掌上型数字式电容/介质损耗、电感/品质因数参数测量仪

摘要

一种电容/介质损耗,电感/品质因数参数测量仪,可以测量电容量C及介质损耗D值或可测量电感量L及品质因数Q值,或同时测量阻抗元件的C、D、L、Q四种参数。其测量方法属于“矢量法”,测量时已将电抗分量与电阻分量分离开了。在大多数实际应用中,可以作“在线测量”,直接测量电路板上的元件。本发明具有四端测量功能,在测量小电感,大电容等低阻抗元件及SMD元件时,独具优越性。量程范围可以覆盖0.01pF～200mF;0.001μH～2000H;基本准确度可达±0.25%;介质损耗测量范围:0.001～2.0;品质因数测量范围:0.1～200。适合在工业生产,科研教学,电器维修工作中推广使用。

说明书

本发明涉及一种阻抗参数测量仪器

现有的掌上型数字式电感电容表可以测量电容器的电容量或测量电感器的电感量。具有携带方便、测量准确、分辨力高的优点。但是，这类表一般不能测量电容器的介质损耗因数D值或电感器的品质因数Q值，无法全面反映被测元件的性能与质量。而且现有的这类表仅有二端测量的功能，在测量小电感、大电容等低阻抗元件时.由仪器测量端子与被测元件之间的连线上的电压降与被测元件本身的电压降比较起来已经很大，会引入相当大的测量误差，有时甚至可能出现数倍于被测元件本身真实值的误差。严重地影响了测量的准确性。

本发明目的在于提供一种既可以测量电容器的电容量又可以测量它的介质损耗D值(或既可测量电感器的电感量，又可测量其品质数Q值)的掌上型数字式电感、电容表，这种表既有并联等效测量功能，又有串联等效测量功能；不但可以做二端测量，还可做四端测量。具有较高的测量准确度及较低的功耗。另外，本发明的测量方法属于矢量测量法，它在一定程度上可以进行“在线测量”，在许多情况下可用以直接测量线路板上的元件，在实际工作中使用非常方便。

本发明可适用于工业生产、科研教学、电器维修等方面。

本发明图是这样实现的(参考以下附图)

图1.为本发明的原理框图

图2.为测量并联等效电容C_p的电路简图

图3.为测量并联损耗D_p的电路简图

图4.为测量串联等效电容C_s的电原理图

图5.为测量串联损耗D_s的电原理图

图6.为测量串联等效电感L_s简图

图7.为测量电感品质因数Q值的电路简图

图8.为电压取样支路A₁的电原理图

图9.为电流取样支路A₂电原理图

图10.为-90°移相电路及脉冲整形电路

本发明电路由正弦波振荡器OSC；半桥测试回路(由电压取样支路A₁、电流取样支路A₂和量程电阻R组成)；有源整流器D；比较器COMP；两路相敏检波器PD₁，PD₂；移相电路₁、₂、₃；ω²参数校正电路A₃；双积分A/D转换器，LCD显示器等组成。振荡器、测试回路、整流器、比较器构成闭合环路，测量并联等效参数时，供给测试回路恒压信号；测量串联参数时供给测试回路恒流信号。半桥测试回路输出的信号由相敏检波器进行矢量分离，再由双积分A/D转换器进行除法运算及A/D转换、最后由LCD显示出测试结果。

半桥的电压取样支路A1具有很高的输入阻抗，其增益为-1；电流取样支路A₂可将流过被测元件的电流转化成电压信号，其输出端有Q₄、Q₅、D₉、D₁₀等元件构成的扩流电路，可以保证整个电路具有较低的静态功耗及较强的输出能力，量程电阻R是改变测量范围的主要元件：由U₇：A、C₇、R_27～28、VR₃等元件组成的有源移相电路，可将输入的正弦波信号移相-90°，VR₃用于微调移相角度，U₇：B、R_30～31、C₁₅组成脉冲整形电路，将正弦波信号转化成相敏检波器所需的方波参考信号。

1.测量并联等效电容时，整机电路可化简成图2所示，这时移相器₁，接成移-90°

测试端等效输入导纳为：

Y＝G+jωC_p

I＝-V₁(G+jωC_p)

V₂＝-IR＝V₁·R(G+jωC_p)

