專利名稱：測量電容的儀器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的說來涉及無源電子元件阻抗值的測量，特別涉及采用電荷測量系統(tǒng)進(jìn)行的電容測量。
許多周知的測量電容器的各種性能(包括電容值、漏泄電流、并聯(lián)電阻等)的方法和電路既復(fù)雜、難以進(jìn)行或操作，又需要對結(jié)果進(jìn)行整理，而且花費(fèi)大。這些方法和電路包括電容電橋、運(yùn)算放大器和其它精密儀器。這類儀器往往只有在裝備完善的修理和校準(zhǔn)車間才能找到。
大家都認(rèn)為，象那些可供電氣設(shè)備維修用的普通萬用表最好能具有電容測量的功能。這些通常用以測量電壓、電流和直流電阻的萬用表一般都小巧、輕便，而且價錢不太貴，因而一般深受維修技術(shù)人員們的歡迎。雖然對電容值的粗略估計往往可以通過觀察電容值未知的電容器通過萬用表電阻測量電路的大致充電時間來獲得但大多數(shù)萬用表使用者都更喜歡有一個更準(zhǔn)確但費(fèi)用仍然極低的電容測量方法?？墒羌友b公知的象上述那種復(fù)雜的信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)之類的電容測量系統(tǒng)，大大增加了費(fèi)用和設(shè)備的體積，其增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出基本萬用表所能設(shè)想的。此外，要在萬用表中使用，就必須預(yù)計到電壓偶然被錯誤地加到電容測量電路的可能性。將各阻抗串聯(lián)連接是可以避免電路損壞的，但這種做法由于難以使真正的電容值免受所加阻抗所引起的各種誤差的影響，因而可能是不實(shí)用的。
本發(fā)明測量容性元件電容值的儀器和方法采用電荷測量系統(tǒng)。該容性元件與一包含一參考電阻器和一預(yù)定電壓源的充電電路串聯(lián)連接，以使容性元件完全充電。一個積分運(yùn)算放大器這樣連接到該參考電阻器上，使得只要容性元件正在充電，所述積分運(yùn)算放大器反饋通路中的一個儲能電容器上就堆積著相應(yīng)比例的電荷。這第一個工作狀態(tài)叫做充電周期。
在叫做測量周期的第二個工作狀態(tài)下，從充電電路去除積分運(yùn)算放大器的耦合，并將其這樣耦合到預(yù)定電壓源上，以使電荷從儲能電容器上除去。該儲能電容器系有效地連接到一個比較器的兩輸入端，使比較器在儲能電容器上的電荷量達(dá)零時斷開。從儲能電容器除去電荷所需要的時間正比于容性元件的電容值，這個時間是用一般方法測定的，例如用一個經(jīng)選通的數(shù)字計數(shù)器，該計數(shù)器經(jīng)啟動便在測量周期開始時對時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，而當(dāng)比較器達(dá)到斷開時間時就由比較器輸出端產(chǎn)生的過渡過程加以禁止。計數(shù)器輸出所表示的時間可以電容值為單位讀出。
積分運(yùn)算放大器、比較器和數(shù)字計數(shù)器構(gòu)成手提式萬用表中常見的普通模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，按本發(fā)明的原理可以往這類萬用表中加設(shè)電容測量性能。
所以本發(fā)明的一個目的是提供測量電容量的一種新儀器和方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種采用電荷測量系統(tǒng)的電容測定儀。
本發(fā)明的另一個目的是要使手提式萬用表具有電容測量性能而不致大量增加費(fèi)用和萬用表的體積。
本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人士結(jié)合附圖閱讀下面的詳細(xì)說明即可對本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)一目了然。


圖1是本發(fā)明電容量測定系統(tǒng)的詳細(xì)方框圖。
圖2是一電容值未知的電容器的充電曲線波形圖，用以說明圖1系統(tǒng)的工作情況。
圖3是用圖1系統(tǒng)測量電容時的情況的波形圖。
參看圖1，圖中示出了用于測定一個未知電容值CX的電容器10的系統(tǒng)詳細(xì)方框圖。該系統(tǒng)采用象萬用表中常見的那種通用的雙斜率模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC);但該系統(tǒng)不是涉及測定電壓電平而是用以測定以庫侖為單位的電荷Q，其中Q等于單位電流在單位時間內(nèi)所傳送的電荷量，或Q＝it。
