小物大用：可跨越七個(gè)數量級的電感及電容測量電路

大多數用來(lái)測量無(wú)功元件的簡(jiǎn)單電路所能覆蓋的元件值范圍都很有限。本文介紹的電路雖然只是由一些便宜的元器件組成，但它能測量的電容值和電感值可跨越七個(gè)數量級。無(wú)論是容量范圍約為1pF~10μF的電容器，還是電感值范圍約為200nH~4H的電感器，均可以利用該電路測出其元件值。

但是，要想覆蓋這么大的值域，會(huì )稍微有點(diǎn)麻煩，因為要確定被測器件的值，您需要先調節可變電阻器，然后再查看校正曲線(xiàn)上對應的電容值或電感值，而不是直接讀數。 關(guān)于該電路的運行，首先請看圖1中所示的基本原理圖。在圖1a中，方波電壓源驅動(dòng)被測電容器的底部端子。頂部端子電壓為一系列在+5V電源軌上下呈指數衰減的正向和負向脈沖。衰減時(shí)間常數自然為R和CTEST的乘積。同樣地，在圖1b中，方波電壓源饋入被測電感器，從而在+5V電源軌上下引起類(lèi)似的瞬變，此時(shí)衰減時(shí)間常數則等于LTEST/R。在電壓呈指數衰減的過(guò)程中，被占用方波的兩個(gè)半周各自的比例由時(shí)間常數和振蕩周期之間的關(guān)系決定。
圖1：利用變頻方波測量電容器和電感器的基本原理圖。 下面請看圖2所示的完整原理圖。IC1布置成一個(gè)簡(jiǎn)易的施密特觸發(fā)器阻容振蕩器和輸出緩沖器，在這段電路中會(huì )產(chǎn)生方波。其頻率由可變電阻器R9設定，頻率范圍跨越六個(gè)十進(jìn)位電容器的A段到F段。R9應具備線(xiàn)性電阻分布特性，使振蕩器周期隨順時(shí)針軸旋轉而增加。圖2：電容/電感表完整原理圖。 通過(guò)一只雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，可以在電容器和電感器測量模式之間進(jìn)行選擇。依據圖1所示的基本原理圖，直接由IC1輸出的電壓或由Q1產(chǎn)生的電流分別饋入被測電容器或電感器。電阻值為510Ω的電阻器R2作為圖1中電感測量模式下的衰減電阻R，而串聯(lián)的R5和R2則形成電容測量模式下的衰減電阻(R5的作用是將Q2基極的電壓偏移維持在足夠低的水平，以避免出現飽和。偏壓電阻器R7以及二極管D3和D4將Q3基極維持在+5V電源軌以下約2VBE的水平。在這個(gè)偏壓點(diǎn)下，Q2、R3及Q3形成一個(gè)整流跨導塊，跨導塊帶有少量無(wú)功電流，而該電流僅能靈敏地感應到來(lái)自被測元件且在+5V電源軌上方的正向瞬變。來(lái)自Q3的集電極電流脈沖在通過(guò)R4時(shí)變弱，而由此產(chǎn)生的電壓經(jīng)C2和C3平衡之后再通過(guò)外部電壓表測量。 在方波周期中的某一特定時(shí)段內呈指數衰減的瞬變將產(chǎn)生相應的輸出直流電壓，但是占空比與輸出電壓之間的非線(xiàn)性關(guān)系并不重要。由于Q2和Q3分別處于高速共集電極和共基極組態(tài)，該電路的響應速度很快，并且占空比測量基本上與頻率無(wú)關(guān)。 利用R9對振蕩周期進(jìn)行調整之后，輸出電壓可停留在某個(gè)固定的參考電平(例如1.00V)，從而使呈指數衰減的時(shí)間常數與振蕩周期之間形成固定的關(guān)聯(lián)。 由于衰減時(shí)間常數隨著(zhù)被測元件的無(wú)功值呈線(xiàn)性變化，所測電容值或電感值將與振蕩周期呈線(xiàn)性關(guān)系，并且因此與R9軸角呈線(xiàn)性關(guān)系。通過(guò)在R9上應用合適的刻度標記并參照幾個(gè)已知的電容值和電感值對電路進(jìn)行校準，便可繪制出校準圖表，以便用來(lái)確定任何元件值。圖3顯示了R9的刻度標記圖，該圖包含在可下載的示例校準包內(見(jiàn)文章末尾)。

圖3：R9刻度標記示例圖。 振蕩器范圍開(kāi)關(guān)將覆蓋六個(gè)十進(jìn)制，但最小周期會(huì )受IC1傳輸延遲限制。因此，它能夠從低到高覆蓋A段至F段的六個(gè)數量級的電容值或電感值。將被測元件部署到電路中，找到范圍開(kāi)關(guān)的設置以及輸出1.00V電壓時(shí)的可變電阻器，最后在每個(gè)頻段對應的圖表中查看所測得的值即可。A段的最低可測量值約為10pF或2μH，F段的最高可測量值約為10μF或4H。 若想要對1pF和200nH左右的低元件值進(jìn)行測量，可以采用另一種方法。小偏置元件C1和L1總是在電容或電感測量模式下形成最小的時(shí)間常數，因而當在這些小偏置元件上加入被測器件后，通過(guò)對比外部電壓計上電壓讀數的變化，便可針對極低元件值繪制出另一張校準圖表。 測量上述最低元件值范圍的方法是：首先，通過(guò)使電容器測試夾開(kāi)路或使電感器測試夾短路而將被測元件排除在電路外；然后，將振蕩器的頻率設定在A(yíng)段，并通過(guò)R9對振蕩周期進(jìn)行調整，直到僅靠偏置元件便使電路達到1V的目標電壓值；最后，將被測元件連接到電路中，并觀(guān)察電壓計讀數的變化。通過(guò)查看校準圖表上的偏置電壓，即可確定小元件值。 以下可下載的文件包含一個(gè)刻度盤(pán)示例、一些校準圖表示例以及用來(lái)生成這些示例的gnuplot數據和腳本文件。采用最小二乘法擬合去除了無(wú)功分量中典型的±10%變化后，即可看到測量值與所有頻段下刻度盤(pán)讀數的線(xiàn)性關(guān)系。不同元器件的校準結果可能有所不同，但是您可以編輯數據文件并生成自己的校準圖表。