脉冲宽度法测量电容

脉冲宽度 测电容

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用脉冲宽度法测量电容器容量江河

T 1 3牛[ 6],

n( i/ 3 ) v时，运赦 A1翻转，使 F F] i要实觋高精度、大范围删量电升高 1容器容量，并非易事，其中，比较简复位， Q端输出的脉冲即终止。该脉 (如本刊 1 g 9 5年第 i 0期《大李量电率计准确列出，根据[ 1]式.此持续容测试仪》一文开绍的电路，然而其时间的增蟹是 t ms/ n F 测量精度要受基准电容器本身误差由于这种方法的测量精度取决2,因此单有效的方法是基准电容器比较法冲的持续时间 (即脉冲宽度 )可用额 t

3 5 5输出的脉冲宽度 t—t l—

t, RCx- -1 n( 2/ 3 )一i n( 1/ 3 )=

I n 2 于是， R-t/ ( c x I n 2 )

[ 7 3 [ 8]

的限制。本文介绍两种用脉冲宽度于电流、电压和时间测量的精度，而

由此可见， R与电源电压 UB

法测量电容的电路，它们用频率计现代化仪器对这三种物理量的测量无关，对于时间增量] ms/ n F的脉泓量被测电容器充电时产生的脉冲精度都很高因而用这种方法可以冲宽度来说， 宽度来测量其容量而无需使用基准选到很高的测量精度：电容器 .其测量精度高于基准电容熟悉电路的读者会发现，图 1 器比较法。本文最后一节从理论和的电路与大家熟知的 5 5 5定时器原了定量分析。一

R l, 4 4 2 7 M 0

二、使用 5 5 5的简单测试电路图 3的电路采用了上述原理，n 0

实践上对这种测量的方法误差进行理电路很相似，可以用现成的 5 5 5 它提供周期性输出脉冲，其脉冲宽代替它 .从而使测试电路进一步简度的毫秒 ( ms )欺对应于 C x容量的测量原理

、

J _^ 化此时 C x的两端电压遵循图 2所纳法 ( n F)数。电阻 R由 R1、 R2、 R3组成， R3决定 C x的放电时 l珂，从而

当一个数值已鲁口的电容器被恒示的指数曲线，即定电流 1 0充电时，其两端电压随着

Ux( t )一 U

B[ i— e x p(一t/ 决定脉冲宽度该电路适合测量 4 . Re x)] [ 2] 7 n F~I I * F的电容器，能测量的最低其中， R是接在 c x与+ UB之值视所用频率计可测量的最小脉冲

时闸 t呈线性变化，即 Ux=I o/ C x t [ 1]

为了达到某一电压值，时间必间的充电电阻 5 5 5的典型翻转电宽度而定，测量的最大值剐可视需

须与容量成正比如果已知电压和乎是 UB/ 3和 2 UB/ 3,它们分别对要而定，但在读出结果之前需要花电流，则测出时阿即可算出电容量。 应于图 2中的 t 1和 t 2,即图 1是用脉冲宽度法测量电容 Ux ( c 1 )一uB, 3 [ 3一

段时间

在 CX接劭测试端之后，需要

的原理电路恒流源为被测电容器C x提供 l a t A的充电电流。当 ux升

Ux( t 2 )一2 UB/ 3

[ 4 3 经过 2△t时间才能充电到 2 UB/ a。 开始而是从 t—O开始，故第一个指

/ 3 将它们代凡[ 2]式井整理后得由于输出脉冲不是从 U= UBe x p(一

高到超过运放 A2的翻转阈值电压到： 时，双稳触发器 F FI被置位，其 Qg t]/ 3 RCx—L0 J

示值应予怨略，第二个△t (其数值为 I s/# F)的测量值才是第一个有用的}嘿 4量结果

端开始输出一个脉冲。当 ux继续

l n( 2/ 3 )