雙斜率模-數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC包括一作為單位增益電壓輸出器連接的緩沖放大器A1和其阻值為Rb的負(fù)載電阻器12，電阻器12耦合到一積分運(yùn)算放大器A2的反相輸入端，放大器A2則有一個容值為Cb的儲能電容器14從其輸出端連接到其反相輸入端。為便于進(jìn)行討論，假設(shè)放大器A1和A2的補(bǔ)償電壓和電流可以忽略不計。積分運(yùn)算放大器A2的輸出耦合到比較器A3的一個輸入端，比較器A3的另一個輸入端則耦合到放大器A2的反相輸入端上。參看圖1，可以看出，電容器14系電氣跨接在比較器A3的兩個輸入端上。比較器A3的輸出端耦合到計數(shù)器16的一個禁止或“停止計數(shù)”輸入端上，計數(shù)器16在測量周期期間一經(jīng)啟動就對來自時鐘18的時鐘信號進(jìn)行計數(shù)。計數(shù)結(jié)果被轉(zhuǎn)移到一測量和顯示單元20。系統(tǒng)的整個操作由控制邏輯單元22控制，控制邏輯單元22可適當(dāng)?shù)嘏鋫湟砸晃⑻幚砥骱鸵恍┒〞r電路。參照電路的工作情況可以更好地理解本發(fā)明的內(nèi)容。
控制邏輯電路22發(fā)送開關(guān)邏輯信號給開關(guān)激勵電路24，圖中，該開關(guān)激勵電路用一個矩陣表示，矩陣的列表示各開關(guān)接點(diǎn)S1-S6，且用虛線連接到各開關(guān)接點(diǎn)S1-S5，矩陣的行則表示各功能。開關(guān)激勵電路24及其有關(guān)的開關(guān)接點(diǎn)可用本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人士熟知的任何方式實(shí)施。矩陣中的黑點(diǎn)表示開關(guān)閉合，無黑點(diǎn)則表示開關(guān)打開。
未知電容10的充電路徑包括串聯(lián)連接著的阻值為RREP的參考電阻器30和阻值為RP的過電壓保護(hù)電阻器32。電阻器32保護(hù)輸入線路使其免受因往輸入端34上誤加電壓所引起的損壞。稍后即可知道，電阻值RP并不影響未知電容值C×的測定過程。
測定未知電容的第一步是將系統(tǒng)置于初始狀態(tài)?？刂七壿嬰娐?2往開關(guān)激勵電路24發(fā)送“初始化”信號時，開關(guān)S1、S3、S5和S6閉合。開關(guān)S1的閉合使電阻器30和32的連接點(diǎn)接地，從而使未知電容器10可以完全放電。開關(guān)S3的閉合使緩沖放大器A1的輸入端接地，從而使緩沖放大器A1通過電阻器12將地參考電壓(零伏)加到運(yùn)算放大器A2的反相輸入端。開關(guān)S5的閉合使運(yùn)算放大器A2的正相輸入端接地，從而確保電容器14完全放電。開關(guān)S6的閉合使比較器A3的輸出端電壓為0伏。
接著，控制邏輯電路22往開關(guān)激勵電路24發(fā)送一“電荷CX”信號，使開關(guān)S1、S3、S5和S6打開，并使開關(guān)S2A、S2B和S2C閉合，歷時一定的時段t1，以便建立一充電周期。在時段ti期間，預(yù)定參考電壓源36系連接到參考電阻器30與緩沖放大器A1輸入端的連接點(diǎn)，從而連接到電阻器12的一端。這時未知電容器10開始充電，使電容器兩端的電壓逐步增加到參考電壓源36經(jīng)由參考電阻器30和過電壓保護(hù)電阻器32所提供的參考電壓值VREF。電容器14也開始通過電阻器12充電。經(jīng)電阻器30的充電電流在電阻器30兩端產(chǎn)生與自身相稱的電壓，該電壓隨著電容器10的充電而下降，從而使加到運(yùn)算放大器A2的正相輸入端的電壓(朝VREF)增加。這就是說，運(yùn)算放大器A2的兩個輸入端有效地耦合到參考電阻器30兩端，以檢測流經(jīng)其中的充電電流，且放大器A2和電容器14通過運(yùn)算放大器的作用對流經(jīng)電阻器12的相應(yīng)比例的電流進(jìn)行積分。這樣，電容器10充電電流在時段ti上的這一積分便在儲能電容器14上累積成均衡的電荷。為確保電荷正確累積在儲能電容器14上，為使充電中的電容器10充電到其最終電壓值VREF，或者使時段t1>>(Rre5+RP)CX需要有若干倍時間常數(shù)。在許多實(shí)際應(yīng)用中，一般認(rèn)為電容器在5倍時間常數(shù)的時限內(nèi)是已經(jīng)充好電的，因?yàn)檫@時它已達(dá)其最終值的大約99.3%。電容器10一旦達(dá)其完全充電狀態(tài)，就不再有電流通過電阻器30，且電容器14上也不再累積有電荷，因?yàn)檫\(yùn)算放大器A2的兩個輸入端在VREF下處于平衡狀態(tài)，而且沒有電流通過電阻器12。電容器10的充電曲線見圖2。在時限t1(它由控制邏輯電路22中的定時電路確定)終了時，開關(guān)S2A、S2b和S2C打開。
