脉冲宽度法测量电容

脉冲宽度 测电容

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用脉冲宽度法测量电容器容量江河

T 1 3牛[ 6],

n( i/ 3 ) v时，运赦 A1翻转，使 F F] i要实觋高精度、大范围删量电升高 1容器容量，并非易事，其中，比较简复位， Q端输出的脉冲即终止。该脉 (如本刊 1 g 9 5年第 i 0期《大李量电率计准确列出，根据[ 1]式.此持续容测试仪》一文开绍的电路，然而其时间的增蟹是 t ms/ n F 测量精度要受基准电容器本身误差由于这种方法的测量精度取决2,因此单有效的方法是基准电容器比较法冲的持续时间 (即脉冲宽度 )可用额 t

3 5 5输出的脉冲宽度 t—t l—

t, RCx- -1 n( 2/ 3 )一i n( 1/ 3 )=

I n 2 于是， R-t/ ( c x I n 2 )

[ 7 3 [ 8]

的限制。本文介绍两种用脉冲宽度于电流、电压和时间测量的精度，而

由此可见， R与电源电压 UB

法测量电容的电路，它们用频率计现代化仪器对这三种物理量的测量无关，对于时间增量] ms/ n F的脉泓量被测电容器充电时产生的脉冲精度都很高因而用这种方法可以冲宽度来说， 宽度来测量其容量而无需使用基准选到很高的测量精度：电容器 .其测量精度高于基准电容熟悉电路的读者会发现，图 1 器比较法。本文最后一节从理论和的电路与大家熟知的 5 5 5定时器原了定量分析。一

R l, 4 4 2 7 M 0

二、使用 5 5 5的简单测试电路图 3的电路采用了上述原理，n 0

实践上对这种测量的方法误差进行理电路很相似，可以用现成的 5 5 5 它提供周期性输出脉冲，其脉冲宽代替它 .从而使测试电路进一步简度的毫秒 ( ms )欺对应于 C x容量的测量原理

、

J _^ 化此时 C x的两端电压遵循图 2所纳法 ( n F)数。电阻 R由 R1、 R2、 R3组成， R3决定 C x的放电时 l珂，从而

当一个数值已鲁口的电容器被恒示的指数曲线，即定电流 1 0充电时，其两端电压随着

Ux( t )一 U

B[ i— e x p(一t/ 决定脉冲宽度该电路适合测量 4 . Re x)] [ 2] 7 n F~I I * F的电容器，能测量的最低其中， R是接在 c x与+ UB之值视所用频率计可测量的最小脉冲

时闸 t呈线性变化，即 Ux=I o/ C x t [ 1]

为了达到某一电压值，时间必间的充电电阻 5 5 5的典型翻转电宽度而定，测量的最大值剐可视需

须与容量成正比如果已知电压和乎是 UB/ 3和 2 UB/ 3,它们分别对要而定，但在读出结果之前需要花电流，则测出时阿即可算出电容量。 应于图 2中的 t 1和 t 2,即图 1是用脉冲宽度法测量电容 Ux ( c 1 )一uB, 3 [ 3一

段时间

在 CX接劭测试端之后，需要

的原理电路恒流源为被测电容器C x提供 l a t A的充电电流。当 ux升

Ux( t 2 )一2 UB/ 3

[ 4 3 经过 2△t时间才能充电到 2 UB/ a。 开始而是从 t—O开始，故第一个指

/ 3 将它们代凡[ 2]式井整理后得由于输出脉冲不是从 U= UBe x p(一

高到超过运放 A2的翻转阈值电压到： 时，双稳触发器 F FI被置位，其 Qg t]/ 3 RCx—L0 J

示值应予怨略，第二个△t (其数值为 I s/# F)的测量值才是第一个有用的}嘿 4量结果

端开始输出一个脉冲。当 ux继续

l n( 2/ 3 )

“/ 3 RCx一一

▲

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商, UB

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反k

D国 1脉冲宽度法洲量电客的原理田 2 电容器控电阻充放电时的电压曲线

《实再电子文摘》 P E D 9 6 . 1 l

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A1输出低电{ P,使双稳电路 N2 诙电路的缺点是测量大容l量电测量精度至少可耻达到 0 2 7黼t洋时，解电容器时会因被测电容器漏电电见后述 ) .当然，制作成本也比困 3 流较大而使测量精度降低克服此电路高得多。一

