Расширение возможностей измерения емкости с помощью цифровых мультиметров
На основе характеристик дифференциальных и интегральных схем измерение емкости можно преобразовать в измерение напряжения.
В основной части схемы, CX/V, используется простой активный RC-инвертирующий дифференциатор и интегратор. Генератор моста Вина генерирует сигнал переменного тока Vr на фиксированной частоте, который возбуждает схему преобразования CX/V для создания переменного напряжения V0(V1), пропорционального CX. После удаления шума за пределами фиксированной частоты с помощью полосового фильтра второго порядка преобразование переменного/постоянного тока дает выходное напряжение постоянного тока V, пропорциональное CX.
Когда сигнал переменного тока Vr возбуждает цепь CX/V, выходное напряжение инвертирующего интегратора составляет:
То есть измеренная емкость CX пропорциональна выходному напряжению V0, что обеспечивает преобразование CX → V. Чтобы согласовать основной диапазон емкости с диапазоном 2 В цифрового мультиметра, генератор моста Вина устанавливается на частоту 400 Гц со среднеквадратичным напряжением 1 В, R1 =20 кОм и C1 =0.1 мкФ. Изменяя R2 как 200 Ом – 2 кОм – 20 кОм – 200 кОм – 2 МОм, соответствующие диапазоны измерения емкости 20 мкФ – 2 мкФ – 200 нФ – 20 нФ – 2 нФ.
2 Измерение малых емкостей
Типичные 3½-разрядные цифровые мультиметры имеют диапазон измерения емкости 2000 пФ ~ 20 мкФ и не могут измерять крошечные емкости ниже 1 пФ. Использование метода емкостного реактивного сопротивления с высокочастотными сигналами позволяет измерять минимальные емкости, как показано на рисунке 2. Пусть CX — измеренная емкость, а Rf — резистор обратной связи на инвертирующем входе. Для синусоидального входного сигнала Vi на частоте f импеданс CX и коэффициент усиления операционного усилителя определяются по формуле: При фиксированных значениях A и Rf частота f синусоидального сигнала обратно пропорциональна CX. Поэтому высокочастотные сигналы используются для измерения небольших емкостей.
Блок-схема измерительной схемы показана на рисунке 2(b). Процесс измерения выглядит следующим образом: высокочастотный синусоидальный сигнал от генератора сигналов подается на измеряемую емкость, преобразуя CX в емкостное реактивное сопротивление XC. Этот XC преобразуется в переменное напряжение через преобразователь C/ACV, усиливается и отправляется через изолирующий трансформатор на фазочувствительный демодулятор. Другим входом демодулятора является прямоугольный сигнал (опорный сигнал), полученный из высокочастотная синусоида через преобразователь формы сигнала с той же частотой и фазой. Демодулированный сигнал фильтруется фильтром нижних частот для создания напряжения постоянного тока, пропорционального CX, которое отправляется на вольтметр постоянного тока для прямого отображения.
Преобразователь сигналов представляет собой инвертирующий компаратор с пересечением нуля, который преобразует стандартную высокочастотную синусоидальную волну частотой 1 МГц от генератора моста Вина в стандартную инвертированную прямоугольную волну. Поскольку на выходе фазочувствительного демодулятора формируется пульсирующее напряжение постоянного тока, содержащее высокочастотные гармоники,π-фильтриспользуется для удаления гармоник и получения стабильного постоянного выходного сигнала постоянного тока. Соответствующее среднее напряжение затем отправляется на вольтметр постоянного тока.
Чтобы согласовать основной диапазон емкости с диапазоном 2 В цифрового мультиметра, высокочастотный синусоидальный сигнал устанавливается на1 MHz(достаточно высокий, чтобы избежать влияния распределенных параметров на чрезмерных частотах) со среднеквадратичным напряжением 1 В. Произведение коэффициента усиления схемы и резистора обратной связи Rf устанавливается таким, чтобы диапазон постоянного тока мультиметра 200 мВ соответствовал 0,2 пФ, а 2 В соответствовало 200 пФ.
