CN201057533Y - 一种具有精确测量电容功能的万用表 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种万用表，包括：被测电容、镜像恒流源充放电模块、电压检测模块、控制模块、时钟发生器，其特征在于：所述充放电模块包括：一个恒流源、一个镜像电路、一个充放电电路一个充放电开关控制电路。被测电容的充电电流与放电电流为一对镜像电流。控制模块可以通过固定测量时间，测量不同时间点上的电容上的电压差来计算电容值；也可以通过固定电容上的电压差，测量充电时间来计算电容值，以达到更加精确、快速的测量电容的功能。

Description

一种具有精确测量电容功能的万用表

技术领域

本实用新型一般涉及万用表测量工作领域，更特别涉及高效率、高精确度的万用表电容测量的领域。

背景技术

电容测量是万用表的一个所希望的特征。该特征允许用户方便的测量出被测电容的容值，并将所测值显示在屏幕上可以读取、查看或者保存。

在现有技术中已经使用了很多方法来实现这种功能。目前公知的有谐振法、频率法等测试电容的方法。这些方法虽然成本低廉，但是测量精度不高、测量时间长，只能用于泛泛的电容值的测量。

图1所示的为谐振法测量电容的原理：

电路的核心部分Cx→V转换电路采用简单的有源RC反相微分和积分电路。文氏振荡器产生一固定频率的交流信号Vr，它激励Cx→V转换电路，得到一个与Cx成正比的交流电压V0(V1)，经二阶带通滤波器滤波，滤除固定频率以外的杂波后，再经AC/DC转换后得到与Cx成正比的直流输出电压V。测量直流输出电压V，就可以计算出Cx。

除此之外，还有采用电压源充电、RC电路放电，利用电压比较器和计数器来测量充电时间的方法来测量电容值。这种充放电的方法与本发明方法有类似之处，但是这种测量电容的方法依然具有精确度不高，放电时间长的缺点。而且，不同容值的电容接入的时候，放电的时间是随电容的增大而增大的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种具备高精确度、测量时间短的电容测量功能的万用表。

本实用新型提出一种具有镜像恒流源测电容功能的万用表，包括：镜像恒流源充放电模块2、电压检测模块3、控制模块4、时钟发生器1，原理框图如图2所示。

上述的镜像恒流源充放电模块2，与被测电容5的一端A相连，用于给被测电容5充、放电。

上述的电压检测模块3，输入与被测电容5的一端A相连，用于检测被测电容5A端的电压值。

上述的控制模块4，与镜像恒流源充放电模块2的控制端连接，控制充电回路的通断以及放电回路的通断；所述控制模块4还与电压检测模块3相连，获得被测电容5上的电压信息。

上述的镜像恒流源充放电模块2包括恒流源11、镜像电路13、充放电电路12、充放电开关控制电路14。

上述的恒流源11为充电电路、放电电路提供电源；

上述的充放电电路12用以给被测电容5充电、放电；

上述的镜像电路13使得被测电容5的充电电流I1与放电电流I2成比例关系，即I1＝K×I2，其中K为一常数；

上述的充放电开关控制电路14用以控制充电电路的通断以及放电电路的通断。

控制模块4可以固定充电时间，测量电容的充电以前的电压和充电以后的电压的差值，从而计算出电容值。

控制模块4也可以固定充电的电压值，当电容上的电压达到预定值的时候，测量充电过程的时间，从而计算出电容值。

本实用新型与现有技术相比较有如下有益效果：

1.提高万用表测量电容的精度。

2.缩短测量电容的时间，尤其是测量大容值的电容的时候，测量时间不增加。

附图说明

图1显示了谐振法测量电容的原理图

图2的简化方框图显示了本实用新型的原理框图

图3显示了本实用新型实施例1的原理框图

图4显示了实施例1的被测电容上的电压波形图

图5显示了本实用新型实施例2的原理框图

图6显示了实施例2的测电容上的电压、比较电压器CV1与比较电压器CV2的波形时序图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

实施例1

本实施例的测电容的原理框图如图3所示，包括：镜像恒流源充放电模块24、电压检测模块23、控制模块22、一个时钟发生器21。

所述的镜像恒流源充放电模块24包括一个恒流源、一个充放电电路、一个镜像电路、一个充放电开关控制电路。

所述的充放电电路由两个二极管D1、D2构成，通过D1向被测电容Cx充电，为充电电路；  通过D2从被测电容Cx放电，为放电电路；

所述镜像电路由三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R构成，对于本技术领域熟知的人知道，还可以有许多其他方式组成的镜像电路，此处仅举一例。其中，调节电阻R1与R2的比值就可以改变充电电流I1与放电电流I2的比值，此处，我们让R1＝R2，这样就有I1＝I2。

所述充放电开关控制电路由可控开关K1构成，在实际中可控开关K1可以是继电器，也可以是三极管等。控制器通过控制可控开关K1的控制端来控制开关K1的通断。从图3可以看出，当K1断开时，恒流源通过D1向被测电容充电，D2反向截止，关闭了放电电路；当K1闭合时，D1反向截止，关闭充电电路，通过Q1，从被测电容放电。

上述的镜像恒流源充放电模块实现了对电容的充、放电功能，且充电电流等于放电电流。

所述的电压检测模块23为一个A/D转换器，测量被测电容上的电压值，转换成数字信号，送给控制器。

所述控制模块22通过控制充放电开关控制电路，就可以实现完整的电容测量周期了。

本实施例测电容的方法如下：

控制模块22固定充电时间，测量电容的充电以前的电压和充电以后的电压的差值，从而计算出电容值。整个测量过程包括充电期间、放电期间。完成一个充、放电的周期就可以测出Cx的电容值。