N3翻转，即 Q点变成高电平、 P

点变成低电平，从而使 N4再次输

缺点的方法是将充电电流增大

如图4所示，被测电容 c

接在出高电平。同时， N3输出的高电平

1 0 0 0倍，使猾电电流相比之定显得输入插座 Kl两端，导通， C x即通过 R7开用开关 s l选择经 R8使 T1较小因此，三只电阻的阻值也要相两路充电电阻即可选择 l当 C x放电到 Ux低于 U一/ ms/ n F或始放电应地减小 1 O o o倍，即 R1一l m、 R2 i电路又重复上述过程。 ms/ F F量程。舟压器 Rg -P 3、 R1 0 3时，一

R3—2 2 0 n,以保持 At/ C x一1 s,F不变

-

P4 R1 l将电源电压 uB分成三

综上所述，在 cx充电到 ux大

, 3但小于 2 Ue/ 3期间，本电等分，即它们的两端压降都是 ua/ 于 un

为了避免 5 5 5的输入电流影响 3而在 C x放电期间。因此，运放 A1同相输入端的电路输出低电平，测量 . I C1应使用 5 5 5的 C MOS型压是 2因此，本电路是以输 UB/ 3 A2同相输入端则是则输出高电平。 (即 TL C 5 5 5 ) 在使用标准 5 5 5的 un x的容/ 3;它们的反相输入端 ( e p c点 ) 出脉冲的间隔时间来代表 C

情况下，能够达到的最高精度为接到 c使用时应用频率计测量此间隔 x。接通电源时， c x开始充量， 2 这是因为 RI￣ R3和 5 5 5内部电，在其两端电压 ux低于 ua/ 3期时间而不是测量脉冲宽度。如果要分压器存在误差，精度不能再提高间， x的密量，只 A1、 A2均粤每出高电平，与非门以脉冲宽度来代表 C了。通常由于各种元件的温度系数 N1输出低电平，双稳电路 N2一N3 需在 N4输出端串联一级反相器即起作用，其实际精度还要低一些。 的 Q点输出低电平、 P点输出高电可；

三精度更高的测试电路

平， N4输出高电平。同时， N3输出

R1 2一C7的作用是使双稳电路 N2 -N3在其时间常数结束之前能够被 A2再次触发，接囤 4中标

图 3电路在测量小密量电容器的低电平使晶体管 T1截止， cx得时的脉冲宽度 At和脉冲周期 T都以继续充电鞍短，会使频率计出现闪烁而很难

当 c x充电到 ux大于 uB/ 3 读取显示的数值+某些频率计还会时， A2输出低电平，经 N1反相后

注的数值，即使是测量小容量电容器也能以较长的脉冲间膈时间来表

因脉冲间隔很窄而使内部定时变得使 N2一N3的 P Q点输出电平仍不可靠。这就限制了它的稠量范围保持不变，但 N4输出端变成低电和测量精度。囤 4的测试电路在经平=同时， T1继续截止， C x继续充 4}皇位数字式万用表校碓之后，可使电。 上述情况得到一定程度的改善，其当 c x充电到 Ux太于 2 Ue/ 3

示它的容量即输出脉冲的间隔时间的延长量是 C x再次充电到 u/ 3 所需的时间。这就使前述测量小容量时遇到的困难得以减轻。此外，与非门 N4的使用也有利于测量大容

￡图4 高精度的电容测试电路4 8

《实用电子文摘》 P ED ' 9 6 . 1 1

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它代表寄生电容 P F数。若量电容器，因为。 要 ux介于 A1、 插座以便连接频率计运放 TL 0 8 1 微秒，

l转换到 l ms/￣ F挡，则代表 cl A2的两个阈值之间， N4就输出低即使在低电源电压下也具有较高的 sF数电平，从而使频率计第一次指示的速度，其价格比低电压型的的 n最后，将 P 7置于中间位置，调 A3 1 4 0或 T LC 2 5 1便宜： 测量结果就是正确的，无需等待第 C

二个脉冲间隔到来时才读数：

在测试点 A~ F、 0 V和 5 V处

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