[word doc]强力的新型检修工具——电容ESR表的设计制作

[word doc]强力的新型检修工具——电容ESR表的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 制作 强力的新型检修工具——电容ESR表的设 计制作 ◎薛国雄 强力的新型检修工具 电容ESR表的 这个专 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 起源于笔者偶然得到的信息.在完成所译音频功率放大器设计手册一 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 的勘误工作后,笔者因需在网上查阅 美国Tektronix公司的示波器资料,看到外国论坛有位网友在介绍维修经验时,大力推荐电容ESR表.称其为电子爱好者的强力 工具.对检测电器帮助极大,故而引发了笔者的兴趣.经过一段时间的揣摩,研究,设计,制作及试用,结合本人以往的经 验,确认此君所言非虚.这种电容ESR表确实是检修电子设备排除电路故障的强力工具和十分有用的好帮手.独乐乐不如众 乐乐,根据本人掌握的知识和实际设计制作,在此对电容ESR表作全面介绍,以期能给广大电子爱好者提供有益的帮助,推动 这一新型工具的普及应用. —=_r一能不少人都没听说过这种表.笔者以前也仅知道,专 业仪器的LCR电桥可以测量电容的ESR.何为ESR? 测量电容的ESR有什么用?相信很多读者心中会有这样的疑 问.为此,先进行简单的背景知识介绍. …………………… 一 背景知识介绍 1.电容的ESR ESR是英语EquivalentSeriesResistance的缩写,意为等 效串联电阻.自身不会产生任何能量损耗的完美电容只存在 图1实际 电容的等 效模型 于理论,实际的电容总是存在着一些缺陷.这个损耗,在外 部的表现就像一个电阻跟电容串联在一起.另一方面,由于 引线,卷绕等物理结构因素,电容内部还存在着电感成分. 因此,实际电容的等效模型可以表示为图1所示的模式.其 中电容C为理想电容,R为等效串联电阻,P-,PESR,L为等效 串联电感,P.I]ESL.引入ESR~IIESL,使得模型更接近于电容 在电路中的实际表现. ESR的存在,令电容的行为表现背离其原来的定义.比 如说,理论上”电容两端的电压不能突变”,但实际上, ESR上会产生一定的压降.与突然施加的电流大小有关,令 霹100 E 题 馨 蝠 鲤10 1 :Il一{{磊:j:?彬 \--=_=』/『一, . i;,. ,魏:叶茹墨:: 一 簿薛l-_i: 0O00O1O101O0 :f(Hz); : .....,,,....,,. - 图2实际电容与理想电容的差别.斜直线为理想电容的阻抗曲线, 呈V字形的是实际电容的阻抗曲线. 2010.11无线电049 电容不再遵循理论规律.又如,电容会因ESR上的功耗而产 生内部发热.笔者曾将两只早期生产的1014F/16V高ESR电 解电容,正常地接到微型计算机开关电源的5V输出两端.由 于此处高频脉动电压较大,电容内部损耗产生的热量加热内 部气体,发出”吱吱”之声,竟在几秒内导致电容炸开,前 后两次均是如此. 图2,图3显示了电容的实际阻抗特性.由于ESR以及 ESL带来的影响,当频率上升到一定程度,即到了高频区, 电容的阻抗不再遵从理论上的规律随频率的升高而降低.在 图2中的低频段,电容的容抗在起主要作用,基本上还遵从 理想电容的规律.在中间频率段,本应是ESL与C共同谐振而 呈现阻抗深谷,但有ESR的存在,改变了曲线的走向,换言 之,ESR在这里起主要作用.在高频区,则是ESL在起主要 作用. 电容ESR的大小跟电容的制造有关.材质不同,ESR有 区别.材质相同,则容量越大,ESR越小,约跟容量的开方 成反比.同一品种的电容,耐压越高,ESR往往更低.就 ESR 1000 {;, 01O0 . :=,.? 一 c=一… 《王誊乏皇蔓匕彗冤} 一一……, ——事}山O010 „ , - ;,? nnn1 …………,,??