Rozszerzenie możliwości pomiaru pojemności w multimetrach cyfrowych
1. Pomiar pojemności online
Zgodnie z właściwościami różnicowych układów całkowych pomiar pojemności można przekształcić w pomiar napięcia.
W podstawowej części obwodu CX/V zastosowano prosty, aktywny obwód różniczkujący i całkujący RC. Oscylator Wen generuje sygnał AC o stałej częstotliwości Vr, który pobudza obwód konwersji CX/V w celu uzyskania napięcia AC V0 (V1) proporcjonalnego do CX. Po przefiltrowaniu przez filtr środkowoprzepustowy- drugiego rzędu w celu usunięcia zanieczyszczeń spoza ustalonej częstotliwości, otrzymuje się napięcie wyjściowe AC/DC V proporcjonalne do CX. Kiedy sygnał AC Vr pobudza obwód CX/V, napięcie wyjściowe integratora odwracającego wynosi
Oznacza to, że zmierzona pojemność CX jest proporcjonalna do napięcia wyjściowego C0, osiągając w ten sposób konwersję CX → V. Aby dopasować podstawowy poziom pojemności do poziomu 2 V multimetru cyfrowego, częstotliwość oscylacji oscylatora Wen wybiera się na 400 Hz, wartość napięcia efektywnego wynosi 1 V, R1 na 20 k Ω, a C1 na 0,1 μ F. R2 waha się od 200 Ω -2 k Ω -20 k Ω -200 k Ω -2M Ω, odpowiadający zmierzonemu zakresowi pojemności 20 μ F-2 μ F-200nF-20nF-2nF.
2. Zmierz małe kondensatory
Zakres typowego trzyipółcyfrowego multimetru do pomiaru pojemności wynosi od 2000 pF do 20 μF i nie ma on mocy do pomiaru małych kondensatorów poniżej 1 pF. Metodą impedancji pojemnościowej i wykorzystaniem sygnałów-o wysokiej częstotliwości można mierzyć małe kondensatory. Schemat obwodu pomiarowego pokazano na rysunku 2. CX to zmierzona pojemność, a Rf to rezystor sprzężenia zwrotnego na końcu odwracającym. Gdy częstotliwość wejściowa sygnału sinusoidalnego Vi wynosi f, impedancja prezentowana na CX i wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego wynoszą: gdy A i Rf są stałe, częstotliwość sygnału sinusoidalnego f jest odwrotnie proporcjonalna do zmierzonej pojemności CX. Aby zmierzyć mniejsze kondensatory, użyj do pomiaru-sygnałów o wysokiej częstotliwości.
Schemat blokowy zasady obwodu do pomiaru pokazano na rysunku 2 (b). Proces pomiaru przebiega następująco: sygnał sinusoidalny o wysokiej-częstotliwości wygenerowany przez generator sygnału wysokiej-częstotliwości jest przykładany do mierzonego kondensatora, CX jest przekształcany na impedancję pojemnościową Xc, a następnie Xc jest przekształcany na sygnał napięcia przemiennego poprzez konwersję C/ACV, wzmacniany przez wzmacniacz, a sygnał wyjściowy transformatora izolującego jest wysyłany do demodulatora wrażliwego na fazę w celu demodulacji. Drugim wejściem demodulatora wrażliwego na fazę jest fala prostokątna (tj. sygnał demodulacji) generowany przez falę sinusoidalną o wysokiej-częstotliwości przez przetwornik kształtu fali, a oba sygnały wejściowe mają tę samą częstotliwość i fazę. Demodulowany sygnał jest filtrowany przez filtr dolnoprzepustowy-w celu uzyskania napięcia stałego proporcjonalnego do zmierzonej wartości pojemności CX, które jest następnie przesyłane do woltomierza prądu stałego w celu bezpośredniego wyświetlenia wyniku pomiaru. Przetwornik kształtu fali składa się z komparatora przechodzącego przez zero z wejściem odwracającym, który przekształca standardową falę sinusoidalną o wysokiej częstotliwości 1 MHz z oscylatora Wena na standardową odwróconą falę prostokątną. Ze względu na fakt, że na wyjściu demodulatora czułego na fazę znajduje się pulsujące napięcie prądu stałego zawierające harmoniczne o-wysokiej częstotliwości, do odfiltrowania składowych harmonicznych zastosowano filtr typu π- w celu uzyskania stabilnego i stałego napięcia wyjściowego prądu stałego. Na koniec wyślij odpowiednią średnią wartość napięcia do woltomierza prądu stałego. Aby podstawowy zakres pojemności odpowiadał zakresowi 2 V multimetru cyfrowego, częstotliwość sygnału sinusoidalnego wysokiej częstotliwości wybiera się na 1 MHz (w przypadku zbyt dużej częstotliwości należy uwzględnić parametry dystrybucji), wartość skuteczna napięcia wynosi 1 V, a iloczyn współczynnika wzmocnienia obwodu i rezystancji sprzężenia zwrotnego Rf wynosi. Dlatego zakres napięcia prądu stałego multimetru cyfrowego wynosi 200 mV, co odpowiada zakresowi pojemności 0,2 pF, a 200 V odpowiada zakresowi pojemności 200 pF. Zakres pomiarowy wynosi 10-4-102 pF, a rozdzielczość 10-4 pF. Dokładność pomiaru wynosi
