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數(shù)字萬用表測量電容功能的擴展
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Vr，它激勵CX/V轉(zhuǎn)換電路，得到一個與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(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，對應(yīng)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(shù)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(jù)容抗法并采用高頻信號可以實現(xiàn)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(dāng)輸入頻率為f的正弦信號Vi時，CX上呈現(xiàn)的阻抗
，運算放大器的增益為：
實現(xiàn)測量的電路原理方框圖如圖2(b)。測量過程為：高頻信號發(fā)生器產(chǎn)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(zhuǎn)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(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)，兩路輸入信號同頻同相。解調(diào)后的信號經(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)器的輸出是一個含有高頻諧波的脈動直流電壓，所以，為了得到一個穩(wěn)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(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檔對應(yīng)，高頻正弦信號的頻率選 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對應(yīng)電容檔為0.2pF，200V對應(yīng)電容檔為200pF，測量范圍為 10-4～102pF，分辨率為10-4pF，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=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(zhǔn)確度及分辨率，能測量的大電容只可以達到幾千法拉。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非常接近的時候，數(shù)字表測量極限的半個字誤差的作用非常明顯。例如，標(biāo)準(zhǔn)的小電容C1為1μF，若串聯(lián)的結(jié)果C2為0.998μF，從理論上計算可得CX為499μF，但由于數(shù)字表的半個字誤差(最末顯示字有半個字誤差)，C2的結(jié)果在0.9975～0.9985μF之間，CX在399～666μF之間，這時誤差可能高達30%，結(jié)果可信度太低;若串聯(lián)的結(jié)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(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，測量的準(zhǔn)確度較高，誤差較小。所以，串聯(lián)10μF電容時測量幾百μF的結(jié)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(jié)論
通過簡單的電路設(shè)計，數(shù)字萬用表的直流電壓檔就能對電容進行在線測量，并能準(zhǔn)確測量出10-4pF～幾百μF電容，電容的測量由6個數(shù)量級擴展到12個數(shù)量級(在線測量也能達到6個數(shù)量級)。電路的改變只在前級進行，不涉及數(shù)字萬用表的內(nèi)部，所以，實現(xiàn)起來簡單易行。
