小物大用：可跨越七個(gè)數(shù)量級(jí)的電感及電容測量電路

大多數(shù)用來測量無功元件的簡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中電感測量模式下的衰減電阻R，而串聯(lián)的R5和R2則形成電容測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)酰纱水a(chǎn)生的電壓經(jīng)C2和C3平衡之后再通過外部電壓表測量。 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，并且占空比測量基本上與頻率無關(guān)。 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)隨著被測元件的無功值呈線性變化，所測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)的圖表中查看所測得的值即可。A段的最低可測量值約為10pF或2μH，F(xiàn)段的最高可測量值約為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。 測量上述最低元件值范圍的方法是：首先，通過使電容器測試夾開路或使電感器測試夾短路而將被測元件排除在電路外；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。