步骤一：充电期间，控制模块22控制K1打开，打开充电电路，关闭放电电路。同时控制模块开始计时。

步骤二：计时器计到一定时间T的时候，计时器复位清零，重新开始计时。控制模块22控制K1闭合，关闭充电电路，打开放电电路。并同时通过A/D转换器，读取此时被测电容上的电压值v1。

步骤三：计时器计到一定时间T的时候，计时器复位清零，重新开始计时。控制模块控制K1打开，打开充电电路，关闭放电电路。并同时通过A/D转换器，读取此时电容上的电压值v2。

重复上述的步骤二、步骤三，可以进行周期性的测量。

因为这种方法充、放电时间短，所以十分适用于对大的电容的测量。

由此，我们可以计算出电容值Cx：

ΔU＝|v2-v1|

Cx＝ΔU/(充电电流I1×T)

实施例2

本实施例的测电容的原理框图如图5所示，包括：镜像恒流源充放电模块34、电压检测模块33、控制模块32、时钟发生器31。

所述的镜像恒流源充放电模块34包括一个恒流源、一个充放电电路、一个镜像电路、一个充放电开关控制电路。

所述的充放电电路由两个二极管D1、D2构成，通过D2向被测电容Cx充电，为充电电路；通过D1从被测电容Cx放电，为放电电路；

所述镜像电路由三极管Q1、三极管Q2、电阻R1、电阻R2、电阻R构成，对于本技术领域熟知的人知道，还可以有许多其他方式组成的镜像电路，此处仅举一例。其中，调节电阻R1与R2的比值就可以改变充电电流I1与放电电流I2的比值，此处，我们让R2＝R1，这样就有I1＝I2。

所述充放电开关控制电路由可控开关K1构成，在实际中可控开关K1可以是继电器，也可以是三极管等。控制模块32通过控制可控开关K1的控制端来控制开关K1的通断。从图5可以看出，当K1断开时，恒流源通过D1从被测电容放电；当K1闭合时，通过Q1，向被测电容充电。

上述的镜像恒流源充放电模块实现了对电容的充、放电功能，且充电电流等于放电电流。

所述的电压检测模块33包括一个电压比较器CV1和一个电压比较器CV2，电压比较器CV1的一个输入与被测电容35的A端连接，另一个输入连接到固定的预置比较电压v1，当被测电容35上的电压大于等于比较电压v1时，CV1的输出电平发生变化；电压比较器CV2的一个输入与被测电容35的A端连接，另一个输入连接到固定的预置比较电压v2，当被测电容35上的电压小于等于比较电压v2时，CV2的输出电平发生变化。控制模块32通过检测CV1、CV2输出电平的变化而得知被测电容A端电压的范围。

所述控制模块32通过控制充放电开关控制电路，就可以实现完整的电容测量周期了。

本实施例测电容的方法如下：

控制模块32检测充电过程中，被测电容35上的电压从预置电压值v1变化到预置电压值v2的时间Δt，从而计算出被测电容值。

步骤一：放电步骤。控制模块32控制K1打开，打开放电电路，关闭充电电路。电容开始放电。当电容上的电压小于等于比较电压v2的时候，电压比较器CV2的输出电平翻转；

步骤二：当电容上的电压小于等于比较电压v2的时候，电压比较器CV2的输出电平翻转，控制模块32检测到CV2输出电平的变化，控制模块32控制K1闭合，打开充电电路，关闭放电电路。电容开始充电。同时，控制模块32开始计时。

步骤三：当电容上的电压大于等于比较电压v1的时候，电压比较器CV1的输出电平翻转；控制模块32检测到电压比较器CV1的输出电平翻转，停止计时，记录下计时时间Δt；控制模块控制K1打开，打开放电电路，关闭充电电路。电容开始放电。

步骤四：重复步骤二、三。

比较电压器1和比较电压器2的输出波形如图6所示。这些波形被送进控制模块32中(如图6所示)，控制模块32测量比较CV1输出的波形信号的频率f，由于充电电流等于放电电流，所以充电时间等于放电时间，所以：Δt＝1/f/2。

计算被测电容：

ΔU＝v1-v2

Δt＝1/f/2

Cx＝ΔU/(充电电流I1×Δt)

以上具体实施方式仅用于说明本实用新型，而非用于限定本实用新型。

Claims (2)

1.一种具有精确测量电容功能的万用表，包括被测电容(5)、电压检测模块(3)、控制模块(4)、时钟发生器(1)，其特征在于还包括：镜像恒流源充放电模块(2)；

所述的镜像恒流源充放电模块(2)，连接到被测电容(5)的一端A，用以给被测电容(5)充电、放电；

所述的电压检测模块(3)，其输入端连接到上述被测电容(5)的A端，其输出端连接到控制模块(4)，用于检测被测电容(5)上的电压信号；

所述的控制模块(4)，与镜像恒流源充放电模块(2)的控制端连接，控制充电回路的通断以及放电回路的通断；

所述的时钟发生器(1)，输出与控制模块(4)连接，为控制模块(4)提供计时时钟。

2.根据权利要求1所述具有镜像恒流源充放电模块的万用表，其特征在于镜像恒流源充放电模块(2)包括：恒流源(11)、镜像电路(13)、充放电电路(12)、充放电开关控制电路(14)；

所述的恒流源(11)与充放电电路(12)相连，用以提供给电容充电的电流；

所述的充放电电路(12)与被测电容(5)的一端A相连，用以给被测电容(5)充电、放电；

所述的镜像电路(13)与充放电电路(12)相连，用以控制充电电流与放电电流成比例关系，即I1＝K×I2，其中K为一常数；

所述的充放电开关控制电路(14)的控制端与所述的控制模块(4)相连，用以控制被测电容(5)的充电回路的通断以及放电回路的通断。

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