一::…,-l_,…一 oo1O0010000100000100000010000000 ,(Hz) +Ta—Polymer(Y2206)Ta—Mn02(Y220/6) — 一NbO—Mn02(D220/6)—Ta-Mn02fD220/10,multi) — 目一MLCCXSR(2xl00/4)一AIEI《220/16) 图4不同材质电容随频率变化的ESR曲线.图中方框(顺序为光左右,后上 下)列出了所测电容的品种和规格,200/6表示200F/6V,以此类推.第 1,2,4种为不同的钽电解电容,其中第1种为聚合物固态钽电解电容.第2 种为较常见的二氧化锰固态钽电解电容,第4种为多层结构的二氧 化锰固态 钽电解电容.第3种为二氧化锰固态铌电解电容.第5种为MLCC~FJ 多层陶瓷 电容,两只1OO”F/4v并联.第6种为低EsR铝电解电容. 图5普通电解电容与低ESR电解电容的EsR曲线.上方曲线显示,普通电解 电容在较大的频率范围内,其ESR值变化并不大. 材质而言,电解电容的ESR明显高于薄膜电容.在电解电容 中,铝电解电容的ESR又高于钽电解电容.在薄膜电容中, 聚丙烯,聚苯乙烯等材料的电容ESR较小.一个对比例子 是,1F聚丙烯电容的ESR为10mQ,而容量达1000F的铝 电解电容,其ESR为0.1Q. 2.电容ESR表 电容ESR表是专用于检测电容ESR值的仪表.这种仪表 向被测电容注入测试信号,通过检测电路中的电量变化,作 出相应的变换后,以数字显示屏或指针表头作为终端,将被 测电容的ESR值显示出来. 因电容本身有隔直作用,所以在测量时,电容ESR表必 须要使用交流形式的测试信号.这一点与常见万用表测量 电阻有显着的区别.从另个角度看,电容ESR表测量的是 “交流”电阻,万用表测量的是直流电阻. 与万用表一样,电容ESR表可以做成数字式,也可以做 成模拟式.对于模拟式电容ESR表来说,使用指针表头作指 示,因此,其电路最终需以直流电流形式来进行驱动.对于 数字式电容ESR表来说,由于现在市场上有大量廉价的数字 万用表专用A/D芯片(~nICL7106)供应,利用这些专用芯 片来进行设计制作是较为直观可行的方法.A/D芯片输入的 是直流电压,所以,数字式ESR表测量部分的电路有别于 模拟式ESR表.此外,数字式电容ESR表还可以用微处理器 (MCU)作为核心来实现,凭借其强大功能取代数字万用 表专用ND芯片,设计上更加灵活,电路形式上也迥异于前 图6国外以套件或成品推出的电容ESR表.仪表面板所印的表格是用于帮助 判断电解电容的好坏.最后一种(图中该表斜放置)有别于一般的指针表和 数字表形式,是利用LED来指,-7-ESR值所在区间,电路则使用MCU,可谓是 数字式与模拟式的混合体. 050无线电2010.11 解电容.他没说100%,背后一个重要原因是,电容ESR表 (非特殊设计的)不能检出电容两接点之间存在的短路性故 障.幸好,电容出现这种短路性故障的概率,远低于电容自 身失效的概率.纵使电容出现短路性故障,又或者与其并联 的器件出现短路性故障,电路的外在表现将十分明显,容易 被普通万用表检查出来.比如,电容两端的电压,直流电阻 远低于正常值. 2.可在路测量,无需将元件拆下,大幅提升检测效率 图7国外网友自制的指针式电容EsR表.其中,右边的表以EsR值标示刻笔者所称的”在路测量”,是指不将元件从电路板上拆 度,左边的表以电容好坏(good-~bad)来标示刻度.下,又不通电时对元件进行的检测.不少人都知道,常见的 二极管,三极管,电阻等分立元件可以用万用表进行在路 述两种.本文中笔者设计制作的电容ESR表属于模拟式(指 针式). 3.国外自制情况 通过网上信息了解到,电容ESR表明显并不是仪器仪 表大厂的正式产品——估计与LCR电桥已集成了它的功能 有密切关系.目前,国内还没有电容ESR表的生产销售.在 国外,电容ESR表主要流行于业余电子爱好者中,虽然已有 微型公司或个人提供一些套件和成品的销售,但未成大气 候,仍是以爱好者自制为主要形式.