电容ESR表（二） 电容ESR表的设计、制作、调试

四、整体设计及最终完成的电路

在设计之初，笔者从元件获得、PCB排布、使用器件数量等方面综合考虑，决定优先选用双运放IC。最终电路的主体部分由两块双运放集成电路TL062和NE5532负责，完成了除自动关机之外的所有任务。

笔者设计的指针式电容ESR表原理框图如图16所示，制作成功后的整机电路图如图17所示。

1.100kHz正弦波振荡器

在图17中，运放IC1A与周围元件构成文氏（Wien，也有人译作“维恩”）电桥式正弦波振荡器。这种文氏电桥振荡电路，具备产生低失真正弦波的潜能，如果在幅度反馈控制上进行细致设计，可获得0.000X%量级的超低失真性能。在这里，由于对正弦波的纯净度要求并不高，因此，使用了最简单的电路形式，失真也就较大，为X%的量级。即使这样，也明显优于方波振荡器。

R1、C1和R2、C2构成所称的文氏电桥。R1、C1是相位滞后网络，R2、C2是一个相位超前网络。两个网络叠加，还产生带通滤波选频的作用。对于 IC1A的同相输入端，特定频点的信号从IC1A的输出端返回至此时，刚好与原信号同相，即是产生正反馈。产生的振荡要持续起来，需符合两个条件。除了要有正反馈外，还要求环路增益等于1。由于文氏电桥有3:1的衰减，所以要求电路有3倍放大的增益。为此，将运放负反馈网络的R4、R3和VR1取成略高于 3倍放大量的值，并通过VR1调节来确保电路起振。VD1、VD2与负反馈电阻R4并联，起到稳定振幅的作用。

由于信号在运放内部产生相移，按照此公式计得的结果总是与实际有出入。图17中的文氏电桥阻容取值是经实际调试得到的。

图16 指针式电容ESR表设计框图

2.衰减器与测试驱动器

为获得适合于在路测量的电平，在电路中设置了由R5、R6组成的11:1电压衰减器，将1.3Vpp的振荡器输出电压降为120mVpp，然后直接送往 IC2A。IC2A相当于设计框图中的测试驱动器，电路形式为同相缓冲器。其增益等于1，因而获得最深的反馈，令输出阻抗最小化。R7是用于防止运放出现异常的自激现象，已被纳入运放的负反馈环路内。

3.测试接口及保护电路

保护电路基本与图14所示的国外电路一致。图17中，用于提供直流保护（隔直）的电容C3需要承受高压，所以取耐压较高的400V规格。这只电容串在测量回路中，对其容抗有要求，容量越大就越有利。但受体积限制，因此选用ESR甚低、容量相对较大的1μF聚丙烯电容（WIMA的MKP10）。R8为C3的放电电阻。若没有R8，当ESR表测量带有高压电的电容后，C3上的电荷可能会造成对使用者的电击。VD3、VD4的作用在前面已提及，是起限制直流电压的作用，防止误测未放电电容时造成ESR表的意外损坏。

测试驱动器作为测量信号源，与被测电容、C3、检测电阻R9形成一个测量回路。通过前面的原理介绍，我们知道，测量回路的内阻应等于表头刻度中心值（MF500为10Ω）。这里因驱动器的输出阻抗较低，C3在100kHz时的交流阻抗也较小，故暂时将R9取值为10Ω。笔者本来打算在制作完成后，再根据验核情况，通过加并一只电阻将R9的值调小一些。后来检查发现，10Ω的R9已基本满足要求。

4.表头驱动电路

图16所示的设计框图中的电压放大、AC/DC变换和V/I变换，是由图17所示的IC2B及其周边元件完成。图17所示的虚线框内的表头电路本身可做V /I变换工作，IC2B则担负电压放大的责任。此外，通过IC2B的负反馈，为二极管VD5和VD6的整流（即AC/DC变换）提供改善线性的作用。 RP2用于欧姆调零的粗调，其阻值的大小决定了电压放大的增益。虚线框实为MF500万用表欧姆挡的表头电路，由原表搬移过来，其中RPm为欧姆调零电位器，设在面板上。为提高安全性，表头电路采用不同于图15理想二极管电路中的接法。表头电路两端接在VD5、VD6之间，悬浮于地线，与地线的直流通路由 C4阻断。若采用图15所示的接法，则表头驱动电路中有某个元件损坏，或者制作过程中出现一个错误，IC2B输出端往往会出现严重的直流偏移电压，令昂贵的表头受损甚至烧坏。由于工作频率高达100kHz，这里对半导体器件特性的要求较高，需使用频响特性好的运放，压降小的锗二极管。否则，线性度将大大受损，直接使用万用表欧姆刻度时会带来很大误差。

图17 指针式电容ESR表整机电路图

5.单电源转双电源电路

该电路以IC1B为核心，常被称为虚地驱动电路。R17和R18从单电源中取得中点电压，送往IC1B的同相输入端。IC1B接成缓冲器形式，利用其很深的负反馈，使得输出端紧紧跟随同相输入端的电位。这样，就实现了由+9V单电源到±4.5V双电源的变换。所用的TL062为JFET输入型，输入阻抗很高，故允许R17和R18取较高的值，这样可减轻一些电源消耗。

读者看完后面介绍的测试驱动器试验情况，可能会有疑问：接成缓冲器的TL062在100kHz时表现不佳，能否保证工作频率高达100kHz的整个ESR 表的电源需求？这种担心不无道理。假如缺少C7、C8这两只电源输出滤波电容，确实是成立的。但有了这两只电容之后，情况就变得大不相同。这时，只要 TL062能保证低频时有足够的输出电流供应即可。因为高频段的电源要求，是由C7、C8承担的。这其实与很多电子设备的常见情形一样，包括线性稳压电源和开关电源在内的绝大部分稳压电源，仅能保证音频频率以下的范围具有足够低的输出阻抗，超出此范围还是要依靠电源输出端的滤波电容。此电路的工作原理实质上等同于线性稳压电源，其中，IC1B肩负了后者的误差放大器和调整管的任务。