數(shù)字萬用表測(cè)量電容功能的擴(kuò)展

摘 要：介紹使用普通數(shù)字萬用表的直流電壓檔在線測(cè)量電容和擴(kuò)展電容測(cè)量范圍所使用的技術(shù)。 關(guān)鍵詞：  

　　通用的三位半或四位半數(shù)字萬用表都設(shè)有電容測(cè)量功能，但測(cè)量范圍較窄及測(cè)量的準(zhǔn)確度較低，而且一般沒有在線測(cè)量功能。本文討論如何擴(kuò)展這些功能。

1　在線測(cè)量電容
　　根據(jù)微分積分電路性質(zhì)，可將電容的測(cè)量轉(zhuǎn)換成電壓測(cè)量。測(cè)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(jiǎn)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。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
即，被測(cè)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20kΩ，C1取0．1μF。R2從200Ω－2kΩ－20kΩ－200kΩ－2MΩ變化，對(duì)應(yīng)的測(cè)量電容量程為20μF－2μF－200nF－20nF－2nF。

2　測(cè)量小電容
　　一般的三位半數(shù)字萬用表測(cè)量電容的量程為2000pF～20μF，它對(duì)1pF以下微小電容的測(cè)量顯得無能為力。根據(jù)容抗法并采用高頻信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微小電容的測(cè)量，測(cè)量電路圖如圖2。CX為被測(cè)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，運(yùn)算放大器的增益為：當(dāng)A、Rf一定時(shí)，正弦信號(hào)頻率f與被測(cè)電容CX成反比。為測(cè)量較小的電容，使用高頻信號(hào)測(cè)量?！　?


實(shí)現(xiàn)測(cè)量的電路原理方框圖如圖2(b)。測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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)π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，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(duì)應(yīng)電容檔為0．2pF，200V對(duì)應(yīng)電容檔為200pF，測(cè)量范圍為10－4～102pF，分辨率為10－4pF，測(cè)量準(zhǔn)確度為