沒有電容計,如何測量未知電容?

2020-12-01 電子工程專輯

無論電壓、導體電阻，或通過電線的電流，都可以通過測試儀輕鬆地測量得出。但是，如果要知道一個手工電容器或標稱數據不能讀取的電容器的容量，那就需要另一種測量儀器，即「電容計」，而這種儀器通常都很昂貴。實際上，有許多方法可以測量各種難度和精度的未知電容值，我們來看看如何藉助理論輕鬆測量這兩種電氣參數。4m1EETC-電子工程專輯

正弦交流電壓下的電容器

向電容器施加直流電壓，當瞬變結束，其行為就如開路一樣。然而，當電容器處於正弦信號下時，它的行為不再像開路，而是開始吸收電流，呈現出 「電容電抗」（以歐姆表示）。該分量類似於電阻。通過應用這個原理，我們可以很容易地計算出未知電容器的容量值。其容抗公式為：4m1EETC-電子工程專輯

Xc = 1 ÷ 2πfC4m1EETC-電子工程專輯

如果電容器受到正弦周期信號的影響，通過一些測量和方程式，我們可以計算出其電容值。4m1EETC-電子工程專輯

方波電壓下的電容器

方波影響下的電容器行為有所不同。因為方波信號下沒有容抗，電抗概念本身取決於正弦信號的存在。由於方波信號是無限正弦波之和，不同頻率的正弦波電抗不能大幅度增加。由於（理想）電容器是線性的，我們可以將方波分解成正弦分量，找到每個分量的相關正弦電壓，然後將這些電壓相加得出總電壓。但是，這種測量非常複雜，建議採用其它方式測量電容值。4m1EETC-電子工程專輯

測量策略

我們使用一種簡單的方法來測量電容器的電容：利用CD40106反相邏輯門和RC網絡組成的振蕩器生成方波。通過更改未知C值，顯然可以獲得不同的頻率。只需對這些值進行「曲線擬合」就可以找到一個好的公式，描述所產生的頻率與要找到的電容值之間的關係。4m1EETC-電子工程專輯

電氣原理圖

這裡介紹兩種不同電氣原理的解決方案。第一個方案適用於擁有頻率計可以測量頻率的情形。這種方案非常簡單，只需要很少的電子元件。第二個方案適用於沒有頻率計，而只有簡單測試儀或廉價測試儀的情形。這種方案與第一種類似，但使用了一個額外的頻率/電壓轉換器來讀取普通測試儀上的值。4m1EETC-電子工程專輯

方案一：有頻率計時的第一個接線圖

第一個接線圖非常簡單，如圖1所示。其核心部分為集成電路CD40106，它與C1和R1一起產生一個周期性方波信號，其頻率由C1和R1決定，但由於R1是固定的，因此頻率與未知電容成比例地變化。第一邏輯門（X1）產生信號，第二邏輯門（X2）用作阻抗緩衝器。這樣，連接至輸出的任何負載都不會改變所產生信號的頻率或幅度。後者可以通過電阻R2獲得，隨時可以用頻率計測量頻率。4m1EETC-電子工程專輯

圖1：有頻率計時的第一個接線圖4m1EETC-電子工程專輯

圖2顯示了電路上這些位置的信號圖：4m1EETC-電子工程專輯

藍色：電容器上的信號曲線圖（V2）4m1EETC-電子工程專輯

紅色：第一個逆變器輸出端的信號曲線圖（V1）4m1EETC-電子工程專輯

綠色：第二個逆變器輸出端的方波信號曲線圖（V3）4m1EETC-電子工程專輯

圖2：電路上各點的信號圖4m1EETC-電子工程專輯

1 pF至100 nF測量範圍4m1EETC-電子工程專輯

下表包含所有理論頻率值，這些值僅通過改變電容C1即可測得。對於此測量範圍（介於1 pF和100 nF之間），電阻R1必須為470 k。其電容頻率關係圖如圖3所示。4m1EETC-電子工程專輯

圖3：電路電容和頻率之間的對數關係圖（R1 = 470 k）4m1EETC-電子工程專輯

4m1EETC-電子工程專輯

在這個測量範圍之內，描述電容和頻率之間關係的兩個公式如圖4所示。這是兩個非常複雜的公式，通過非線性曲線擬合的複製推導獲得。4m1EETC-電子工程專輯

圖4：描述電容與頻率之間關係的兩個公式(1 pF~100 nF)4m1EETC-電子工程專輯

4m1EETC-電子工程專輯

100-nF至100-µF測量範圍4m1EETC-電子工程專輯

下表所列為在100 nF至100 µF之間僅改變電容器C1的值，所測得的理論頻率值。其中，電阻R1必須為470Ω。電容與頻率的關係圖如圖5所示。4m1EETC-電子工程專輯

