數(shù)字萬用表測量電容功能的擴(kuò)展

1、數(shù)字萬用表測量電容功能的擴(kuò)展技術(shù)分類：測試與測量|2006-08-28來源：測控網(wǎng)|吳文全，朱少根，束華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(hào)Vr,它激勵(lì)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。

2、當(dāng)交流信號(hào)Vr激勵(lì)CX/V電路時(shí)，反相積分器的輸出電壓|I,山；帆并聯(lián)支同阻抗/小仃/響微分和粗分器1件.后接的微分器輸電壓二心將以相積分器的輸出電壓株代入中便可以得到小即，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(duì)應(yīng)，選文氏振蕩器振蕩頻率為400Hz,電壓有效值為1V,R1取20kQ,C1取0.1FoR2從200Q2kQ20kQ200k2MQ變化，對(duì)應(yīng)的測量電容量程為20口2口200nF20nF2nF。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2000pF200，它對(duì)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(hào)可以

3、實(shí)現(xiàn)對(duì)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(hào)Vi時(shí)，CX上呈現(xiàn)的阻抗薪,運(yùn)算放大器的增益為：V*'當(dāng)A、Rf定時(shí)，正弦信號(hào)頻率f與被測電容CX成反比。為測量較小的電容，使用高頻信號(hào)測量。tai測承電容的基率網(wǎng)附1由）賽重電德方程的國2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(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的高頻正弦信號(hào)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(hào)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(hào)），兩路輸入信號(hào)同頻同

4、相。解調(diào)后的信號(hào)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(dòng)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(jí)兀型濾波器以濾除諧波成分。最后將對(duì)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(duì)應(yīng)，高頻正弦信號(hào)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,世電路放大倍數(shù)與反饋電阻Rf的乘積為2苴，這樣數(shù)字萬用表直流電壓檔200mV對(duì)應(yīng)電容檔為0.2p

5、F,200V對(duì)應(yīng)電容檔為200pF,測量范圍為104102pF,分辨率為104pF,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=C1*C2/（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1pF,若串聯(lián)的結(jié)果C2為0.998科F,從理論上計(jì)算可得CX為499科

6、F,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0.99750.9985P之間，CX在399666。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0.990F,從理論上計(jì)算可得CX為99科F,同樣考慮半個(gè)字誤差，C2在0.98950.9905F之間，CX在94104科F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)10科F電容時(shí)測量幾百pF的結(jié)果是可靠的，但若為幾千pF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(duì)電容進(jìn)行在線測量，并能準(zhǔn)確測量出104pF幾百口電容，電容的測量由6個(gè)數(shù)量級(jí)擴(kuò)展到12個(gè)數(shù)量級(jí)（在線測量也能達(dá)到6個(gè)數(shù)量級(jí)）。電路的改變