笔者曾用”ESRMeter Schematic”(即”ESR表电路图”)作为关键词在网上搜 索,可以找到很多介绍个人自制电容ESR表的网页,有美 国,德国,意大利,俄罗斯等国家网友的作品或资料,看都 看不过来. …………………… 二,电容ESR表的独到之处 电容ESR表的作用,用一句话概括,就是用于测量电容 ESR值,凭此判断电容(主要是电解电容)的好与坏,正常 与否.其功能虽然单一,但实用性很强,对检修电子设备带 来莫大的帮助.众所周知,电解电容是电子设备中故障率最 高,寿命和可靠性最差的元件之一,而电解电容的寿命在很 多时候决定了设备的使用寿命.长久以来,广大电子爱好者 普遍缺乏一种有效判别电解电容好坏的检测工具.电容ESR 表的出现,正好可以填补这一空白. 由于设计上的特殊性,电容ESR表具备了如下独到之处: 1.鉴别电解电容好坏,判断准确率高 从前面的介绍可以知道,ESR是直指电容性能缺陷的参 数.无论是电解电容漏液,干涸这类常见问题,还是电解液 失去活性这种隐蔽问题,都可以通过电容ESR表检测出来. 套用外国一位制作者的话说:可以找出95%以上有问题的电图8LCR电桥照片(非按同--Br.例拍摄).后两种为台式,实物比前两种的 手持式大得多. 2010.11无线电051 检测,找出故障元件的成功率还颇高.而电容却不行,因为 需要交流信号驱动,万用表对此无能为力.由于电子设备普 遍都要使用电解电容,有些设备的使用量甚至超过一百只. 在路测量所带来的方便性,使得检修者能够从容应对,大大 减轻77作量,个中意义殊为重要. 3.体积小.重量轻,耗电省,携带方便,使用简单灵活 电容ESR表用电池供电,可做成便携式,打开电源开关 即可使用,无需繁琐的设置.LCR电桥虽已具备了电容ESR 表的功能,但是售价高,测试频率最高仅1kHz的低档国产 LCR电桥售价也要超过千元,让囊中羞涩的爱好者望而却步. LCR电桥大多属于台式仪器,体积大,重量重,而且需外接 市电才能工作,使用时拖着一条尾巴,让人觉得处处不便. 而手持式R电桥的测试电平一般是固定的,典型值为0.3Vm (即848mVo.).这样的电平,已达到很多半导体器件的导通 阀值,导致在路测量的部分结果变得不可靠. 4.电路和构造比较简单,成本低,容易普及,便于爱好者 自制 这种表制作难度不高,有动手能力的爱好者,都可以独 自完成.笔者的电容ESR表,是利用原来闲置的MF500}~针 万用表进行制作,扣除设计修改和调试时间后,实际制作时 间不足一天.材料方面,除原有的MF5o0表外,都是利用手 头常备的元器件,最值钱的是一只1F/4OOVMKP电容,其 余的不值一提.装在电路板上的新购元件,仅运放IC两块, 花费共人民币5元. …………………… 三电容ESR表的威力 过去我们检修电器检查电解电容多依靠简陋而带有严 重缺陷的方法. 一 是进行外观检查,看看电容周围有没有漏液或外壳 鼓包开裂.但是,除电解液干涸的电容外,有些漏液的电容 还由于被本身及周围元件所遮挡,不拆下来作检查,往往成 为漏网之鱼.在笔者制作电容ESR表之前,曾检修一台不能 正常工作的美国Metcal公司早期生产的PS2V焊台,通过外观 检查没有发现任何电解电容有异常,,时之间也找不出故障 点.因缺少图纸,后费了很大精力跟踪电路故障,最后追踪 到焊咀检测电路,怀疑为其供电的辅助电源出问题.最后才 下决心拆下这组电源中外观完好的1000F/50V电解电容来 检查,发现其底部已有漏液痕迹,测量确认已失去大部分容 量,更换后即恢复正常. 二是将电容拆下来,用指针表或电容表检测其容量.但 是,”拆时容易装回难”,装回去还需预先清理焊盘过孔, 这种方法甚费功夫.因此,检修者多是在有理由怀疑的情况 下才选择采用这种方法.纵然如此.仍是有可能漏掉出问题 的电容,因为某些电路位置对电容的品质要求甚高,电容没 有失容,不等于没有问题.经常维修的笔者好友就曾多次遇 到这样的事情,富有经验的维修者会根据电路情况采用代换 法. 三是代换法,用好的电容换掉有疑问的电容.