圖5：電路電容和頻率之間的對數關係圖（R1 = 470Ω）4m1EETC-電子工程專輯

在這個測量範圍內，描述電容和頻率之間關係的兩個公式如圖6所示。4m1EETC-電子工程專輯

圖6：描述電容和頻率之間關係的兩個公式(100-Nf~100-µF)4m1EETC-電子工程專輯

圖7表示的是方波發生器電路和頻率計之間的簡單接線。對於測量儀器而言，能夠讀取周期性方波或矩形波信號的頻率非常重要。4m1EETC-電子工程專輯

圖7：方波發生器和頻率計之間的接線4m1EETC-電子工程專輯

方案二：僅擁有一個簡單測試儀時的接線圖

如果只有一個簡單測試儀，則可以採用第二種解決方案。在第一個方案的電路輸出端附加一個電路，將輸出頻率轉換為負電壓，再通過常用的測試儀測出其值。與前一個連接的新電路是一種帶有「泵」二極體的脈衝重複頻率測試儀。圖8所示的完整系統能夠實現根據要測量的電容C1獲得負電壓值。4m1EETC-電子工程專輯

圖8：僅有一個簡單測試儀時的接線圖4m1EETC-電子工程專輯

正脈衝將最大電壓通過D1加載至C2。在脈衝間隔，輸入為0 V時，C2通過D2快速放電到大電容C3。因此，輸出電壓與接收脈衝的速度成正比。而電容C3好比一個大水池，被R3慢慢排空。下表羅列了C1電容值在100 nF至100 µF之間變化時測量所得的電壓數據。注意等待幾秒瞬態變化時間，以獲得穩定的電壓值，如圖9所示。4m1EETC-電子工程專輯

圖9：測量開始後需等待幾秒以獲得穩定的電壓值。4m1EETC-電子工程專輯

在這個測量範圍之內，描述電容與輸出電壓之間關係的公式如圖10所示。4m1EETC-電子工程專輯

圖10：描述電容與輸出電壓之間關係的公式4m1EETC-電子工程專輯

圖11描述了方波發生器電路和頻率/電壓轉換器之間的連接，以及配置為VDC模式的普通測試儀。這是一個非常簡單的連接，在一個簡單的PCB上即可構建系統。4m1EETC-電子工程專輯

圖11：方波發生器、頻率/電壓轉換器和普通測試儀之間的接線4m1EETC-電子工程專輯

結論

本文介紹的測量方法與各種SPICE模型的仿真相關。建議在實際電路中採集數據。用戶可以根據所需的電容值，自由地創建數學模型；當然還要考慮瞬態等待時間和RC時間常數，因為這些因素可能導致長時間的等待。建議嘗試根據需要更改電子元件的值。如果在應用公式時遇到困難，可以簡單查閱採集的數據表，然後通過內插找到真實的經驗數據。至於數據的曲線擬合，可以使用任何帶有此選項的數學和統計軟體來完成。本文的主要目的是演示電子電路與數學的緊密聯繫，應用時可針對不同的目的和功能進行任何修改或改進。4m1EETC-電子工程專輯

（參考原文：How to Discover an Unknown Capacitance with the Integrated Circuit 40106）4m1EETC-電子工程專輯

責編：Amy Guan4m1EETC-電子工程專輯

本文為《電子工程專輯》2020年4月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜誌訂閱 4m1EETC-電子工程專輯