“/ 3 RCx一一

▲

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商, UB

4

反k

D国 1脉冲宽度法洲量电客的原理田 2 电容器控电阻充放电时的电压曲线

《实再电子文摘》 P E D 9 6 . 1 l

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A1输出低电{ P,使双稳电路 N2 诙电路的缺点是测量大容l量电测量精度至少可耻达到 0 2 7黼t洋时，解电容器时会因被测电容器漏电电见后述 ) .当然，制作成本也比困 3 流较大而使测量精度降低克服此电路高得多。一

N3翻转，即 Q点变成高电平、 P

点变成低电平，从而使 N4再次输

缺点的方法是将充电电流增大

如图4所示，被测电容 c

接在出高电平。同时， N3输出的高电平

1 0 0 0倍，使猾电电流相比之定显得输入插座 Kl两端，导通， C x即通过 R7开用开关 s l选择经 R8使 T1较小因此，三只电阻的阻值也要相两路充电电阻即可选择 l当 C x放电到 Ux低于 U一/ ms/ n F或始放电应地减小 1 O o o倍，即 R1一l m、 R2 i电路又重复上述过程。 ms/ F F量程。舟压器 Rg -P 3、 R1 0 3时，一

R3—2 2 0 n,以保持 At/ C x一1 s,F不变

-

P4 R1 l将电源电压 uB分成三

综上所述，在 cx充电到 ux大

, 3但小于 2 Ue/ 3期间，本电等分，即它们的两端压降都是 ua/ 于 un

为了避免 5 5 5的输入电流影响 3而在 C x放电期间。因此，运放 A1同相输入端的电路输出低电平，测量 . I C1应使用 5 5 5的 C MOS型压是 2因此，本电路是以输 UB/ 3 A2同相输入端则是则输出高电平。 (即 TL C 5 5 5 ) 在使用标准 5 5 5的 un x的容/ 3;它们的反相输入端 ( e p c点 ) 出脉冲的间隔时间来代表 C

情况下，能够达到的最高精度为接到 c使用时应用频率计测量此间隔 x。接通电源时， c x开始充量， 2 这是因为 RI￣ R3和 5 5 5内部电，在其两端电压 ux低于 ua/ 3期时间而不是测量脉冲宽度。如果要分压器存在误差，精度不能再提高间， x的密量，只 A1、 A2均粤每出高电平，与非门以脉冲宽度来代表 C了。通常由于各种元件的温度系数 N1输出低电平，双稳电路 N2一N3 需在 N4输出端串联一级反相器即起作用，其实际精度还要低一些。 的 Q点输出低电平、 P点输出高电可；

三精度更高的测试电路

平， N4输出高电平。同时， N3输出

R1 2一C7的作用是使双稳电路 N2 -N3在其时间常数结束之前能够被 A2再次触发，接囤 4中标

图 3电路在测量小密量电容器的低电平使晶体管 T1截止， cx得时的脉冲宽度 At和脉冲周期 T都以继续充电鞍短，会使频率计出现闪烁而很难

当 c x充电到 ux大于 uB/ 3 读取显示的数值+某些频率计还会时， A2输出低电平，经 N1反相后

注的数值，即使是测量小容量电容器也能以较长的脉冲间膈时间来表

因脉冲间隔很窄而使内部定时变得使 N2一N3的 P Q点输出电平仍不可靠。这就限制了它的稠量范围保持不变，但 N4输出端变成低电和测量精度。囤 4的测试电路在经平=同时， T1继续截止， C x继续充 4}皇位数字式万用表校碓之后，可使电。 上述情况得到一定程度的改善，其当 c x充电到 Ux太于 2 Ue/ 3

示它的容量即输出脉冲的间隔时间的延长量是 C x再次充电到 u/ 3 所需的时间。这就使前述测量小容量时遇到的困难得以减轻。此外，与非门 N4的使用也有利于测量大容

