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DT9205多用表測量電容電路的改進(jìn)

作者: 時間:2011-11-24 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

多用表的改進(jìn)

介紹一種改進(jìn)電路中的振蕩器,使數(shù)字萬用表D T9205電容的誤差由±(3%+3)減小到±1%的電路和實(shí)測結(jié)果。
  關(guān)鍵詞:多用表;電容;測量;誤差

Improvement of the Capacitance Measurement Circuit in DT 9205 DMM
CAO Lijian, CHEN Xiaozhen
(Dept. of Electronics Science and Engineering,
Nanjing University, Na njing 210093, China)
  Key words: digital multimeter; capacitance; measurement; error
  多用表中的電容測量電路如圖1。許多其他型號的多用表也用這個電路。該電路將電容值變換成頻率約為400Hz的交流電壓,再經(jīng)多用表中的整流電路變換成直流電壓,最后由3位半A/D轉(zhuǎn)換與顯示驅(qū)動電路ICL7106將直流電壓值變換成數(shù)字量送顯示器。上述電路可分為四級,如圖2。
  第一級由C1,C2,R1,R2,R3,R4和運(yùn)放N3A3組成,是典型的文氏橋振蕩器。當(dāng)R1=R2,C1=C2時,該電路輸出波形的基頻可估算為
  
  其負(fù)反饋放大倍數(shù)
  
  由于該電路沒有由A1F>3到A1F=3的自動調(diào)節(jié)能力,所以,在穩(wěn)態(tài),該電路輸出為被限幅的“正弦波”,諧波失真較大,即除f1以外,還有f2=2f1≈812Hz,f3=3f1≈1218Hz等諧波分量。用EWB模擬得到的波形如圖3,其峰值V01m≈VCC,VCC為運(yùn)放的直流偏置電壓。

  
  R7為可調(diào)電阻,調(diào)節(jié)R7可調(diào)節(jié)放大電路的增益,用于整個電容測量電路的校準(zhǔn)。該級放大倍數(shù)為0.02~0.04,輸出V02是幅值為幾十毫伏的近似方波。
  第三級由D1,D2,D3,D4,R8,R9,R10,R11,R12和N3A1組成有源微分電路。輸出
  
Rn為波段開關(guān)選中的電阻,Cx為待測電容。由式(4)可見,若V02為正弦波,則V03的有效值與Cx成正比。所以對電容的測量就轉(zhuǎn)化為對交流電壓有效值的測量。而實(shí)際電路中,四個二極管使本級的輸入波形進(jìn)一步趨向于方波。這樣做的好處是使整個電容測量電路有較好的熱穩(wěn)定性。
  考慮到運(yùn)放的頻率特性,將運(yùn)放看作一階單元,則微分電路是一個二階系統(tǒng)。由于運(yùn)放的開環(huán)增益很大,所以閉環(huán)后電路的品質(zhì)因數(shù)Q值很高,可達(dá)到幾十,其幅頻特性曲線有一個很大的峰。取Rn=1kΩ,Cx=1μF,用EWB仿真得到微分電路的幅頻特性,在f=12.2kHz的地方有一尖峰,該尖峰處增益比理想的微分電路的幅頻特性曲線的增益增加了約30dB,頻率大于12.2kHz后,增益急劇下降。而第一級文氏橋振蕩器輸出的被限幅的“正弦波”的頻帶很寬,經(jīng)過微分后被限幅的“正弦波”中的高次諧波分量比基波有更大的增益,使波形嚴(yán)重失真,時域波形有明顯的振蕩。
  第四級由C3,C4,R13,R14,R15和運(yùn)放N3A2組成,為無限增益多路反饋型有源二階帶通濾波電路,中心頻率
  
  若該濾波器能濾除V03中的高次諧波,則從原理上該電容測量方法是沒有誤差的。但是,實(shí)際濾波器的品質(zhì)因數(shù)
  
只能使V03中的高次諧波分量減小,而不能基本濾除,由此造成了電容測量的誤差。
  另外,這個電路測量電容的范圍只能到2μF,由于普通運(yùn)放的輸出電流有限,使得200μF檔還存在其他問題,這里就不進(jìn)行討論了。
  根據(jù)上述分析可知,改進(jìn)該電容測量電路的途徑有:使用正弦波為測量信號;改進(jìn)微分電路,使其幅頻特性近似為理想的微分電路的幅頻特性;使用窄帶濾波器等。根據(jù)多用表供電電源、制造成本、技術(shù)難度等因素綜合考慮,選取用正弦波發(fā)生器代替方波發(fā)生器的方案對多用表中電容測量電路做改進(jìn),即將波形發(fā)生器輸出波形由寬頻帶改為單頻。改進(jìn)后的電路如圖4。此電路的第一部分改為正弦波振蕩器。即在原電路上加了能夠調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的二極管。輸出正弦波的頻率不變。穩(wěn)幅時A1F=3,D1,D2和R5的并聯(lián)等效電阻R′5=3.9kΩ,若設(shè)二極管的導(dǎo)通電壓為0.7V,則輸出電壓的幅值可估算為:
  
  實(shí)驗(yàn)測得輸出正弦波的二次諧波失真為0.5%。
  由于在正弦波發(fā)生器中使用了非線性元件二極管,而二極管的溫度特性大約為-2.5mV/℃,因此,必須對溫度影響進(jìn)行改進(jìn)。溫度對電路的影響如表1。

  在R4變化不大的情況下,用EWB模擬V01m與R4的關(guān)系如表2。由表2可以看出,R4在8.2kΩ到?9.1kΩ,與V01m成近似線性關(guān)系。



如果采用8.2kΩ熱敏電阻,溫度系數(shù)為0.00113。改進(jìn)后用EWB模擬結(jié)果如表3。=?0.000758V/℃,即使溫度從-13℃變到37℃,V01m誤差在0.7%(變化10℃)以內(nèi),完全可以達(dá)到要求。實(shí)際上,R4可以用一個熱敏電阻和普通電阻并聯(lián)代替,并根據(jù)熱敏電阻的溫度系數(shù)選取合適的并聯(lián)電阻阻值。也可以將R3改為熱敏電阻與普通電阻的并聯(lián),阻值與溫度系數(shù)的計(jì)算與上述方法相同。
第二部分為電壓跟隨器。其輸入輸出關(guān)系為:

R7用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。電壓被衰減了10~20倍。
第三部分為微分電路,第四部分為二階帶通濾波電路,不進(jìn)行改動。
用EWB模擬圖4得到表4數(shù)據(jù)。用改進(jìn)后的電路測量實(shí)際電容的數(shù)據(jù)如表5,其中電容值是用TH7128RLC電橋測得的。表格第二行是用200nF檔測量的,第四行是用不同檔測量的。

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