相關焦點

  • 萬用表如何測量電容_萬用表測試電容的方法
    打開APP 萬用表如何測量電容_萬用表測試電容的方法 發表於 2019-07-25 15:44:35 測量時可將已放電的電容兩引腳直接插入錶板上的Cx插孔，選取適當的量程後就可讀取顯示數據。000p檔，宜於測量小於2000pF的電容;20n檔，宜於測量2000pF至20nF之間的電容;200n檔，宜於測量20nF至200nF之間的電容;2μ檔，宜於測量200nF至2μF之間的電容;20μ檔，宜於測量2μF至20μF之間的電容。
  • 如何(怎麼樣)用萬用表測量電解電容和固態電容的好壞
    打開APP 如何(怎麼樣)用萬用表測量電解電容和固態電容的好壞 佚名 發表於 2009-07-21 17:25:17 如何(怎麼樣)用萬用表測量電解電容和固態電容的好壞(一)首先把萬用表打在電阻檔(二)用萬用表的兩個表筆分別接觸電解電容的兩端這時,萬用表的指針就會順時針向右偏轉,當指針偏轉到一定位置後,萬用表的指針稍做停留,然後,慢慢的向左偏轉,直至歸零.
  • 怎麼判斷啟動電容好壞_啟動電容怎麼測量好壞_數字萬用表測電容好壞
    5、電容器電容量的測量 　　在沒有專用儀表的情況下可用萬用表測量電力電容器的電容量。具體方法是：用熔絲（其規格由電容器的電容量而定）和待測電容器串聯接入220V交流電源上。用萬用表的交流電壓檔測出電容器兩端的電壓U（V）。 　　用萬用表的交流電流檔測出通過電容器的電流I（mA）。
  • 電容電壓測量技術、技巧與陷阱
    研發實驗室廣泛利用C-V測量技術*測新材料、工藝、器件和電路。負責產品和良率增強的工程技術人員利用它們優化工藝和器件性能。可靠性工程師利用這類測量技術對供貨商的材料進行資格檢驗，監測工藝參數，分析失效機理。毋庸置疑，它們是半導體特徵分析與測試的基礎。本文討論如何針對特定的應用選擇最合適類型的C-V測量儀器，並探討某些C-V測試的典型功能和參數提取限制、連接探針臺以及校正探針尖的技巧。
  • 怎樣用指針萬用表精確測量電容
    傳統的方法是和同樣型號電容器進行充放電比較，操作很不方便，有些電容由於引腳短、容量過大，有時也不能用數字萬用表檢測。筆者在長期的維修實踐中，摸索出一個簡單而又實用的檢測方法，現介紹如下，希望能給同行們帶來一點點方便。在電學測量中，有兩種結構完全相同的電流計。一種是衝擊電流計。
  • 如何測量電容式觸控螢幕的實際信噪比
    在電容式觸控螢幕中，信噪比中信號就是加上測量到的手指電容後的實際電容的變化量。手指電容取決於傳感器覆蓋物厚度、手指大小，DUT到地的寄生電容，以及傳感器模式。噪聲成分依賴於內部控制器噪聲和外部噪聲源，本文將會就這些方面進行討論。　　投射式電容觸控螢幕觸摸技術已應用在很多新型智慧型手機中，觸摸傳感器使用時都會遇到噪聲。
  • 電路板電容怎麼測量
    要測量電容的容值最好是拆下來量是比較準確的。因為電容本身是個儲能的原件，而且電路中其他原件對它的影響較大，所以在電路中量的容值往往不準確。 　　而且常用的電容一般都是μF或pF級的，手或導線的長短對它容值的測量結果都有影響，所以普通萬用表的電容檔測量的也就是大大概的值。如果想準確測量電容值，最好是用專業的電容表，測量的比較準確。
  • 測量電容或電感的電路
    工程師們經常要使用信號發生器和函數發生器，還有頻率計與示波器，但他們可能沒有電容表或電感表。通過採用圖1的測試設置，就可以用一臺函數發生器、一塊萬用表、一個頻率計和一臺示波器測量電容或電感。　　用此設置測量兩個信號的波幅。然後，無需測量相位角就可以計算出電容或電感。
  • LC振蕩電路電容和電感的測量設計
    文中針對電容和電感的測量，簡單介紹了關於LC振蕩電路測量電容和電感的設計原理。同時通過實驗證明該方案能進行高頻電感和電容的測量。測量的精度能達到應有要求。　　1 測量原理　　採用LC振蕩器的振蕩原理，LC振蕩器選擇L或是C參數為固定值。
  • 怎樣測量電容好壞
    用數字萬用表的電容檔可以很方便地測量出一個電容的好壞。下面介紹具體的測量方法。一個47μF的電解電容，用數字萬用表電容檔測量其容量，顯示為45.17μF。判斷電容好壞的方法將數字萬用表的量程開關調至電容檔的合適量程，然後將萬用表的紅黑表筆分別插入萬用表的Cx插孔和COM插孔（為了拍照方便，這裡用帶鱷魚夾的測試線代替表筆），然後紅黑表筆分別接觸電容的兩個引腳（若是測量電解電容，可以不分極性），這時萬用表顯示的數值若與電容的標稱值接近（一般允許有5%～10%的誤差），則表示該電容是好的。