V_i＝|V₂.(-j)|_Re＝V₁RωCp

Vr＝|V₁|.K_d.α_o.ω

其中：Cp，G为被测电容的并联等效电容电导：

      I为流过被测元件的电流

      V_i为双积分A/D转换器输入电压

      Vr为双积分A/D转换器参考电压

      |V₂·(-j)|_Re表示V₂·(-j)的实部。

      K_d为检波效率常数

     α_o—常数， $>>>\alpha >o>>=>>>R>3>>>>R>2>>+>>R>3>>>>>s>$

     ω—测试频率双积分A/D转换器的输出读数 $>>N>=>>>V>i>>>V>r>>>=>>R>>>K>d>>·>>\alpha >o>>>>>C>p>>>s>设：$ >>K>=>>R>>>K>d>>·>>\alpha >o>>>>>s>为一常数，则有：N＝KCp$$

2.测量并联等效损耗D_P时，电路转换成因3所示，此时有：

I＝-V₁(G+jωC_p)

V₂＝-IR＝V₁R(G+jωC_p)

Vr＝|V₂·(-j)|_Re＝V₁·R·ωC_pVi＝|V₂·(0°)|_Re＝V₁·R·G $>>N>=>>G>\omega Cp>>=>Dp>>s>$

3.测量串联等效电容Cs时，电路切换转成如图4.

V₂＝-I·R $>>>V>1>>=>->I>>(>Rs>+>>1>>j>>\omega C>s>>>>)>>·>>(>>>->\omega >>2>>)>>=>->>>V>2>>R>>>(>Rs>+>>1>>j>>\omega C>s>>>>)>>·>>(>>>->\omega >>2>>)>>>s>$

Vi＝|V₂|·K_d·α_o·ω $>>Vr>=>|>>V>1>>·>>(>->j>)>>|>Re>=>>>V>2>>R>>·>>\omega >Cs>>>s>$

N＝K_d·α_o·R·Cs

4.测量串联等效损耗Ds时，电路切换成图5，此时有：

V₂＝-I·R $>>>V>1>>=>->I>·>>(>Rs>+>>1>>j\omega >>C>s>>>>)>>=>>>V>2>>R>>>(>Rs>+>>1>>j\omega >>C>s>>>>)>>>s>$ >>Vi>=>|>>V>1>>·>>(>->1>)>>>|>Re>>=>>>V>2>>R>>·>Rs>>(>>\omega >2>>)>>>s>$ >>Vr>=>|>>V>1>>·>>(>->j>)>>>|>Re>>=>>>V>2>>R>>>(>>\omega >2>>)>>·>>1>>\omega >>C>s>>>>>s>$ >>N>=>>Vi>Vr>>=>\omega Cs>·>Rs>->Ds>>s>$$$$

5.测量串联等效电感L_s时，电路接法如图10。经类似的推导，可以得到 $>>N>=>>Vi>Vr>>=>>Ls>>K\alpha >·>>\alpha >o>>·>R>>>>s>$

6.测量串联等效Q值时，电路接法如图11。经类似的推导，可以得到 $>>N>=>>\omega Ls>Rs>>·>Q>>s>$

7.四端测量：由图1可以看出本机的输入端共有四个端子，电压高电位端V_H，电流高电位端I_H，电压低电位端V_L，电流低电位端I_L；做二端测量时，I_H，V_H联接在一起，合成一个端子高端用；I_L，H_L联接在一起，合成一个端子低端用。做四端测量时，四个端子分别引出V_H、I_H接在被测元件的一端，V_L、I_L接被测元件的另一端；这种接法可以克服引线压降所造成的测量误差，在测量低阻抗元件时具有特别明显的效果。一般在使用时最好分别将这四条线外部屏蔽起来、接地，以减轻外界杂散电场干抗。

本发明使用正弦波激励，根据所需的测量项目可以选择工作频率100Hz、1kHz、10kHz、100kHz等，以分别适应不同的频率要求及量程范围。它可用于制造单独测量电容器的电容量C值及D值(介质损耗)或单独测量电感器的电感量L值及Q值(品质因数)的仪器；也可以用于制造同时测量C、D、L、Q四种参数的仪器。尤其在制造掌上型数字电容、电感表方面有其独到之处。按本发明制造出来的仪器，量程范围可以覆盖0.01pF～200mF；0.001μH～2000H；基本准确度可达±0.25％；介质损耗测量范围：0.001～2.0；品质因数测量范围：0.1～200。本发明属于矢量测量方法，它测量时已将电抗分量与电阻分量分离开了。因此，在大多数实际应用中，它可以作“在线测量”，直接测量电路板上的元件。这对工业生产及维修工作会带来极大的方便。