电容ESR表(一) 电容ESR表的特点、测量原理、电路分析

作者 薛国雄 来源 《无线电》杂志
发布时间 2011-01-11

2 测量原理及国外典型电路分析

严格地说,电容ESR表应测量真正的ESR。由于这种测量需要避开电容容抗、内部的ESL等因素影响,难度比较高,电路将变得十分复杂。所以,电容ESR表一般都是测量电容的交流阻抗,以此作为电容的ESR值来读取。

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图9 指针式万用表测量电阻的原理       图10  指针式电容ESR表的测量原理1

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图11 指针式电容ESR表的测量原理2

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图12 指针式电容ESR表的测量原理3

一、指针式万用表测量直流电阻的原理

在了解电容ESR表工作原理之前,先看看我们平时经常接触到的指针万用表是如何测量直流电阻的。

普通万用表的欧姆挡基本原理如图9所示。图中,Rs为整个表的内阻,Rx为被测电阻。M为表头,但这个表头不是实物上的表头,而是实物表头经过电流量程的扩展而得到的。V为直流电压源,实际为内部的电池。

V、Rs、Rx构成一个回路,根据欧姆定律得到公式:I=V/(Rs+Rx)。I为测量回路中流过的电流,也流过表头。显然,通过这个公式,I与Rx构成了一一对应的关系。指针表的表头实际为电流表,表针直接指示的是电流I,所以,所有指针式万用表都是遵从这一公式的规律绘制欧姆刻度的。

从公式推导得到:当Rx=∞时,I=0;当Rx=0时,I为最大值,Imax=V/Rs。这与我们所知道的欧姆刻度是一致的:表针满幅的位置(即满幅电流 Imax位置)标为0Ω,表针起始的位置(即电流为0位置)标为无穷大,欧姆刻度的大小方向与电流挡(以及电压挡)刻度刚好相反。当Rx=Rs时,I为 Imax的一半,因指针是指示电流,故指针指向刻度中央。所以,指针万用表的欧姆刻度中心值就是整个表(即测量电路)的内阻值!这对于所有欧姆挡位都成立。

欧姆挡位不同时,表头M有不同的电流量程。这是利用高灵敏度的实物表头,通过串、并电阻而扩展得到的。这一个电流量程的扩展是线性的,因此,可视为一项线性的传递。也因为扩展是线性的,所以能保证在不同欧姆挡位下,使用同一张刻度纸仍有十分接近的测量精度。实际的万用表中,为迁就电池电压V的变化,各个欧姆挡位表头M的满幅电流值Imax是可以微调的,这由欧姆调零电位器来实现。但欧姆调零电位器的改变,设计时已注意不能令整个表的内阻产生变化,否则,读数就不准。这是因为,欧姆刻度是按固定的内阻来绘制的。

二、电容ESR表的测量原理

根据指针万用表测量直流电阻的方法,容易得到如图10所示的指针表头用于测量电容ESR的概念电路。由于被测对象Rx是交流阻抗,因此,V为交流电压源,表头M为交流电流表, Rs为测量电路的交流内阻。测量回路中流过的电流随着Rx的变化而变化,由这一电流驱动交流表头,以此指示被测交流阻抗值。

但是,常见的表头都是直流表头,即使能找到交流表头,也因灵敏度过低而不能使用。因此,图10所示的测量电路需改为图11的形式。在测量电路中,通过电阻 R来检测测量回路中的电流,以电压形式输出——此时由电阻R完成了I/V变换。经过AC/DC变换为直流电压,加到直流表头M——同时由表头M的内阻完成 V/I变换。这样,测量回路中流过的电流I被传递到了直流表头M,因此,直流表头M可指示出Rx的测量值。

图11中的AC/DC变换要靠二极管整流来实现。而我们设计的ESR表,因为要具备在路测量功能,不允许将测量电平设得过高而令二极管等半导体器件能够导通。这样,AC/DC变换与在路测量这两者之间,就存在着矛盾。为解决这一矛盾,实际的电容ESR表需加入电压放大电路,如图12所示。

在测量回路中,流过的电流I仍遵从公式I=V/(Rs+Rx),其中,Rs为测量电路的内阻。对于这一概念电路,Rs等于检测电阻R。实际电路中,Rs等于检测电阻R加上测量信号源V的内阻。若电流I被传递到表头M的整个过程是线性的,那么就可以按I=V/(Rs+Rx)的规律来绘制表头刻度。反过来,假如表头有现成的欧姆刻度,只要让Rs与刻度中心值相等,并且在测量回路出现最大电流Imax(=V/Rs)时,让表头M达到满幅电流,那么这现成的欧姆刻度就可以利用起来。

这说明,我们可以直接使用指针万用表来改装电容ESR表,不需重新绘制欧姆刻度,但须注意满足两个条件:

一是要让测量电路的内阻与欧姆刻度的中心阻值一致。比如,MF500万用表的刻度中心值为10Ω,测量信号源的内阻加上检测电阻R的总和也须为 10Ω。

二是要将测得的电量(电流)线性地传递给表头,并且还要使得测量回路有最大电流时,表头指针刚好指向满幅位置——也就是线性传递的增益要合适。否则,就不能建立刻度指示值与所测值的一一对应关系。

更进一步,如果要变通使用原欧姆挡刻度,那么只要符合上述两个条件,就可以像指针式万用表那样,进行倍率的变换。换言之,可以按自己的设计意愿来利用原欧姆挡刻度。比如,TR-360指针万用表的刻度中心值为20Ω,出于提高低阻显示分辨率的要求,想将此中心值改为5Ω。那么,就要将测量信号源的内阻设为5Ω,读取数据时乘以1/4(即倍率乘以0.25)即可。

有些指针式电容ESR表电路的电流传递过程并不是线性的。比如,没有利用运放加入反馈来改善线性,而是直接使用二极管作非线性整流,如图13和图14所示的电路。由于二极管的电流与压降的关系呈指数特性,因此,即使测量回路一样,其刻度也不同于指针式万用表,其低阻值区的分辨率会更高。这是一个优点。但对于DIY者来说,没有现成的刻度可利用,需专门绘制,这又是一个缺点。

绘制刻度,实际上是建立被测阻值与显示值的一一对应关系。对于功能强大的MCU来说,十分擅长于此项工作。因此,可以降低对电路线性的要求,测量回路也可以有更灵活的实现方式,使用MCU的数字式ESR表也就具备了简化电路的先天条件。如果不使用MCU,而是使用ICL7106这类A/D芯片来制作数字式 ESR表,则由于对输入有线性要求,表头显示的又是电压。因此,测量信号源需做成具有固定输出的交流恒流源I,以便建立V=IRx的线性关系;后面的电压放大和AC/DC变换电路,也要求有良好的线性。

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