这种方法 基本可解决前一种的遗漏问题,但这也是无可奈何的做法. 不仅拆装麻烦.而且需要提前备有同样规格的电容,很多时 候检修者并无这样的准备.万一预判有误,同样像前一种方 法那样白花了时间和精力. 有了电容ESR表,不用拆下电容,只要断开电器的供 电,就可以直接用它进行测量.检测电解电容,变成了一件 轻松的事情.笔者自从制作成功后,因为没有了拆装电解电 容这一麻烦事的困扰,凡是稍有怀疑的,就立即将电路板 上的所有电解电容(还包括部分非电解电容)检测一遍.虽 然命中率很低,但所费时间也很少,不会构成负担,能给检 修成功提供保障.就上面所述Metcal的PS2V?Jr~-台维修一事来 说,若有电容ESR表相助,完全可以在前期的检查中找到故 障元件,不用再花大半天时间才解决问题. 作为电容ESR表的主要检测对象,电解电容出现在几 乎所有电子设备中.尤其是电解电容在电源电路中扮演着重 要的角色,电源一旦出现问题,将给整个电路带来全局性的 影响,有时还会引发各种各样的奇怪症状,让人难以捉摸. 为此,熟悉维修的人员都会慢慢养成先从电源开始追踪检查 电路故障的习惯.换一个角度看,这样的检修顺序确实符合 电路运作的规律.如果使用电容ESR表,那么,在动用万用 表之前,它就可以发挥前锋的作用. 随着时代的发展,采用开关电源供电的电子设备越来越 多.与传统的工频电源相比.开关电源对电容的ESR特性要 求也更高.因此可以推断,电容ESR表的用武之地将越来越 广阔. 目前,二手电器市场交易日趋活跃.很多家庭.也包 括电子爱好者,都已经拥有一些较旧的电器.部分人出于省 钱,爱好,收藏或其他原因,还特意选购二手电器.这些电 器已使用多年,故障发生率高,有时修好了旧故障,不久又 出现新故障,需重新维修.主要原因是电器内部的元器件老 化,电子设备中又以电解电容为甚.为恢复生机,个别爱好 者”宁可错杀三千,不可放过一个”,干脆将所有电解电容 更换.这不失为一种比较稳妥的办法,但对于内部电路复杂 的设备来说,从元件准备到拆焊,都十分消耗精力,论效益 并不是很合算.如果有电容ESR表帮助检测,就可以有的放 矢地进行电解电容的更换了. 052无线电2010.11 17格地说,电容ESR表应测量真正的ESR.由于这种测量 /需要避开电容容抗,内部的ESL等因素影响,难度比较 高,电路将变得十分复杂.所以,电容ESR表一般都是测量 电容的交流阻抗,以此作为电容的ESR值来读取. ………………一_…I 一 指针式万用表测量直流电阻的原理 在了解电容ESR表工作原理之前,先看看我们平时经常 接触到的指针万用表是如何测量直流电阻的. 普通万用表的欧姆挡基本原理如图9所示.图中,Rs为 整个表的内阻,R×为被测电阻.M为表头,但这个表头不是 实物上的表头,而是实物表头经过电流量程的扩展而得到 的.V为直流电压源,实际为内部的电池. V,Rs,Rx构成一个回路.根据欧姆定律得到公式: /=V/(Rs+Rx).j为测量回路中流过的电流,也流过表头.显 然,通过这个公式,/_与Rx构成了一一对应的关系.指针表的 表头实际为电流表,表针直接指示的是电流/,所以,所有指 针式万用表都是遵从这一公式的规律绘制欧姆刻度的. 从公式推导得到:当Rx=一时,/=0;当Rx--O时,/为最大 值,/m=V/Rs.这与我们所知道的欧姆刻度是一致的:表针 满幅的位置(即满幅电流/m.位置)标为OE2,表针起始的位 置(即电流为0位置)标为无穷大欧姆刻度的大小方向与 电流挡(以及电压挡)刻度刚好相反.当Rx--Rs时,/为/m的 一 半,因指针是指示电流,故指针指向刻度中央.所以,指 针万用表的欧姆刻度中心值就是整个表(即测量电路)的内 阻值J这对于所有欧姆挡位都成立. 欧姆挡位不同时,表头M有不同的电流量程.这是利 用高灵敏度的实物表头,通过串,并电阻而扩展得到的.这 一 个电流量程的扩展是线性的,因此,可视为一项线性的传 递.也因为扩展是线性的,所以能保证在不同欧姆挡位下, 使用同一张刻度纸仍有十分接近的测量精度.实际的万用表 中,为迁就电池电压变化,各个欧姆挡位表头M的满幅电 流值/m是可以微调的,这由欧姆调零电位器来实现.