控制邏輯電路22發(fā)送一“測定CX”的信號給開關(guān)激勵電路24，使開關(guān)S3和S4閉合，以建立測量周期。與此同時，計數(shù)器16被啟動，并開始在時限t2內(nèi)對來自時鐘18的時鐘信號進(jìn)行計數(shù)。開關(guān)S3的閉合使緩沖放大器A1的輸入端接地，因而也使電阻器12的一端接地。開關(guān)S4的閉合使參考電壓VREF加到運(yùn)算放大器A2的正相輸入端上。參考電壓VREF也通過運(yùn)算放大器的作用出現(xiàn)在放大器A2和比較器A3的反向輸入端上。因此，參考電壓VREF也加到電阻器12兩端，在電阻器12中產(chǎn)生恒定電流，以便使電容器14以線性速率放電。當(dāng)比較器A3正相輸入端的線性增長著的電壓與在其反相輸入端上的VREF相當(dāng)時，這表明儲存在電容器14上的電荷已降到零，比較器A3的輸出端轉(zhuǎn)換狀態(tài)，使計數(shù)器16停止計數(shù)。這時控制邏輯電路22使開關(guān)S3和S4打開，并讀出計數(shù)器16的內(nèi)容。電容器14的放電波形和對所經(jīng)歷時間的測定值見圖3。
在開關(guān)S3-S4閉合與比較器A3斷開這期間測出的經(jīng)歷時間t2與原先累積在各電容器10和14的各電荷成正比。鑒于VREF既用以給電容器10充電，也用以給電容器14放電，因此時間t2與VREF無關(guān)。充電和放電過程可用下式表示Q10＝VREFCX(1)Q14＝Q10(RREF/Rb)＝(VREF/Rb)t2(2)合并式(1)和(2)得出CX＝t2/RREF(3)這樣，未知電容器10的電容值C就可以快速地通過測量和顯示單元20測定出來，同時通過適當(dāng)?shù)碾娙輪挝伙@示出來。
電容器10是通過開關(guān)S1的閉合放電的，如圖1所示，從而使它可以安全地從輸入電路上卸下。實(shí)際上，在待測定的電荷已累積在電容器14上之后的任何時候都可使電容器10放電。而要連續(xù)進(jìn)行測定時，最好是在測量周期期間就讓電容器10放電，以便在將系統(tǒng)再置于“初始狀態(tài)”之前加速電容器10的卸荷過程。
若本說明書上述單個測量過程提供不了所要求的分辨率則可以對電容器10進(jìn)行兩次或兩次以上的充放電循環(huán)，這時電容器14就累積著幾倍于單個周期所能累積的電荷量。然后將測出的倍數(shù)值除以電容器10充放電循環(huán)的次數(shù)就得出高分辨率的CX值。累積法以及其它可用以改進(jìn)雙斜率測量法的方法都是本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人士所熟知的。
應(yīng)該指出的是，圖1方框圖的大部分也適用于萬用表的電阻測量功能。因此為在實(shí)際萬用表的設(shè)計中實(shí)施電阻和電容測量而需要重復(fù)或增加的電路元件數(shù)就可以減至最少。
在一個商品實(shí)施方案中，本發(fā)明的方法和儀器可以測量1微微法至5微法未知的電容值;但通過對電路各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)整不難測定出該范圍以外的電容值。上述商品實(shí)施方案中的某些典型數(shù)據(jù)如下VREF＝+1.23伏，RREF＝10兆歐、1兆歐、100千歐、10千歐或1千歐(各級可加以選取)，RP＝2千歐，Rb＝16.6千歐，Cb＝0.022微法。時限t1和RREF一樣可加以選擇，這取決于容許若干倍時間常數(shù)所需要的時間;但在此實(shí)施例中，t被精確地選為100毫秒。此時限是由邏輯電路22中的定時電路結(jié)合時鐘18加以設(shè)定的。在這方面，時鐘18可由具有對所有附帶功能來說足夠頻率(例如40千赫)的穩(wěn)定而精密的石英振蕩器加以控制。
因此不難理解，我們已達(dá)到了上述和其它所希望的目的;但應(yīng)該指出的是，這里所示和所述的本發(fā)明的個別實(shí)施例僅僅是舉例說明，而不是對本發(fā)明的一種限制。
權(quán)利要求
