[实用新型]采用四相检测技术的杂散免疫便携式电容表

说明书

本实用新型属一种便携式测量微电容的仪表。

电容表广泛应用在工业和实验室。在许多场合下，将要测量的电容很小，小到几pF或更小，而杂散电容却很大，例如：1m长的屏蔽电缆的电容就有100pF。目前市场上的便携式电容表都不具有杂散免疫功能，即测量结果受杂散电容的影响，保证不了测量精度。

本实用新型的目的是：为了解决上述问题，提供基于四相检测技术的便携式电容表，这种电容表具有杂散免疫功能，能精确测量小到1pF的电容，分辨率达0.001pF。

本实用新型的杂散免疫电容表由脉冲产生电路1(晶振X、六反相器U1)、十分频电路2(分频器U2、转换开关S)、四分频电路3(双D触发器U3)、开关电路4(四双向模拟开关U4、被测电容Cx)、电流—电压转换电路5(运放1、运放2、电阻R1、R2、电容C1～C4)、差动放大电路6(运放3、电阻R3～R6)、补偿和线路增益调节电路7(运放4、电阻R8～R10、可变电阻W1、W2)组成。本实用新型的线路连接方式是：脉冲产生电路1中的六反相器U1的三个非门首尾串接，其输入端和另一非门的输出端接晶振X；脉冲产生电路1产生的脉冲由六反相器U1送至十分频电路2中分频器U2的时钟脉冲输入端CP和转换开关S，分频器U2的使能控制端CPE和复位端R接地，进位输出端CO接转换开关S的另一端；转换开关S的输出端接四分频电路3中双D触发器U3A和U3B的时钟脉冲输入端CP，一D触发器的信号输入端D分别接另一D触发器的输出端，复位端R和置位端S接地，输出端Q和Q输出的脉冲Vo1～Vo4送至开关电路4中模拟开关U4的控制端；流经被测电容Cx的电流分别经开关电路4中的SW3和SW4接电流—电压转换电路5中运放1和运放2的反相输入端，运放的同相输入端接地；运放1和运放2的输出电压分别经电阻R3、R4送至差动放大电路6中运放3的反相和同相输入端；运放3的输出电压经电阻R7送至补偿和线路增益调节电路7中运放4的反相输入端，补偿调节电路接在+15V和-15V之间，其输出端经电阻R10也接运放4的反相输入端，同相输入端接地；运放4的输出端接电压表V，显示出电容值。

本实用新型的工作原理是：

图1是电容表的原理图。晶体振荡器X和六反相器U1产生4MHz脉冲，脉冲信号直接或者经过十分频器U2送到双D触发器U3组成的四分频器。通过转换开关S能选择1MHz或100kHz两种不同的脉冲频率。根据需要，也可再增加一些十分频器，以得到更多的脉冲频率，扩大测量范围。

四分频器产生四个占空比50％的方波信号，相位分别是0°、90°、180°、270°，如图2中Vo1～Vo4所示。这些信号用来控制四个模拟开关工作。

要测量一个未知电容Cx，二个方波信号——Vo1和Vo2加至二个CMOS开关SW1和SW2，以使Cx左端或者接至+15V，或者接至地，15V方波有效地通过Cx形成电流。其余两个方波信号——Vo3和Vo4用来控制另外二个CMOS开关SW4和SW3，由方波形成的Cx上的电荷经过SW3释放到运放1或者经SW4释放到运放2。理论上，电荷与方波幅度(15V)和测量的未知电容的容量成正比。运放1或运放2都把电荷电流转换成电压，两运放输出的电压大小相等、符号相反。图中电容C1和C2用来吸收尖蜂，电阻R1、R2和电容C3、C4形成放大器的反馈回路。运放3是差动放大器，来自运放1和运放2的二个直流电压信号由运放3相加。运放4用来进一步放大信号并调节补偿和线路的增益。合成电压用三位半数字电压表显示出来，此电压值表示电容值。

杂散电容是被测电容Cx电极引线与地之间的电容，有两个杂散电容分别附加在Cx两端。左端的杂散电容由电压源驱动，其输出阻抗可忽略，它不影响电容的测量。右端的杂散电容经由运放1或运放2，总是被保持接在虚地上，它上面的电位是零，因此，这个杂散电容也不影响电容的测量。所以说，这个电容测量线路是杂散免疫的。

本实用新型的优点是：具有杂散免疫功能，灵敏度高，能精确测量小到1pF的电容，分辨率达0.001pF，且结构简单，体积小，重量轻，成本低，可广泛应用于工业、实验室及科研部门。

附图说明：

图1：本实用新型的电容表的电原理图

图2：四分频电路输出的波形图

图1中：1—脉冲产生电路；2—十分频电路；3—四分频电路；4—开关电路；5—电流—电压转换电路；6—差动放大电路；7—补偿和线路增益调节电路

图1中元件参数值：

X：4MHz晶振；U1：六反相器CD4069；U2：十进制记数/分频器CD4017；U3：双D触发器CD4013；U4：四双向模拟开关CD4066；U5：四运放器LM324；S：钮子开关；R1～R7：10kΩ；R8、R9：5.1kΩ；R10：10kΩ；C1、C2：0.1uF；C3、C4：4700pF；C5、C6：0.1uF；W1：1kΩ；W2：51kΩ；V：三位半数字电压表头