数字万用表测量电容功能的

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1、数字万用表测量电容功能的扩展技术分类：测试与测量 

2、2006-08-28来源：测控网

3、吴文全，朱少根，束华　　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

4、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

5、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：当A、Rf一定时，正弦信号频率f与被测电容CX成反比。为测量较小的电容，使用高频信号测量。　　                                  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

6、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

7、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=C1*C2/(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，

8、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。

9、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。       参考文献［1］谢嘉奎．电子线路(线性部分)［M］．高等教育出版社，1999．［2］沙占友．新型数字万用表原理与维修［M］．电子工业出版社，19