1.一種用于測量容性元件的電容量的儀器，其特征在于，它包括一可連接到所述容性元件上的充電電路；包括一以第一工作狀態(tài)耦合到所述充電電路的儲能電容器的電荷累積裝置，用于累積與容性元件的電容量成比例的電荷；和以第二工作狀態(tài)耦合到所述電荷累積裝置的測量裝置，用以測量所述電荷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儀器，其特征在于，所述充電電路包括一與所述容性元件串聯(lián)耦合的參考電阻器和一跨接到所述電阻器和所述電容器兩端的參考電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的儀器，其特征在于，所述參考電壓系加到所述電阻器和所述電容器兩端，歷經(jīng)一段足以使所述電容器完全充電的時限。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的儀器，其特征在于，所述電荷累積裝置包括一積分運(yùn)算放大器，該放大器在所述第一工作狀態(tài)下其第一個輸入端耦合到所述參考電阻器的一端，其第二個輸入端耦合到所述參考電阻器的另一端，以便對正比于流經(jīng)所述參考電阻器中的電流的電流進(jìn)行積分。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的儀器，其特征在于，所述測量裝置包括從所述儲能電容器上以某一經(jīng)調(diào)節(jié)的速率除去電荷的裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的儀器，其特征在于，所述電荷除去裝置包括一積分運(yùn)算放大器，該放大器在所述第二工作狀態(tài)時，其第一輸入端經(jīng)一電阻器接地，而其第二輸入端耦合到所述參考電壓上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的儀器，其特征在于，所述測量裝置還包括用于測定從所述儲能電容器上除去所述電荷所需時間的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的儀器，其特征在于，所述時間測定裝置包括一時鐘脈沖源和對所述時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)器，所述計數(shù)器在所述第二工作狀態(tài)開始時被啟動，并在所述儲能電容器上的電荷達(dá)零時停止計數(shù)。
9.一種測量容性元件電容的儀器，其特征在于包括一與所述容性元件串聯(lián)連接的參考電阻器;一在第一工作狀態(tài)下連接到所述參考電阻器和所述電容器兩端的預(yù)定電壓源;一積分運(yùn)算放大器，在從其輸出端至其第一輸入端的反饋通路上連接有一儲能電容器，所述運(yùn)算放大器在所述第一工作狀態(tài)時，其第一輸入端經(jīng)由一輸入電阻器耦合到所述參考電阻器的一端，其第二輸入端耦合到所述參考電阻器的另一端，且所述運(yùn)算放大器在第二工作狀態(tài)時，其所述第一輸入端經(jīng)由所述輸入電阻器接地，其所述第二輸入端耦合到所述預(yù)定電壓源上;一比較器，其第一輸入端耦合到所述儲能電容器的一側(cè)，其第二輸入端連接到所述的儲能電容器的另一側(cè);控制裝置，用以控制所述運(yùn)算放大器的所述第一和第二工作狀態(tài);和耦合到所述控制裝置和所述比較器的一個輸出端的測量裝置，用以測定從儲能電容器上除去電荷所需要的時間。
10.一種測定容性元件電容量的方法，其特征在于，包括下列步驟通過一充電電路對所述容性元件進(jìn)行充電，同時在耦合到所述充電電路的一個儲能電容器上累積著正比于所述容性元件電容值的電荷;使所述儲能電容器以一受控速率進(jìn)行放電;測定所述電容器放電所需要的時間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述充電和累積步驟可在多個周期內(nèi)進(jìn)行。
全文摘要
一種采用電荷測量系統(tǒng)的電容測定儀和測定定。將一容性元件(可以是電容值未知的電容器)完全充電到一預(yù)定電壓值，同時在一積分運(yùn)算放大器的反饋電容器上就累積有正比于容性元件電容值的電荷。然后用同一個預(yù)定電壓作為參考電壓測定電荷從反饋電容器上完全除去所需要的時間來測量該電荷。在一最佳實(shí)施例中，本發(fā)明系作為手提式萬用表中的一個電容測定性能表現(xiàn)出來，該萬用表采用了傳統(tǒng)的雙斜率模-數(shù)轉(zhuǎn)換器作為電荷測量系統(tǒng)。
文檔編號G01R27/26GK1041457SQ89107509
公開日1990年4月18日 申請日期1989年9月20日 優(yōu)先權(quán)日1988年9月23日
發(fā)明者理查德·埃墨森·喬治 申請人:約翰弗蘭克制造公司