista jatketaan.