数字万用表测量电容功能的扩展

通用的三位半或四位半数字万用表都设有电容测量功能，但测量范围较窄及测量的准确度较低，而且一般没有在线测量功能。本文讨论如何扩展这些功能。

1在线测量电容

根据微分积分电路性质，可将电容的测量转换成电压测量。测量原理和转换电路图如图1。

电路的核心部分CX/V采用简单的有源RC反相微分和积分电路。文氏振荡器产生一固定频率的交流信号Vr，它激励CX/V转换电路，得到一个与CX成正比的交流电压V0(V1)，经二阶带通滤波器滤波，滤除固定频率以外的杂波后，再经AC/DC后得到与CX成正比的直流输出电压V。当交流信号Vr激励 CX/V电路时，反相积分器的输出电压

即，被测电容CX与输出电压C0成正比，从而实现了CX→V转换。为了使电容基本档与数字万用表2V档对应，选文氏振荡器振荡频率为400Hz，电压有效值为1V，R1取20kΩ，C1取 0.1μF。R2从200Ω-2kΩ-20kΩ-200kΩ-2MΩ变化，对应的测量电容量程为 20μF-2μF-200nF-20nF-2nF。

2测量小电容

一般的三位半数字万用表测量电容的量程为 2000pF～20μF，它对1pF以下微小电容的测量显得无能为力。根据容抗法并采用高频信号可以实现对微小电容的测量，测量电路图如图2。CX为被测电容，RF为反相端反馈电阻。当输入频率为f的正弦信号Vi时，CX上呈现的阻抗

，运算放大器的增益为：

实现测量的电路原理方框图如图2(b)。测量过程为：高频信号发生器产生的高频正弦信号施加于被测电容上，将CX变换成容抗Xc，再通过C/ACV转换把 Xc变成交流电压信号由放大器放大，隔离变压器输出送至相敏解调器解调;相敏解调器另一输入是高频正弦波通过波形变换器产生的方波(即解调信号)，两路输入信号同频同相。解调后的信号经过低通滤波器加以滤波得到一与被测电容CX值成正比例的直流电压，送至直流电压表直接显示测量结果。波形变换器由反相输入的过零比较器构成，它将来自文氏振荡器的标准1MHz高频正弦波变成标准的反相方波。由于相敏解调器的输出是一个含有高频谐波的脉动直流电压，所以，为了得到一个稳定的、恒定的直流电压输出，采用了一级π型滤波器以滤除谐波成分。最后将对应的电压平均值送至直流电压表。为了使电容基本档与数字万用表2V档对应，高频正弦信号的频率选为1MHz(频率太高要考虑分布参数)，电压的有效值为1V，电路放大倍数与反馈电阻Rf的乘积为

，这样数字万用表直流电压档200mV对应电容档为0.2pF，200V对应电容档为200pF，测量范围为 10-4～102pF，分辨率为10-4pF，测量准确度为±5%。

3测量大电容

大电容的测量根据电容的串联特性进行。将被测的大电容CX与一已知标准的高精度小电容C1串联，串联的结果为C2。被测的大电容值CX=C2 C1/(C1-C2)。从理论上讲，被测的大电容可为无穷大，但考虑测量的范围、准确度及分辨率，能测量的大电容只可以达到几千法拉。根据误差传递公式，即使不考虑标准电容C1的误差，当C1与C2非常接近的时候，数字表测量极限的半个字误差的作用非常明显。例如，标准的小电容C1为1μF，若串联的结果C2为0.998μF，从理论上计算可得CX为499μF，但由于数字表的半个字误差(最末显示字有半个字误差)，C2的结果在0.9975～0.9985μF之间，CX在399～666μF之间，这时误差可能高达30%，结果可信度太低;若串联的结果C2为 0.990μF，从理论上计算可得CX为99μF，同样考虑半个字误差，C2在0. 9895～0.9905μF之间，CX在94～104μF之间，这时误差为5%左右，结果可信度较高。由此可见，被测的大电容为串联的小电容几十倍时，测量的准确度较高，误差较小。所以，串联10μF电容时测量几百μF的结果是可靠的，但若为几千μF时，其值只能作为参考，误差较大。

4结论

通过简单的电路设计，数字万用表的直流电压档就能对电容进行在线测量，并能准确测量出10-4pF～几百μF电容，电容的测量由6个数量级扩展到12个数量级(在线测量也能达到6个数量级)。电路的改变只在前级进行，不涉及数字万用表的内部，所以，实现起来简单易行。

数字万用表测量电容功能的扩展

发布时间:2011-7-4 访问次数:7344