CN106199285A - 任意交流载波下的电容特性测量设备及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种任意交流载波下的电容特性测量设备及其测量方法，包括以下步骤：步骤S1：搭建一测量设备，先开启测量设备中的交流载波源，再开启高频激励源，测量待测量电容C，得到电压表和电流表的数据分别为u_c（t），i_c（t）；步骤S2：通过待测量电容C两端的电压为交流载波激励源和高频测量激励源的叠加，得出任意一时刻t时的电容C的阻抗值Z_C(t)；步骤S3：对不同频率f的高频激励源进行扫频，得出电容C阻抗特性随时间t、高频激励源f的变化关系。本发明针对目前已有测量有交流偏压情况下难以测量的问题，提出了任意交流载波下电容特性测量的方法，高频激励源和低频载波源之间不会发生串扰，实现了容性负载在任意交流载波下的精确测量。

Description

任意交流载波下的电容特性测量设备及其测量方法

技术领域

本发明涉及任意交流载波下的电容特性测量领域，特别是涉及任意交流载波下的电容特性测量设备及其测量方法。

背景技术

在电路设计中需要精确了解一个元件的静态特性和动态特性，尤其是在实际工作中元件表现出的动态特性对电路工作影响较大。这就需要对元件的动态特性进行精确的测量。容性器件在不同载波下会有不同于静态的特性，在直流偏压、交流载波情况下会有不同的特性，尤其是在高频交流载波下电容特性改变巨大，但是在交流载波下很难测定其容性特性。

电容器是电路中最基础的元器件之一，在低压低频下电容特性比较稳定，可以通过测定其静态特性（包括电容容值、电容等效串联电阻和电容等效串联电感等）大致表达其特性。但是在高频下，电容器将会随着频率的增高呈现出感性，而且在一定的交流偏压下，电容特性也与静态时所测定的不同，这将会给电路设计、EMI设计带来极大干扰和难度。当前开关电源朝着高频化发展，电容器等容性器件起到交流滤波作用应用广泛，EMI滤波电容常工作在50Hz的工频下，其电容特性可能随着工频载波的不同而改变，但是目前电路设计均为考虑到这一点。高频交流载波下电容器的特性会发生改变使得静态测定的电容特性已经失去其意义。所以测定动态情况下尤其是交流偏压下电容特性有其必要性。

现有测量电容参数方法为用万用表等仪器设备测定电容的静态特性，仪器分模拟式和数字式两种。模拟式仪器主要通过电桥法或者谐振法测量电容的静态特性，其中电桥法广泛应用于普通万用表。模拟法测得的数值难以达到较高精度。数字式仪器主要通过先在待测物两端加小信号源，再通过数字传感器采集待测物体两端的电压、电流信号，通过微处理器分析运算即可得出该待测物的特性。提高传感器精度、微处理器AD采样精度、处理器运算精度以及合理的算法均可以有效提高测试精度。故数字式仪器普遍比模拟式高。目前普遍使用的数字化仪器有LCR表、阻抗分析仪、网络分析仪等。

上述两种测量方法其电路载流能力决定不允许在待测物两端带强电工作，否则可能测量错误甚至烧毁仪器。现有技术中仪器测得的数据为电容的静态特性，无法实现电容在交流载波情况下的特性测量。电容在交流偏压下实际工作特性与静态特性差异较大。目前仪器尚未能够实现任意交流载波下电容的特性测量。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种任意交流载波下的电容特性测量设备及其测量方法，针对目前难以测定的电容器件在交流载波下的特性测量提出了新的测量方法，能够有效准备测定任意交流载波下的电容的特性。