但欧姆 调零电位器的改变,设计时已注意不能令整个表的内阻产生 变化,否则,读数就不准.这是因为,欧姆刻度是按固定的 内阻来绘制的. …………………… 二,电容ESR表的测量原理 根据指针万用表测量直流电阻的方法,容易得到如图10 所示的指针表头用于测量电容ESR的概念电路.由于被测对 象R>(是交流阻抗,因此,V为交流电压源,表头M为交流电流 表,Rs为测量电路的交流内阻.测量回路中流过的电流随着 RX的变化而变化,由这,电流驱动交流表头,以此指示被测 交流阻抗值. 但是,常见的表头都是直流表头,即使能找到交流表头, 也因灵敏度过低而不能使用.因此,图10所示的测量电路需 改为图11的形式.在测量电路中,通过电阻R来检测测量回 路中的电流,以电压形式输出——止LD,I由电阻R完成了变换. 经过AC/DC变换为直流电压,加到直流表头M一同时由表 头M的内阻完成变换.这样,测量回路中流过的电流,被 传递到了直流表头M,因此,直流表头M可指示出瞅的测量值. 图11中的AC/DC变换要靠二极管整流来实现.而我们设 计的ESR表,因为要具备在路测量功能,不允许将测量电平 设得过高而令二极管等半导体器件能够导通.这样.AC/DC 变换与在路测量这两者之间,就存在着矛盾.为解决这一矛 盾,实际的电容ESR表需加入电压放大电路,如图12所示. 在测量回路中,流过的电流/仍遵从公式/_/ (Rs+Rx),其中Rs为测量电路的内阻.对于这,概念电 路,Rs等于检测电阻R.实际电路中,Rs等于检测电阻R)311 上测量信号源V的内阻.若电流f被传递到表头M的整个过程 是线性的,那么就可以按/-V/(Rs+Rx)的规律来绘制表头 刻度.反过来,假如表头有现成的欧姆刻度,只要让Rs与刻 度中心值相等,并且在测量回路出现最大电流/m(=V/Rs) 时,让表头M达到满幅电流,那么这现成的欧姆刻度就可以 利用起来. M 图9指针式万用表图1o指针式电容图11指针式电容ES只表的测量原理2图12指针式电容EsR表的测量原理3 测量电阻的原理ESR表的测量原理1 2010.11无线电053 这说明,我们可以直接使用指针万用表来改装电容ESR 表,不需重新绘制欧姆刻度,但须注意满足两个条件: 一 是要让测量电路的内阻与欧姆刻度的中心阻值一致. 比如,MF5.0万用表的刻度中心值为1OQ,测量信号源的内 阻加上检测电阻R的总和也须为10Q. 二是要将测得的电量(电流)线性地传递给表头,并且 还要使得测量回路有最大电流时,表头指针刚好指向满幅位 置——也就是线性传递的增益要合适.否则,就不能建立刻 度指示值与所测值的一一对应关系. 更进一步,如果要变通使用原欧姆挡刻度,那么只要 符合上述两个条件,就可以像指针式万用表那样,进行倍率 的变换.换言之,可以按自己的设计意愿来利用原欧姆挡刻 度.比如,TR一360}~针万用表的刻度中心值为20Q,出于提 高低阻显示分辨率的要求,想将此中心值改为5Q.那么, 就要将测量信号源的内阻设为5Q,读取数据时乘以1/4(即 倍率乘以0.25)即可. 有些指针式电容ESR表电路的电流传递过程并不是线性 的.比如,没有利用运放加入反馈来改善线性,而是直接使 用二极管作非线性整流,如图13和图14所示的电路.由于二 极管的电流与压降的关系呈指数特性,因此,即使测量回路 一 样,其刻度也不同于指针式万用表,其低阻值区的分辨率 会更高.这是一个优点.但对于DlY者来说,没有现成的刻度 可利用,需专门绘制,这又是一个缺点. 绘制刻度,实际上是建立被测阻值与显示值的一一对应 关系.对于功能强大的MCU来说,十分擅长于此项工作.因 此,可以降低对电路线性的要求,测量回路也可以有更灵活 的实现方式,使用MCU的数字式ESR表也就具备了简化电路 的先天条件.如果不使用MCU,而是使用ICL7106这类D芯 片来制作数字式ESR表,则由于对输入有线性要求,表头显 示的又是电压.