DT9205多用表测量电容电路的改进
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DT9205多用表测量电容电路的改进摘要：介绍一种改进测量电路中的振荡器，使数字万用表D T9205测量电容的误差由±(3%+3)减小到±1%的电路和实测结果。
关键词：多用表；电容；测量；误差1对DT9205多用表电容测量电路的分析DT9205多用表中的电容测量电路如图1。
许多其他型号的多用表也用这个电路。
该电路将电容值变换成频率约为400Hz的交流电压，再经多用表中的整流电路变换成直流电压，最后由3位半A/D转换与显示驱动电路ICL7106将直流电压值变换成数字量送显示器。
上述电路可分为四级，如图2。
第一级由C1，C2，R1，R2，R3，R4和运放N3A3组成，是典型的文氏桥振荡器。
当R1=R2，C1=C2时，该电路输出波形的基频可估算为其负反馈放大倍数由于该电路没有由A1F＞3到A1F=3的自动调节能力，所以，在稳态，该电路输出为被限幅的“正弦波”，谐波失真较大，即除f1以外，还有f2=2f1≈812Hz，f3=3f1≈1218Hz等谐波分量。
用EWB模拟得到的波形如图3，其峰值V01m≈V CC，V CC为运放的直流偏置电压。
第二级由R5，R6，R7和运放N3A4组成,为反向放大电路。
本级的电压增益为R7为可调电阻，调节R7可调节放大电路的增益，用于整个电容测量电路的校准。
该级放大倍数为0.02～0.04，输出V02是幅值为几十毫伏的近似方波。
第三级由D1，D2，D3，D4，R8，R9，R10，R11，R12和N3A1组成有源微分电路。
输出R n为波段开关选中的电阻，Cx为待测电容。
由式(4)可见，若V02为正弦波，则V03的有效值与Cx 成正比。
所以对电容的测量就转化为对交流电压有效值的测量。
而实际电路中，四个二极管使本级的输入波形进一步趋向于方波。
这样做的好处是使整个电容测量电路有较好的热稳定性。
考虑到运放的频率特性，将运放看作一阶单元，则微分电路是一个二阶系统。
由于运放的开环增益很大，所以闭环后电路的品质因数Q值很高，可达到几十，其幅频特性曲线有一个很大的峰。
取Rn=1kΩ，Cx=1μF，用EWB仿真得到微分电路的幅频特性，在f=12.2kHz的地方有一尖峰，该尖峰处增益比理想的微分电路的幅频特性曲线的增益增加了约30dB，频率大于12.2kHz 后，增益急剧下降。
而第一级文氏桥振荡器输出的被限幅的“正弦波”的频带很宽，经过微分后被限幅的“正弦波”中的高次谐波分量比基波有更大的增益，使波形严重失真，时域波形有明显的振荡。
第四级由C3，C4，R13，R14，R15和运放N3A2组成，为无限增益多路反馈型有源二阶带通滤波电路，中心频率若该滤波器能滤除V03中的高次谐波，则从原理上该电容测量方法是没有误差的。
但是，实际滤波器的品质因数只能使V03中的高次谐波分量减小，而不能基本滤除，由此造成了电容测量的误差。
另外，这个电路测量电容的范围只能到2μF，由于普通运放的输出电流有限，使得200μF 档还存在其他问题，这里就不进行讨论了。
2改进方案根据上述分析可知，改进该电容测量电路的途径有：使用正弦波为测量信号；改进微分电路，使其幅频特性近似为理想的微分电路的幅频特性；使用窄带滤波器等。
根据多用表供电电源、制造成本、技术难度等因素综合考虑，选取用正弦波发生器代替方波发生器的方案对多用表中电容测量电路做改进，即将波形发生器输出波形由宽频带改为单频。
改进后的电路如图4。
此电路的第一部分改为正弦波振荡器。
即在原电路上加了能够调节放大倍数的二极管。
输出正弦波的频率不变。
稳幅时A1F＝3，D1，D2和R5的并联等效电阻R′5＝3.9kΩ，若设二极管的导通电压为0.7V，则输出电压的幅值可估算为：实验测得输出正弦波的二次谐波失真为0.5%。
由于在正弦波发生器中使用了非线性元件二极管，而二极管的温度特性大约为-2.5mV/℃，因此，必须对温度影响进行改进。
温度对电路的影响如表1。
在R4变化不大的情况下，用EWB模拟V01m与R4的关系如表2。
由表2可以看出，R4在8.2kΩ到 9.1kΩ，与V01m成近似线性关系。
根据式(7)求出如果采用8.2kΩ热敏电阻，温度系数为0.00113。
改进后用EWB模拟结果如表3。
= 0.000758V/℃，即使温度从-13℃变到37℃，V01m误差在0.7%(变化10℃)以内，完全可以达到要求。
实际上，R4可以用一个热敏电阻和普通电阻并联代替，并根据热敏电阻的温度系数选取合适的并联电阻阻值。
也可以将R3改为热敏电阻与普通电阻的并联，阻值与温度系数的计算与上述方法相同。
第二部分为电压跟随器。
其输入输出关系为：R7用于调节放大倍数。
电压被衰减了10～20倍。
第三部分为微分电路，第四部分为二阶带通滤波电路，不进行改动。
3模拟与测量数据分析用EWB模拟图4得到表4数据。
用改进后的电路测量实际电容的数据如表5，其中电容值是用TH7128RLC电桥测得的。
表格第二行是用200nF档测量的，第四行是用不同档测量的。
对改进后的电路测量发现，输出V04的失真很小。
上述测量表明，改进后电路的测量精度大大提高，误差在1％以下。
波段开关选择电阻的精度对测量精度影响较大。
所以，这些电阻要选取阻值精确的电阻。
参考文献［1］陈孝桢，等.模拟电路实验［M］.南京：南京大学出版社，2005.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：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。
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，1994．。
