Utvidgning av kapacitansmätningsfunktionen för digitala multimetrar
Baserat på egenskaperna hos differential- och integralkretsar kan kapacitansmätning omvandlas till spänningsmätning.
Kärn-CX/V-omvandlingskretsen antar en enkel aktiv inverterande RC-differential och integrerad konfiguration. En Wien-brooscillator genererar en
AC-referenssignal Vr vid en fast frekvens, som exciterar CX/V-omvandlingskretsen och producerar en AC-utgångsspänning V0(V1) proportionell mot kapacitansen CX. Efter att ha filtrerat bort störsignaler utanför den fasta frekvensen via ett andra ordningens bandpassfilter, passerar signalen genom en AC/DC-omvandlare för att erhålla en DC-utgångsspänning V proportionell mot CX.
När AC-signalen Vr driver CX/V-kretsen är utspänningen från den inverterande integratorn proportionell mot den uppmätta kapacitansen CX. Detta realiserar omvandlingen från kapacitans CX till spänning.
För att matcha det grundläggande kapacitansområdet med 2 V-spänningsområdet för en digital multimeter, är Wien-bryggoscillatorn inställd på 400 Hz med en RMS-spänning på 1 V; och C1=0.1 μF. Resistansen R2 är omkopplingsbar mellan och , motsvarande kapacitansmätområden på 20 μF, 2 μF, 200 nF, 20 nF respektive 2 nF.
2 Liten kapacitansmätning
Vanliga 3½-siffriga digitala multimetrar har ett kapacitansmätområde från 2000 pF till 20 μF och kan inte mäta små kapacitanser under 1 pF. Genom att tillämpa den kapacitiva reaktansmetoden med högfrekvent excitation kan ultrasmå kapacitanser mätas. Mätkretsen visas i figur 2, där CX är den uppmätta kapacitansen och Rf är återkopplingsmotståndet vid den inverterande ingången.
När en sinusformad signal Vi med frekvensen f appliceras, uppträder kapacitiv reaktans över CX. Operationsförstärkarens förstärkning bestäms därefter. Med fast förstärkning och återkopplingsresistans är signalfrekvensen f omvänt proportionell mot den uppmätta kapacitansen CX. Därför används högfrekventa signaler för att mäta extremt små kapacitanser.
Det funktionella blockschemat för mätprincipen visas i figur 2(b). Under mätning: en högfrekvent sinusformad signal som genereras av oscillatorn appliceras på CX; kapacitansen omvandlas till kapacitiv reaktans XC; en C/ACV-omvandlare omvandlar XC till en AC-spänning, som förstärks och isoleras av en transformator innan den skickas till en faskänslig demodulator.
Den andra ingången på demodulatorn är en fyrkantsvåg som erhålls genom att forma den högfrekventa sinusvågen genom en vågformsomvandlare; de två insignalerna delar samma frekvens och fas. Den demodulerade signalen passerar genom ett lågpassfilter för att producera en DC-spänning som är proportionell mot CX, som sedan visas direkt på en DC-voltmeter.
Vågformsomvandlaren består av en inverterande nollgenomgångskomparator, som omvandlar standardsinusvågen på 1 MHz från Wienoscillatorn till en stabil inverterad fyrkantvåg. Eftersom demodulatorutgången är en pulserande likström som innehåller högfrekventa övertoner, används ett filter av π-typ för att undertrycka rippelkomponenter och leverera en jämn, jämn likspänning till mätaren.
För att anpassa kapacitansområdena med multimeterns 2 V-spänningsområde sätts högfrekvenssignalen till 1 MHz (alltför höga frekvenser kommer att introducera parasitparametrar) med en RMS-spänning på 1 V. Produkten av kretsförstärkning och återkopplingsresistans är konfigurerad så att multimeterns 200 mV DC-intervall motsvarar intervallet p200 och V DC 200, och V. 200 pF. Det totala mätområdet är 10−4 pF till 102 pF, med en upplösning på 10−4 pF.
