Udvidelse af kapacitansmålingsfunktion for digitale multimetre
1 On-line Kapacitansmåling
Baseret på karakteristika for differential-integrale kredsløb kan kapacitansmåling konverteres til spændingsmåling.
Kernen i kredsløbet anvender et simpelt aktivt RC-inverterende differential- og integralkredsløb til Cₓ/V-konverteringen. En Wien-brooscillator genererer et AC-referencesignal Vᵣ med fast frekvens, som exciterer Cₓ/V-konverteringskredsløbet og producerer en AC-udgangsspænding V₀ (V₁) proportional med den målte kapacitans Cₓ. Efter frafiltrering af falske komponenter uden for det faste frekvensbånd med et andenordens båndpasfilter, passerer signalet gennem en AC/DC-konverter for at give en DC-udgangsspænding V proportional med Cₓ.
Når AC-signalet Vᵣ driver Cₓ/V-kredsløbet, er udgangsspændingen fra den inverterende forstærker proportional med den målte kapacitans Cₓ, og dermed realiseres Cₓ-til-V-konverteringen. For at matche det grundlæggende kapacitansområde med det digitale multimeters 2 V-område er Wien-brooscillatoren indstillet til at fungere ved 400 Hz med en RMS-udgangsspænding på 1 V. R₁ er 20 kΩ og C₁ er 0,1 μF. R₂ skiftes mellem 200 Ω, 2 kΩ, 20 kΩ, 200 kΩ og 2 MΩ, svarende til kapacitansmåleområder på henholdsvis 20 μF, 2 μF, 200 nF, 20 nF og 2 nF.
2 Måling af Kapacitans med lille værdi
Almindelige 3½-cifrede digitale multimetre giver kapacitansområder fra 2000 pF til 20 μF og kan ikke måle små kapacitanser under 1 pF. Måling af lille kapacitans kan realiseres ved den kapacitive-reaktansmetode med højfrekvente excitationssignaler. Målekredsløbet er vist i figur 2. Cₓ angiver kapacitansen under test, og R er tilbagekoblingsmodstanden ved den inverterende indgangsterminal. Når et sinusformet indgangssignal Vᵢ af frekvensfpåføres, vises en impedans over C1, og forstærkningen af operationsforstærkeren bestemmes i overensstemmelse hermed. Med fast forstærkerforstærkningAog tilbagekoblingsmodstand Rբ, frekvensenfaf det sinusformede signal er omvendt proportional med den målte kapacitans C1. Derfor anvendes højfrekvente signaler til måling af små kapacitanser.
Blokdiagrammet for det implementerede målekredsløb er vist i figur 2(b). I måleproceduren: et højfrekvent sinusformet signal genereret af en højfrekvent oscillator påføres kapacitansen Cₓ, der er under test, og konverterer Cₓ til kapacitiv reaktans Xc. AC-til-AC-spændingstransformation konverterer Xc til en AC-spænding, som forstærkes og føres via en isolationstransformer til en fasefølsom demodulator. Den anden indgang på den fasefølsomme demodulator er et firkantbølgedemodulationssignal, afledt af den højfrekvente sinusbølge gennem en bølgeformer; de to indgangssignaler deler identisk frekvens og fase. Det demodulerede signal behandles af et lavpasfilter for at opnå en DC-spænding proportional med Cₓ, som sendes til et DC-voltmeter for direkte udlæsning af måleresultatet.
Bølgeformeren består af en inverterende nul-gennemgang komparator, som konverterer standard 1 MHz højfrekvent sinusbølge fra Wien-bridge oscillatoren til en komplementær firkantbølgereference. Da outputtet fra den fasefølsomme demodulator er en pulserende jævnspænding, der indeholder højordens harmoniske, anvendes et filter af π-typen til at undertrykke harmoniske komponenter og levere stabil, konstant jævnstrømsudgang.