1、本发明采用以下方案实现：一种任意交流载波下的电容特性测量设备，包括一载波低频交流源、一高频小信号激励源、一待测量电容C；所述载波低频交流源包括载波激励源与第一变压器，所述高频小信号激励源包括高频激励源与第二变压器；所述第一变压器包括原边绕组N1、副边绕组N2、副边绕组N3，所述第二变压器包括原边绕组N6、副边绕组N4、副边绕组N5；第一变压器副边两绕组同名端相连形成一个公共端，构成含有中间连接点的第一副边串联结构；第二变压器副边两绕组同名端相连形成一个公共端，构成含有中间连接点的第二副边串联结构；所述待测量电容C的两端与所述第一副边串联结构中间连接点及第而副边串联结构中间连接点相连；所述待测量电容C与任一副边串联结构公共端间串联有一用以测量其瞬时电流大小i _c （t ）的电流表，所述待测量电容C的两端并联有一用以测量其瞬时电压大小u _c （t ）的电压表；所述第一变压器的原端绕组N1与所述载波激励源相连，所述第二变压器的原端绕组N6与所述高频激励源相连；所述第一变压器的次级端N2的同名端与所述第二变压器的初级端N4的同名端之间连接有一阻抗，所述第一变压器的次级端N3的同名端与所述第二变压器的初级端N5的同名端之间连接有另一阻抗。

进一步地，所述载波激励源的输出电压值为u ₁ （t ） ，所述第一变压器的匝比为N1:N2:N3=N:1:1；所述高频激励源的输出电压值为u ₂ （t） ，u ₂ （t ）小于u ₁ （t ） ，所述第二变压器的匝比为N4:N5:N6=1:1:M。

进一步地，所述电压表、电流表可以分别采用示波器电压探头、电流钳代替。

进一步地，所述阻抗可以为电感、电阻、电容或者三者串并联体，目的是防止变压器结构不对称，保证安全情况下尽量设计小。

本发明还采用以下方法实现：一种任意交流载波下的电容特性测量设备的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：搭建上述测量设备，先开启测量设备中的交流载波源,再开启高频激励源，测量流过待测量电容C电流和两端电压，得到电压表和电流表的数据分别为u _c （t） ，i _c （t）；

步骤S2：通过待测量电容C两端的电压为交流载波激励源和高频测量激励源的叠加，根据下式得出在N倍载波下任意一时刻t时的电容C的阻抗值Z_C(t)：

步骤S3：对不同频率f 的高频激励源进行扫频，根据上式得出电容C阻抗特性随时间t、高频激励源f 的变化关系。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、解决了电容器件在任意交流载波下难以测量动态特性的难题。2、电路简单，没有复杂运算，整个测量过程简洁方便。3、该方法同样可以用于小信号法测量其他阻抗的特性。如测量电感在交流载波下的特性，便于日后理论分析。4、实现了两个交流源的隔离问题，解决了两个不同频率、不同相位的交流源不可以串联使用的难题。

附图说明

图1为本发明的测量设备的示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

2、本实施例提供一种任意交流载波下的电容特性测量设备，如图1所示，包括一载波低频交流源、一高频小信号激励源、一待测量电容C；所述载波低频交流源包括载波激励源与第一变压器，所述高频小信号激励源包括高频激励源与第二变压器；所述第一变压器包括原边绕组N1、副边绕组N2、副边绕组N3，所述第二变压器包括原边绕组N6、副边绕组N4、副边绕组N5；第一变压器副边两绕组同名端相连形成一个公共端，构成含有中间连接点的第一副边串联结构；第二变压器副边两绕组同名端相连形成一个公共端，构成含有中间连接点的第二副边串联结构；所述待测量电容C的两端与所述第一副边串联结构中间连接点及第而副边串联结构中间连接点相连；所述待测量电容C与任一副边串联结构公共端间串联有一用以测量其瞬时电流大小i _c （t ）的电流表，所述待测量电容C的两端并联有一用以测量其瞬时电压大小u _c （t ）的电压表；所述第一变压器的原端绕组N1与所述载波激励源相连，所述第二变压器的原端绕组N6与所述高频激励源相连；所述第一变压器的次级端N2的同名端与所述第二变压器的初级端N4的同名端之间连接有一阻抗，所述第一变压器的次级端N3的同名端与所述第二变压器的初级端N5的同名端之间连接有另一阻抗。