￡图4 高精度的电容测试电路4 8

《实用电子文摘》 P ED ' 9 6 . 1 1

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它代表寄生电容 P F数。若量电容器，因为。 要 ux介于 A1、 插座以便连接频率计运放 TL 0 8 1 微秒，

l转换到 l ms/￣ F挡，则代表 cl A2的两个阈值之间， N4就输出低即使在低电源电压下也具有较高的 sF数电平，从而使频率计第一次指示的速度，其价格比低电压型的的 n最后，将 P 7置于中间位置，调 A3 1 4 0或 T LC 2 5 1便宜： 测量结果就是正确的，无需等待第 C

二个脉冲间隔到来时才读数：

在测试点 A~ F、 0 V和 5 V处

节 P 8直到频率计显示的读数为 0

再制作一根短电再选一其与上述 F数值最接近的由于输入端 K1即使是开路存各焊上一只焊钉+,并把它焊接到位。 其一端焊有接插焊钰的小插座， 电容器作为 c1在一定的寄生电容会增大测量误缆，差，固而利用 P7一P8一c6的时间

便在校准时将上述焊钉弓『出来接 cl的数值不必正好等于上述铡得 l o 的补偿量，但也不宜相差过

在校准之前，先暂的 n F数，因为 P7可以提供圭耳士常数将 A2输出脉冲的后沿延迟约到数字式万用表。 4 2 g s,这在

l ms/ n F挡相当于使输时不焊 C1

出脉冲的间隔时问减小 4 2 p F,从而

校准时先断开电源，将 P7、 P8 太使用本电路时，每次接通电源或

其它电位器置转换量程之后都必须将 P 7置于最补偿丁输入寄生电容带来的测量误置于电阻摄小位置 .再调节它使频率计读差。虽然 A2输出脉冲的前沿也要于中间位置。为了取得最高测量精小阻值位置，最好是使用 4 位的数字式万数为 O,再接上 C X进午亍测量如果被延迟+但对测量无影响。在 I es r/ 度.用表。将 s 1置于 l ms/ n F位置，调 P 7调得离中问位置过远 .则在两个 F挡，延迟补偿的寄生电容达到+R2+量程之内可能读不出小容量的数 4 2 u F,由于实际上寄生电容不会有节 Pl使万用表测得的 R1 R3￣ - P1总阻值为 1 . 4 4 2 7 MI 2。再将值这样太的数值，敌在该挡中接入 cl l置于] ms/￣位置，调节 P2使任何被测电容器在接到本电路来凑够延迟电路的补偿量，这不仅 s测得的 R4+ R5+R6+P 2总阻值输入端之前都必须事先使它放完提高丁掼f量精度，还使本电路使用. 4 4 2 7 k n电，这点对电解电容器尤为重妻，其更加方便。本电路由 9 V电池或市为 1然后接通电源+用数字式方用极性也不得接反虽然 3 . 3 V的测电适配器供电， D1是防止电源极性

. 0 V挡分别测量 B点对地、 A 试电压不会损坏极性接反的电解电接反的保护二极管+如果用电供电表的 1点对 B点、 u对 A点的三个电压容器，但测得的数值是错误的。 则可把 D l换成电源通断开关。 I C 4

再把它们加起来算出 un值，这 ( 7 8 L 0 5 )为电路提供稳定的 5 V电值，比直接测量 u更加准确。然后将源电压。 日、制怍殛较准大部分电阻应使用误差 1 (或更小)的金屑膜电阻，电位器应

五、测量误差分析本电路的测量误差可以飘决定

算出的 u 值除以 3,得到的电压值时问的电阻数值和所用数字式万用就是运放 A、 A2同相输入端之间需

表本身的误差计算得出。下面的分

要加上的电压。调节 P3使 u对 A析是假定两只遣放的输入电压值不

再调节 P 4 是正好等于理群的 UB/ 3和 2 UB/ 使用多圈式金屑陶瓷型，量程开关点的电压迭到此数值，使 A点对 B点的电压也选到此数 3,但校准后运放剩余的戋 l调电压可 sl、连接插座 K1和电位器 P7应装值。 以忽略。 ’ 在面板上。K1用 l 0线单列直插式接着，将 A点与 C点 (即 A1+设校准后测得的三个电压分别 I c插座，其 1~ 5和 6~l O脚分别接在一起以便于插入尺寸不同的被测电容器。输出端使用标准的 B NC 与 A1一)连接起来，用数字式万用为 U1、 U2、 U3,则 U1+u2+u3=uB 表 2 . 0 V挡测量 D点(即 A1输出端)对地电压+调节 P 5使它正好等

