數字萬用表測量電容功能的擴充套件

2022-10-07 22:09:09 字數 1895 閱讀 5289

通用的三位半或四位半數字萬用表都設有電容測量功能,但測量範圍較窄及測量的準確度較低,而且一般沒有**測量功能。本文討論如何擴充套件這些功能。

1 **測量電容

根據微分積分電路性質,可將電容的測量轉換成電壓測量。測量原理和轉換電路圖如圖1。

電路的核心部分cx/v採用簡單的有源rc反相微分和積分電路。文氏振盪器產生一固定頻率的交流訊號vr,它激勵cx/v轉換電路,得到乙個與cx成正比的交流電壓v0(v1),經二階帶通濾波器濾波,濾除固定頻率以外的雜波後,再經ac/dc後得到與cx成正比的直流輸出電壓v。當交流訊號vr激勵cx/v電路時,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,從而實現了cx→v轉換。

為了使電容基本檔與數字萬用表2v檔對應,選文氏振盪器振盪頻率為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。根據容抗法並採用高頻訊號可以實現對微小電容的測量,測量電路圖如圖2。cx為被測電容,rf為反

反饋電阻。當輸入頻率為f的正弦訊號vi時,cx上呈現的阻抗,運算放大器的增益為:當a、rf一定時,正弦訊號頻率f與被測電容cx成反比。為測量較小的電容,使用高頻訊號測量。

實現測量的電路原理方框圖如圖2(b)。測量過程為:高頻訊號發生器產生的高頻正弦訊號施加於被測電容上,將cx變換成容抗xc,再通過c/acv轉換把xc變成交流電壓訊號由放大器放大,隔離變壓器輸出送至相敏解調器解調;相敏解調器另一輸入是高頻正弦波通過波形變換器產生的方波(即解調訊號),兩路輸入訊號同頻同相。

解調後的訊號經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果。波形變換器由反相輸入的過零比較器構成,它將來自文氏振盪器的標準1mhz高頻正弦波變成標準的反相方波。由於相敏解調器的輸出是乙個含有高頻諧波的脈動直流電壓,所以,為了得到乙個穩定的、恆定的直流電壓輸出,採用了一級π型濾波器以濾除諧波成分。

最後將對應的電壓平均值送至直流電壓表。為了使電容基本檔與數字萬用表2v檔對應,高頻正弦訊號的頻率選為1mhz(頻率太高要考慮分布數),電壓的有效值為1v,電路放大倍數與反饋電阻rf的乘積為,這樣數字萬用表直流電壓檔200mv對應電容檔為0.2pf,200v對應電容檔為200pf,測量範圍為10-4~102pf,解析度為10-4pf,測量

準確度為±5%。

3 測量大電容大電容的測量根據電容的串聯特性進行。將被測的大電容cx與一已知標準的高精度小電容c1串聯,串聯的結果為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,但考慮測量的範圍、準確度及解析度,能測量的大電容只可以達到幾千法拉。根據誤差傳遞公式,即使不考慮標準電容c1的誤差,當c1與c2非常接近的時候,數字表測量極限的半個字誤差的作用非常明顯。例如,標準的小電容c1為1μf,若串聯的結果c2為0.998μf,從理論上計算可得cx為499μf,但由於數字表的半個字誤差(最末顯示字有半個字誤差),c2的結果在0.9975~0.9985μf之間,cx在399~666μf之間,這時誤差可能高達30%,結果可信度太低;若串聯的結果c2為0.990μf,從理論上計算可得cx為99μf,同樣考慮半個字誤差,c2在0. 9895~0.9905μf之間,cx在94~104μf之間,這時誤差為5%左右,結果可信度較高。

由此可見,被測的大電容為串聯的小電容幾十倍時,測量的準確度較高,誤差較小。所以,串聯10μf電容時測量幾百μf的結果是可靠的,但若為幾千μf時,其值只能作為參考,誤差較大。

4 結論通過簡單的電路設計,數字萬用表的直流電壓檔就能對電容進行**測量,並能準確測量出10-4pf~幾百μf電容,電容的測量由6個數量級擴充套件到12個數量級(**測量也能達到6個數量級)。電路的改變只在前級進行,不涉及數字萬用表的內部,所以,實現起來簡單易行。

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