數(shù)字萬用表測量電容功能的擴(kuò)展
通用的三位半或四位半數(shù)字萬用表都設(shè)有電容測量功能,但測量范圍較窄及測量的準(zhǔn)確度較低,而且一般沒有在線測量功能。本文討論如何擴(kuò)展這些功能。
1在線測量電容
根據(jù)微分積分電路性質(zhì),可將電容的測量轉(zhuǎn)換成電壓測量。測量原理和轉(zhuǎn)換電路圖如圖1。
電路的核心部分CX/V采用簡單的有源RC反相微分和積分電路。文氏振蕩器產(chǎn)生一固定頻率的交流信號Vr,它激勵CX/V轉(zhuǎn)換電路,得到一個(gè)與CX成正比的交流電壓V0(V1),經(jīng)二階帶通濾波器濾波,濾除固定頻率以外的雜波后,再經(jīng)AC/DC后得到與CX成正比的直流輸出電壓V。當(dāng)交流信號Vr激勵 CX/V電路時(shí),反相積分器的輸出電壓
即,被測電容CX與輸出電壓C0成正比,從而實(shí)現(xiàn)了CX→V轉(zhuǎn)換。為了使電容基本檔與數(shù)字萬用表2V檔對應(yīng),選文氏振蕩器振蕩頻率為400Hz,電壓有效值為1V,R1取20kΩ,C1取 0.1μF。R2從200Ω-2kΩ-20kΩ-200kΩ-2MΩ變化,對應(yīng)的測量電容量程為 20μF-2μF-200nF-20nF-2nF。
2測量小電容
一般的三位半數(shù)字萬用表測量電容的量程為 2000pF~20μF,它對1pF以下微小電容的測量顯得無能為力。根據(jù)容抗法并采用高頻信號可以實(shí)現(xiàn)對微小電容的測量,測量電路圖如圖2。CX為被測電容,RF為反相端反饋電阻。當(dāng)輸入頻率為f的正弦信號Vi時(shí),CX上呈現(xiàn)的阻抗
,運(yùn)算放大器的增益為:
實(shí)現(xiàn)測量的電路原理方框圖如圖2(b)。測量過程為:高頻信號發(fā)生器產(chǎn)生的高頻正弦信號施加于被測電容上,將CX變換成容抗Xc,再通過C/ACV轉(zhuǎn)換把 Xc變成交流電壓信號由放大器放大,隔離變壓器輸出送至相敏解調(diào)器解調(diào);相敏解調(diào)器另一輸入是高頻正弦波通過波形變換器產(chǎn)生的方波(即解調(diào)信號),兩路輸入信號同頻同相。解調(diào)后的信號經(jīng)過低通濾波器加以濾波得到一與被測電容CX值成正比例的直流電壓,送至直流電壓表直接顯示測量結(jié)果。波形變換器由反相輸入的過零比較器構(gòu)成,它將來自文氏振蕩器的標(biāo)準(zhǔn)1MHz高頻正弦波變成標(biāo)準(zhǔn)的反相方波。由于相敏解調(diào)器的輸出是一個(gè)含有高頻諧波的脈動直流電壓,所以,為了得到一個(gè)穩(wěn)定的、恒定的直流電壓輸出,采用了一級π型濾波器以濾除諧波成分。最后將對應(yīng)的電壓平均值送至直流電壓表。為了使電容基本檔與數(shù)字萬用表2V檔對應(yīng),高頻正弦信號的頻率選 為1MHz(頻率太高要考慮分布參數(shù)),電壓的有效值為1V,電路放大倍數(shù)與反饋電阻Rf的乘積為
,這樣數(shù)字萬用表直流電壓檔200mV對應(yīng)電容檔為0.2pF,200V對應(yīng)電容檔為200pF,測量范圍為 10-4~102pF,分辨率為10-4pF,測量準(zhǔn)確度為±5%。
3測量大電容
大電容的測量根據(jù)電容的串聯(lián)特性進(jìn)行。將被測的大電容CX與一已知標(biāo)準(zhǔn)的高精度小電容C1串聯(lián),串聯(lián)的結(jié)果為C2。被測的大電容值CX=C2 C1/(C1-C2)。從理論上講,被測的大電容可為無窮大,但考慮測量的范圍、準(zhǔn)確度及分辨率,能測量的大電容只可以達(dá)到幾千法拉。根據(jù)誤差傳遞公式,即使不考慮標(biāo)準(zhǔn)電容C1的誤差,當(dāng)C1與C2非常接近的時(shí)候,數(shù)字表測量極限的半個(gè)字誤差的作用非常明顯。例如,標(biāo)準(zhǔn)的小電容C1為1μF,若串聯(lián)的結(jié)果C2為0.998μF,從理論上計(jì)算可得CX為499μF,但由于數(shù)字表的半個(gè)字誤差(最末顯示字有半個(gè)字誤差),C2的結(jié)果在0.9975~0.9985μF之間,CX在399~666μF之間,這時(shí)誤差可能高達(dá)30%,結(jié)果可信度太低;若串聯(lián)的結(jié)果C2為 0.990μF,從理論上計(jì)算可得CX為99μF,同樣考慮半個(gè)字誤差,C2在0. 9895~0.9905μF之間,CX在94~104μF之間,這時(shí)誤差為5%左右,結(jié)果可信度較高。由此可見,被測的大電容為串聯(lián)的小電容幾十倍時(shí),測量的準(zhǔn)確度較高,誤差較小。所以,串聯(lián)10μF電容時(shí)測量幾百μF的結(jié)果是可靠的,但若為幾千μF時(shí),其值只能作為參考,誤差較大。
4結(jié)論
通過簡單的電路設(shè)計(jì),數(shù)字萬用表的直流電壓檔就能對電容進(jìn)行在線測量,并能準(zhǔn)確測量出10-4pF~幾百μF電容,電容的測量由6個(gè)數(shù)量級擴(kuò)展到12個(gè)數(shù)量級(在線測量也能達(dá)到6個(gè)數(shù)量級)。電路的改變只在前級進(jìn)行,不涉及數(shù)字萬用表的內(nèi)部,所以,實(shí)現(xiàn)起來簡單易行。