E 9 3

于 UB/ 2。再将 B点与 c点 (即 A2+与 A2一)连接起来，用同样方法测量 E点 (即 A2输出端 )对地电压，调节 P6使该电压也正好等于U B/ 2

根据式[ 3] [ 1] Ux( t 1 )=U1: E] o 3 Ux( t 2 )一ul+u2 . [ 1妇借助式[ 2],将以上两式代入式[ 5]和式[ 6],得珂e x p(一t l/ RC x )=]一 U 1/ UB=t 1 ./ RCx一

’

然后将一台置于时间测量模式的数字式频率计的输入端接到本电

I n( 1一ul/ uB )一i n[ UB/

u2+u3 )] l[ 1 2]e x p(一t 2/ RC x )=】一 C U1+

路的输出端，在本电路输入端开路 U 2 )/ U日=t 2/ R Cx 和 s1置于 l ms/ n F挡的情况下，频=一l n[ 1一( U1+乙2 )/ uB]=国 3用 5 5 5测量电容的简单电路

率计显示的脉冲间隔时间应为几十 l n( u自/ U4 ) E 1 3 3《买用电子文擒》- P E D -’ 9 6 . 1 14 9

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如果脉冲宽度 t—t 2一t 1,则式 C 7 3变成At/ R Cx— i n( UB/ U3 )一 I n=一

C uB/ ( U2+U3 )] ￣ ' R/ R= o .1 5

+ 3位 ( 2 Mf l 故 8△t/△t=诹一 B U( Ul n 2 ) I n[ ( U2+U3 )/ U3][ I C此结果与 U1无关，因此在校 1 9] 挡); 上式维出最坏情况，可能的误准时不必再次测量 U1 我们感兴趣 a u/ U一 0 .0 5 + 3位 ( 2 V即 的数值是 At/ C的变化量，即相对井几乎总羟较小 .挡)。 3△t/ A t一[ ( B R/ R)+ 1/ 2 于踟 2、 8 U3、 B R的 8 ( At/ C X)值。 如同前连，此时 ( u/ u)。 ) 1/ ( i n 2 ) ] i/ 2 C 2 o 3 At CX的完整微分方程是： S R/ I t=0 .0 0 1 5+ 3 0 0/ 1 .4 4 2 7 d (△t/ c x )=d R I n( U2/ U3+当使用 3 位数字式万用表进× l 0一 0 .01 7l 1 ) 4 - dU 2 R/ ( U2+ U3 ) 行校准时 .该万用表的规定误差是 t B U/ U一 0 . 0 0 0 5+ 3 0 0X 1 O , +d u 3 (一 R U2 )/[ ( U2+嚣 R/ R一 0 .5 + l位 ( 2 M0 1.6 7工 0 . 0 0 0 6 8。挡) f US ) U3][ I 5] 为了计算误差，应将式C 1 6 3的 a u/ U一 0 . 5 +1位 ( 2 V挡)。

或 B At/ At:0 . 8 1 。[可能误 U1=U2:u3一uB/ 3[ 1 7 3 由于它们是用同一万用表在同差] 著用 4 位数字式万用表进行量程测得的，即 8 u1=S U2=￣ U3 1 1 8] 控准则其性能是

从这些指标得到奉电路校准后的精度是B At/ At=0 . 0 o 1 7+0、 0 0 0￣ 8/

右边项看作是最坏情况，并改变最末项的符号 .于是 .将式[ 1 4 3考虑在内， At/ c X的相对变化量是：嚣 ( At/ C X)/ (△t/ C X)一8△t/=