  • 萬用表測電容好壞_指針萬用表測量電容_萬用表測電容注意事項
    萬用表測電容用哪個檔 　　這要根據所測電容的大概大小來選擇相對應的量程： 　　000p檔，宜於測量小於2000pF的電容； 　　20n檔，宜於測量2000pF至20nF之間的電容； 　　200n檔，宜於測量20nF至200nF之間的電容； 　　2μ檔，宜於測量200nF至2μF
  • 電容式傳感器的應用_電容式傳感器測量電路
    電容式傳感器的應用 　　電容式傳感器具有結構簡單、耐高溫、耐輻射、解析度高、動態響應特性好等優點，廣泛用於壓力、位移、加速度、厚度、振動、液位等測量中。 　　電容式傳感器應用中的注意事項 　　（1）克服寄生電容的影響 　　電容式傳感器由於受結構與尺寸的限制，其電容量都很小（pF到幾十pF），屬於小功率、高阻抗器件，因此極易外界幹擾，尤其是受大於它幾倍、幾十倍的、且具有隨機性的電纜寄生電容的幹擾，它與傳感器電容相併聯，嚴重影響感器的輸出特性，甚至會淹沒有用信號而不能使用。
  • 指針式萬用表測量電容
    作為電子入門者，正確使用萬用表是最基本的技能，本文主要講解如何用指針式萬用表測量交流電容。
  • 數字萬用表測量電容
    數字萬用表可以測量電容嗎?在家電維修過程中，因電容漏電或容量變化而引發的故障可謂屢見不鮮且故障現象各異。一般的指針萬用表和部分數字萬用表都無法測量電容，特別是那些小電容，給維修造成很大的不便。
  • 電容測量注意事項
    電容等效模型以及阻抗計算公式電容測量有串聯模式(Cs-D, Cs-Rs)和並聯模式(Cp-D, Cp-Rp)當使用串聯模式測量Cs的計算是如下圖（即直接使用虛部，認為虛部的值就是電容值）：這種情況下，Cs的值等於C，僅僅在Rp值非常大（1/Rp <<1）並且L的電抗可以忽略（ωL<<1/ωC）的情況下。
  • 怎樣測量小容量電容的好壞?
    打開APP 怎樣測量小容量電容的好壞？ 1、檢測10pF以下的小電容，因10pF以下的固定電容器容量太小，如果用指針式用萬用表進行測量，只能定性的檢查其是否有漏電，內部短路或擊穿現象。 測量時，可選用萬用表R×10k擋，用兩電錶金屬測棒分別任意接電容的兩個接腳，阻值應為無窮大。若測出阻值(指標向右擺動)為零，則說明電容漏電損壞或內部擊穿。
  • 如何進行最佳電容和AC阻抗測量?
    各種各樣的應用通常要在許多類型的器件上執行電容-電壓(C-V)和AC阻抗測量。例如，C-V測量用來確定以下器件參數：MOSCAPs的柵極氧化物電容、MOSFET輸入和輸出電容、太陽能電池的內置電位、二極體的多數載流子濃度、BJT端子間的電容、MIS電容器的氧化物厚度、摻雜密度和門限電壓。
  • 同軸電纜芯線電容測量方法研究
    摘要：同軸電纜或高速數字通訊電纜芯線電容，是影響電纜性能的重要參數。在完成電纜編織工藝前，準確測量芯線的電容，及時控制電纜單位長度的電容，使電纜具有均勻傳輸阻抗，是保證電纜質量的重要措施。
  • 單晶片電容測量方案PCAP01原理
    複雜的模擬電路設計，難以擴展的電容測量範圍，都會給開發帶來非常大的阻力。　　德國acam公司專利的PICOCAP®測量原理則給電容測量提供了革命性的突破。在2011年推出了最新的帶有內部DSP單片機的單晶片電容測量方案PCAP01, 這個晶片會使電容測量提高到一個前所未有的水平。　　2.概述　　PCap01為帶有單片機處理單元的一款專門進行電容測量的電容數字轉換單晶片方案。
  • LC振蕩電路測量電容和電感的設計原理介紹
    通過LC的組合，振蕩器起振，當測量電容時電感固定，測量電感時電容固定。此系統由STC89C51單片機作為控制核心，輸入切換部分採用雙刀雙擲繼電器完成待測電容或電感的線路切換，振蕩電路工作在放大諧振狀態，頻率有高頻管9018的集電極輸出，由於頻率較高，所以需經過信號分頻，再者由於輸出的電壓幅度大，此處無需再加一級驅動，以74LS393數字分頻晶片，把分頻端級聯實現100分頻，最終信號進入單片機，由單片機計算出頻率，經過算法設計，實現未知電容或電感參數的測定。