數字萬用表測量電容功能的擴展

摘 要：介紹使用普通數字萬用表的直流電壓檔在線測量電容和擴展電容測量范圍所使用的技術。 關鍵詞：  

　　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：當A、Rf一定時，正弦信號頻率f與被測電容CX成反比。為測量較小的電容，使用高頻信號測量。　　


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