數字萬用表測量電容功能的擴展

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

1在線測量電容

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采用簡單的有源RC反相微分和積分電路。文氏振蕩器產生一固定頻率的交流信號Vr，它激勵CX/V轉換電路，得到一個與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后，再經AC/DC后得到與CX成正比的直流輸出電壓V。當交流信號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。根據容抗法并采用高頻信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為反相端反饋電阻。當輸入頻率為f的正弦信號Vi時，CX上呈現的阻抗

，運算放大器的增益為：

實現測量的電路原理方框圖如圖2(b)。測量過程為：高頻信號發生器產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(即解調信號)，兩路輸入信號同頻同相。解調后的信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，它將來自文氏振蕩器的標準1MHz高頻正弦波變成標準的反相方波。由于相敏解調器的輸出是一個含有高頻諧波的脈動直流電壓，所以，為了得到一個穩定的、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，高頻正弦信號的頻率選為1MHz(頻率太高要考慮分布參數)，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，測量范圍為 10-4～102pF，分辨率為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，但考慮測量的范圍、準確度及分辨率，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，但由于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在線測量，并能準確測量出10-4pF～幾百μF電容，電容的測量由6個數量級擴展到12個數量級(在線測量也能達到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。

數字萬用表測量電容功能的擴展

發布時間:2011-7-4 訪問次數:7509