大范圍測(cè)量電感及電容

大多數(shù)用來測(cè)量無功元件的簡(jiǎn)單電路所能覆蓋的元件值范圍都很有限。本文介紹的電路雖然只是由一些便宜的元器件組成，但它能測(cè)量的電容值和電感值可跨越七個(gè)數(shù)量級(jí)。無論是容量范圍約為1pF~10μF的電容器，還是電感值范圍約為200nH~4H的電感器，均可以利用該電路測(cè)出其元件值。

但是，要想覆蓋這么大的值域，會(huì)稍微有點(diǎn)麻煩，因?yàn)橐_定被測(cè)器件的值，您需要先調(diào)節(jié)可變電阻器，然后再查看校正曲線上對(duì)應(yīng)的電容值或電感值，而不是直接讀數(shù)。

關(guān)于該電路的運(yùn)行，首先請(qǐng)看圖1中所示的基本原理圖。在圖1a中，方波電壓源驅(qū)動(dòng)被測(cè)電容器的底部端子。頂部端子電壓為一系列在+5V電源軌上下呈指數(shù)衰減的正向和負(fù)向脈沖。衰減時(shí)間常數(shù)自然為R和CTEST的乘積。同樣地，在圖1b中，方波電壓源饋入被測(cè)電感器，從而在+5V電源軌上下引起類似的瞬變，此時(shí)衰減時(shí)間常數(shù)則等于LTEST/R。在電壓呈指數(shù)衰減的過程中，被占用方波的兩個(gè)半周各自的比例由時(shí)間常數(shù)和振蕩周期之間的關(guān)系決定。

圖1：利用變頻方波測(cè)量電容器和電感器的基本原理圖。

下面請(qǐng)看圖2所示的完整原理圖。IC1布置成一個(gè)簡(jiǎn)易的施密特觸發(fā)器阻容振蕩器和輸出緩沖器，在這段電路中會(huì)產(chǎn)生方波。其頻率由可變電阻器R9設(shè)定，頻率范圍跨越六個(gè)十進(jìn)位電容器的A段到F段。R9應(yīng)具備線性電阻分布特性，使振蕩器周期隨順時(shí)針軸旋轉(zhuǎn)而增加。

圖2：電容/電感表完整原理圖。

通過一只雙刀雙擲開關(guān)，可以在電容器和電感器測(cè)量模式之間進(jìn)行選擇。依據(jù)圖1所示的基本原理圖，直接由IC1輸出的電壓或由Q1產(chǎn)生的電流分別饋入被測(cè)電容器或電感器。電阻值為510Ω的電阻器R2作為圖1中電感測(cè)量模式下的衰減電阻R，而串聯(lián)的R5和R2則形成電容測(cè)量模式下的衰減電阻(R5的作用是將Q2基極的電壓偏移維持在足夠低的水平，以避免出現(xiàn)飽和。偏壓電阻器R7以及二極管D3和D4將Q3基極維持在+5V電源軌以下約2VBE的水平。在這個(gè)偏壓點(diǎn)下，Q2、R3及Q3形成一個(gè)整流跨導(dǎo)塊，跨導(dǎo)塊帶有少量無功電流，而該電流僅能靈敏地感應(yīng)到來自被測(cè)元件且在+5V電源軌上方的正向瞬變。來自Q3的集電極電流脈沖在通過R4時(shí)變?nèi)?，而由此產(chǎn)生的電壓經(jīng)C2和C3平衡之后再通過外部電壓表測(cè)量。

在方波周期中的某一特定時(shí)段內(nèi)呈指數(shù)衰減的瞬變將產(chǎn)生相應(yīng)的輸出直流電壓，但是占空比與輸出電壓之間的非線性關(guān)系并不重要。由于Q2和Q3分別處于高速共集電極和共基極組態(tài)，該電路的響應(yīng)速度很快，并且占空比測(cè)量基本上與頻率無關(guān)。

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利用R9對(duì)振蕩周期進(jìn)行調(diào)整之后，輸出電壓可停留在某個(gè)固定的參考電平(例如1.00V)，從而使呈指數(shù)衰減的時(shí)間常數(shù)與振蕩周期之間形成固定的關(guān)聯(lián)。

由于衰減時(shí)間常數(shù)隨著被測(cè)元件的無功值呈線性變化，所測(cè)電容值或電感值將與振蕩周期呈線性關(guān)系，并且因此與R9軸角呈線性關(guān)系。通過在R9上應(yīng)用合適的刻度標(biāo)記并參照幾個(gè)已知的電容值和電感值對(duì)電路進(jìn)行校準(zhǔn)，便可繪制出校準(zhǔn)圖表，以便用來確定任何元件值。圖3顯示了R9的刻度標(biāo)記圖，該圖包含在可下載的示例校準(zhǔn)包內(nèi)(見文章末尾)。

圖3：R9刻度標(biāo)記示例圖。

振蕩器范圍開關(guān)將覆蓋六個(gè)十進(jìn)制，但最小周期會(huì)受IC1傳輸延遲限制。因此，它能夠從低到高覆蓋A段至F段的六個(gè)數(shù)量級(jí)的電容值或電感值。將被測(cè)元件部署到電路中，找到范圍開關(guān)的設(shè)置以及輸出1.00V電壓時(shí)的可變電阻器，最后在每個(gè)頻段對(duì)應(yīng)的圖表中查看所測(cè)得的值即可。A段的最低可測(cè)量值約為10pF或2μH，F(xiàn)段的最高可測(cè)量值約為10μF或4H。

若想要對(duì)1pF和200nH左右的低元件值進(jìn)行測(cè)量，可以采用另一種方法。小偏置元件C1和L1總是在電容或電感測(cè)量模式下形成最小的時(shí)間常數(shù)，因而當(dāng)在這些小偏置元件上加入被測(cè)器件后，通過對(duì)比外部電壓計(jì)上電壓讀數(shù)的變化，便可針對(duì)極低元件值繪制出另一張校準(zhǔn)圖表。

測(cè)量上述最低元件值范圍的方法是：首先，通過使電容器測(cè)試夾開路或使電感器測(cè)試夾短路而將被測(cè)元件排除在電路外;然后，將振蕩器的頻率設(shè)定在A段，并通過R9對(duì)振蕩周期進(jìn)行調(diào)整，直到僅靠偏置元件便使電路達(dá)到1V的目標(biāo)電壓值;最后，將被測(cè)元件連接到電路中，并觀察電壓計(jì)讀數(shù)的變化。通過查看校準(zhǔn)圖表上的偏置電壓，即可確定小元件值。

以下可下載的文件包含一個(gè)刻度盤示例、一些校準(zhǔn)圖表示例以及用來生成這些示例的gnuplot數(shù)據(jù)和腳本文件。采用最小二乘法擬合去除了無功分量中典型的±10%變化后，即可看到測(cè)量值與所有頻段下刻度盤讀數(shù)的線性關(guān)系。不同元器件的校準(zhǔn)結(jié)果可能有所不同，但是您可以編輯數(shù)據(jù)文件并生成自己的校準(zhǔn)圖表。