在本实施例中，所述载波激励源的输出电压值为u ₁ （t ） ，所述第一变压器的匝比为N1:N2:N3=N:1:1；所述高频激励源的输出电压值为u ₂ （t ） ，u ₂ （t ）小于u ₁ （t ） ，所述第二变压器的匝比为N4:N5:N6=1:1:M。

其中，N=M=2是典型值，可以直接使用上述公式计算，当M、N可以为任意其他正数时u1（t）应按照比例改变。

在本实施例中，所述电压表、电流表可以分别采用示波器电压探头、电流钳代替。

在本实施例中，所述阻抗可以为电感、电阻、电容或者三者串并联体，目的是防止变压器结构不对称，保证安全情况下尽量设计小。

在本实施例中，一种任意交流载波下的电容特性测量方法，包括以下步骤：

步骤S1：搭建上述测量设备，先开启测量设备中的交流载波源,再开启高频激励源，测量流过待测量电容C电流和两端电压，得到电压表和电流表的数据分别为u _c （t） ，i _c （t） ；

步骤S2：通过待测量电容C两端的电压为交流载波激励源和高频测量激励源的叠加，根据下式得出在N倍载波下任意一时刻t时的电容C的阻抗值Z_C(t)：

步骤S3：对不同频率f 的高频激励源进行扫频，根据上式得出电容C阻抗特性随时间t、高频激励源f 的变化关系。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种任意交流载波下的电容特性测量设备，其特征在于：包括一载波低频交流源、一高频小信号激励源、一待测量电容C；所述载波低频交流源包括载波激励源与第一变压器，所述高频小信号激励源包括高频激励源与第二变压器；所述第一变压器包括原边绕组N1、副边绕组N2、副边绕组N3，所述第二变压器包括原边绕组N6、副边绕组N4、副边绕组N5；第一变压器副边两绕组同名端相连形成一个公共端，构成含有中间连接点的第一副边串联结构；第二变压器副边两绕组同名端相连形成一个公共端，构成含有中间连接点的第二副边串联结构；所述待测量电容C的两端与所述第一副边串联结构中间连接点及第而副边串联结构中间连接点相连；所述待测量电容C与任一副边串联结构公共端间串联有一用以测量其瞬时电流大小i _c （t）的电流表，所述待测量电容C的两端并联有一用以测量其瞬时电压大小u _c （t）的电压表；所述第一变压器的原端绕组N1与所述载波激励源相连，所述第二变压器的原端绕组N6与所述高频激励源相连；所述第一变压器的次级端N2的同名端与所述第二变压器的初级端N4的同名端之间连接有一阻抗，所述第一变压器的次级端N3的同名端与所述第二变压器的初级端N5的同名端之间连接有另一阻抗。

2.根据权利要求1所述的一种任意交流载波下的电容特性测量设备，其特征在于：所述载波激励源的输出电压值为u ₁ （t），所述第一变压器的匝比为N1:N2:N3=N:1:1；所述高频激励源的输出电压值为u ₂ （t），u ₂ （t）小于u ₁ （t），所述第二变压器的匝比为N4:N5:N6=1:1:M。

3.根据权利要求1中所述一种任意交流载波下的电容特性测量设备，其特征在于：所述电压表、电流表分别采用示波器电压探头、电流钳代替。

4.根据权利要求1中所述一种任意交流载波下的电容特性测量设备，其特征在于：所述阻抗为电感、电阻、电容或者三者串并联体。

5.一种根据权利要求1所示的任意交流载波下的电容特性测量设备的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：搭建权利要求1中所述测量设备，先开启测量设备中的交流载波源,再开启高频激励源，测量流过待测量电容C电流和两端电压，得到电压表和电流表的数据分别为u _c （t） ，i _c （t）；

步骤S2：通过待测量电容C两端的电压为交流载波激励源和高频测量激励源的叠加，根据下式得出在N倍载波下任意一时刻t时的电容C的阻抗值Z_C(t)：

步骤S3：对不同频率f 的高频激励源进行扫频，根据上式得出电容C阻抗特性随时间t、高频激励源f 的变化关系。