将以上指标用于式【 1 9],得到8 R/ R一 0 .0 0 5+ 1 0 0/ 1 .4 4 3X1 0 #0 .0 0 5 7 i

也6 9工0、 2 7 .[最坏情况： 或B At/ Z M=O . 1 8。[可髂误

△t

差] 使用中要记住，本电路具有附 B R/ R+1/[ .[ ( U2+U3

) U3] 从这些指标得到奉电路校准后加误差，它通常是频率计最后显示{ ( 8 U2/ ( u2+ U3 )+￥ U3 U2 3/ 的精度是： 数字的 1位。 8△ t/ At一0 .0 0 5 7+ 0 .0 0 5 6/ [ US ( U2+US )] )[ 1 6] (参考文献： ( E E》 1 9 9 6年 2月 运放理想的输入电压是； O . 6 9—1 . 4,[最坏情况] 号)0. 0056。

B U/ U一0 . 0 0 5 - _ 1 0/ 1 . 6 7;

(上接第 3 5页 )

越厚。当充电电流减小到 0 . 1 C以下时，电池就会损

满时.充电电流自动减小到较低数值。这种充电方法前缺点是线路电阻产生的压降舍带来镬 I量误差；第 2种是脉动直流充电法。它是将市电电压经垒波整流得到的脉动直流电流不经糍压和平精滤波。只是通过限流电阻直接注入镶辐电池。用脉动电流充电有助于减小镰镛电池的记忆效应 .但充电电流仍然是连续的，因而效果不够理想 .这种方法的优点是充电器电路简单、造价低廉，适台用于要求不高的简易型充电器}第 3种是脉冲电流充电法。它用幅值恒定的脉冲电流对电池充电，充电器在两个脉冲之间的间敢期检测电池的充电

坏。困此，最好是用占空系数较小但幅度较大的脉冲电流对电池进行充电。.

三、前景

电池的演变和新型电池的问世是不可抗拒的。就

目前情况来看，在未来的 5~1 o年中，锌空气二次电池和锂聚合物二次电池两大体系可能将逐渐占据主导地位。

锌空气一次电池巳羟使用了一段时间，其主要形式是供助听器等使用的钮扣式电池。对锌空气二次电池初期样品的测试结果表明.它在 C6放电率下具有 1 7 0 Wh/ k g左右的能量密度，这个数值约为目前可充电电池的两倍。遗酵的是 .由于陌板材料和阳极镀铂还存在问题，这种电池的充、放电循环状数目前只限于5 O扶左右。但这些同题肯定会在最近的将来得到解。

状态.以减小测量误差 I弟 4种胆含有脉冲放电的充电珐。它是在脉 j申充电的间戢期使电池短暂地放电，其优点是可以减少电池充电过程中产

生的气体，并可以有效地减小镰辐电池的记忆效应 i最后一种是太电流脉冲充电法。它是用不同占空系数的大电流脉冲对电池充电，其平均充电电流取决于总的脉冲宽度与间隔时间之比。这种方法不仅可以有效地减小镍镉电池的记

锂聚合物电池也具有远大于镶氢电池的能量密

度，目前设计者面临的主要同题也是充、放电循次数太少。其原因可能是由于锂与电解液之间的电化学反应产生乙烯、丙烯和碳酸锂，使电池内部的括性成分退化所魏。由于这两种二次电池性能优越而且不污染环境，一

忆教应，还可减少电j电极板在充、放电过程中产生的结晶体，使电池容量在每次充、放电循环中不致因结晶层过厚而减小。图5是结晶层厚度与充电电流和充、放电循环次数之间的关系。从中可以看出 .在同一充、放电循环次数之下，若充电电流越小。则产生的结晶层就5 0

旦解决了上述同题，就会成为未来的主流电池。(誊考资料《 E E》 1 9 9 6年 9月号)

《实甩电子文摘》 P E D ’ 9 6 . 1 1