Erweiterung der Kapazitätsmessfunktion des Digitalmultimeters
Gängige dreieinhalbstellige oder viereinhalbstellige Digitalmultimeter sind mit Kapazitätsmessfunktionen ausgestattet, haben jedoch einen schmalen Messbereich und eine geringe Messgenauigkeit und verfügen im Allgemeinen nicht über Online-Messfunktionen. In diesem Artikel wird erläutert, wie diese Funktionen erweitert werden können.
1. Online-Messung der Kapazität
Entsprechend den Eigenschaften der Differenzial- und Integralschaltung lässt sich die Kapazitätsmessung in eine Spannungsmessung umwandeln.
Der Kernteil der Schaltung, CX/V, verwendet eine einfache aktive RC-Invertierungs-Differential- und Integrationsschaltung. Der Venturi-Oszillator erzeugt ein Wechselstromsignal Vr mit fester Frequenz, das die CX/V-Konvertierungsschaltung anregt und eine Wechselspannung V0 (V1) proportional zu CX erhält. Es wird durch ein Bandpassfilter zweiter Ordnung gefiltert, um Spannungen mit anderer Frequenz als der festen Frequenz herauszufiltern. Nachdem die Störungen entfernt wurden, wird nach AC/DC die zu CX proportionale Gleichstrom-Ausgangsspannung V erhalten. Wenn das Wechselstromsignal Vr die CX/V-Schaltung anregt, wird die Ausgangsspannung des invertierenden Integrators
Das heißt, die gemessene Kapazität CX ist proportional zur Ausgangsspannung C{{0}}, wodurch eine CX→V-Umwandlung erreicht wird. Damit der grundlegende Kondensatorbereich dem 2-V-Bereich des Digitalmultimeters entspricht, wählen Sie die Schwingfrequenz des Venturi-Oszillators als 400 Hz, den effektiven Spannungswert als 1 V, R1 als 20 kΩ und C1 als 0,1 μF. R2 ändert sich von 200 Ω-2 kΩ-20 kΩ-200 kΩ-2 MΩ und der entsprechende Messkapazitätsbereich beträgt 20 μF-2 μF-200 nF-20 nF-2 nF.
2. Kleine Kapazität messen
Der Messbereich eines dreieinhalbstelligen Digitalmultimeters zur Kapazitätsmessung liegt üblicherweise bei 2000 pF bis 20 μF. Kleine Kapazitäten unter 1 pF können damit nicht gemessen werden. Mit der Methode der kapazitiven Reaktanz und unter Verwendung von Hochfrequenzsignalen können kleine Kapazitäten gemessen werden. Das Messschaltbild ist in Abbildung 2 dargestellt. CX ist die gemessene Kapazität, Rf ist der Rückkopplungswiderstand des invertierenden Anschlusses. Wenn das sinusförmige Signal Vi mit der Frequenz f eingegeben wird, betragen die an CX vorhandene Impedanz und die Verstärkung des Operationsverstärkers: Wenn A und Rf konstant sind, ist die Frequenz f des sinusförmigen Signals umgekehrt proportional zur gemessenen Kapazität CX. Zur Messung kleinerer Kapazitäten werden Hochfrequenzsignalmessungen verwendet.
Das Blockdiagramm des Schaltungsprinzips zur Realisierung der Messung ist in Abbildung 2 (b) dargestellt. Der Messvorgang ist: Das vom Hochfrequenzsignalgenerator erzeugte hochfrequente Sinussignal wird auf den gemessenen Kondensator angewendet, CX wird in die kapazitive Reaktanz Xc umgewandelt und dann wird Xc durch C/ACV-Umwandlung in ein Wechselspannungssignal umgewandelt, das vom Verstärker verstärkt und vom Trenntransformator ausgegeben wird. Es wird zur Demodulation an den phasenempfindlichen Demodulator gesendet; der andere Eingang des phasenempfindlichen Demodulators ist die Rechteckwelle (dh das Demodulationssignal), die durch den Wellenformkonverter von der hochfrequenten Sinuswelle erzeugt wird. Die beiden Eingangssignale haben dieselbe Frequenz und Phase. Das demodulierte Signal wird durch einen Tiefpassfilter gefiltert, um eine Gleichspannung zu erhalten, die proportional zum gemessenen Kapazitätswert CX ist, und wird an ein Gleichspannungsmessgerät gesendet, um das Messergebnis direkt anzuzeigen. Der Wellenformkonverter besteht aus einem Nulldurchgangskomparator mit invertierendem Eingang, der eine standardmäßige 1-MHz-Hochfrequenz-Sinuswelle von einem Wien-Oszillator in eine standardmäßige invertierte Rechteckwelle umwandelt. Da der Ausgang des phasenempfindlichen Demodulators eine pulsierende Gleichspannung mit hochfrequenten Harmonischen ist, wird ein π-Typ-Filter verwendet, um die harmonischen Komponenten herauszufiltern und eine stabile und konstante Gleichspannungsausgabe zu erhalten. Schließlich wird die entsprechende Durchschnittsspannung an das Gleichspannungsmessgerät gesendet. Damit der Basiskondensatorbereich dem 2-V-Bereich des Digitalmultimeters entspricht, wird die Frequenz des hochfrequenten Sinussignals als 1 MHz gewählt (wenn die Frequenz zu hoch ist, müssen die Verteilungsparameter berücksichtigt werden), der Effektivwert der Spannung beträgt 1 V und das Produkt aus dem Schaltungsverstärkungsfaktor und dem Rückkopplungswiderstand Rf beträgt also: Der Gleichspannungsbereich des Digitalmultimeters von 200 mV entspricht einem Kapazitätsbereich von 0,2 pF und ein Kapazitätsbereich von 200 V entspricht 200 pF. Der Messbereich beträgt 10-4~102 pF und die Auflösung beträgt 10-4 pF.