因此,测量信号源需做成具有固定输出的交 流恒流源I,以便建立V=IRx的线性关系;后面的电压放大和 AC/DC变换电路,也要求有良好的线性. …………… 三,电容ESR表的测量误差 电容ESR表本来要测的是ESR,但实际测量的是电容的 交流阻抗.这样的设计,测量结果必然存在误差. 对于实际的电容,主要有电容容抗和ESL这两项因素影 响ESR表的测量结果.对于电解电容来说,容抗带来的影响 占主导地位.如果测量频率足够高,电容的容量又不过小, 那么,容抗给测量结果带来的不良影响就小.电容的ESL本 身较小,为nH级别,只要测量频率不是太高,ESR本身不 是太小,其影响通常可以忽略.下面的简单分析,证明了这 一 点. 从图1所示的电容等效模型可得到,电容的交流阻抗幅 值为Rx+(Xo—) 式中,R为电容的ESR,xo为电容的理想容抗,:1/ (2),为ESL的感抗,=2不. 以22F普通铝电解电容为例,一个典型的ESR值 为20Q,ESL值为20nil.当测量频率沩100kHz时,则有 = 0.072Q,=0.014Q.代入上面公式有 = ?0+(0.072—0.014) 计得20.00008.这说明,这只22F电容在1O0kHz 时的交流阻抗与ESR相差极其微小,这样误差完全可以忽略 不计. 如果电容容量降为1F,其余不变,类似地可计得 R)(=1994.测量误差已较为可观,为03%.如果测量频率降 低,这个误差就增大,比如,50kHz时误差为1l2%,20kHz 时为7.5%.因此,一般的电容ESR表都标示适用范围为大于 1F,测量频率都设定得较高. 由上述分析可见,电容ESR表虽是通过测量交流阻抗来 给出ESR值,精度受到一定的限制,但就要求不高的检测电 容好坏这一主要用途而言,这种做法无可非议. ………………-ii 四.指针式电容ESR表的国外典型电路分析 下面三款指针式电容ESR表电路,是笔者从互联网挑选 出来,原先已经过实际制作的国外电路.它们各有特色.具 备一定的代表性,其中第3款曾刊登在某外国电子制作杂志上. 1.简洁明快的电容ESR表 如图13所示,核心元件为TL062~功耗双运放IC1和变 压器T1,以高灵敏度的5OA指针表头作指示.稳压集成块 IO2为电路提供稳定的5V电压.运放IC1A构成单电源方式的 50kHz方波振荡器,经过20:1的变压器耦合,作为测量信号 源,输出电平约200mV.由于引入变压器,减轻了振荡器 IC1A的负载效应,避免造成测量信号幅值和频率的变动.测 量信号由R6检出,经过03隔直电容后,送往反相放大器IC1B 作99倍放大.放大后的电压由二极管VD1,VD2整流,经过 微调电阻R11驱动表头M1.R11用作欧姆调零. 图13国外网友自制的指针式ESR表电路一 054无线电2010.11 2.使用一块通用逻辑IC的电容ESR表 如图14所示.电路使用内含6个史密特非门的CMOS逻 辑集成块74HC14,其中一个非门(IC1D)构成100kHz方波 振荡器.为提高驱动能力,将其余5个非门并联使用,每个 非门输出端都接有RC低通滤波器,以滤除测量信号的高次 谐波成分.测量接口设有DC电压保护,避免因被测电容带 电而造成ESR表意外损坏.其中C5起隔断直流的作用,二极 管VD5,VD6起双向的电压箝位作用,防止过大的DC电压进 入表内.测量信号由R8检出,三极管vT1作10.5倍放大.二 极管VD1至VD4接成桥式整流,将交流信号变换为直流,即 AC/DC变换,以便驱动指针表头.此电路的供电电压为5V. 74HC14这类CM0S通用逻辑IC的静态电流都很小,为A 级.但此表工作时,R7作为前端电路的负载,有持续的交流 电流流过,再加上三极管部分的耗电,估算整机的静态电流 为12,15mA 3.带短路检测功能的电容ESR表 如图15所示,由TL084四运放IC构成了ESR表电路的主 体.IC1A用于驱动虚地,将单电源9V转换为双电源?4.5V, 这样,可令其余电路得以简化.IC1B构成100kHz方波振荡 器,三极管VT1将测量信号以电流的形式送往电阻R8至R11 组成的电桥.此处使用电阻式电桥作为测量电路,可以检测 出被测电容两端是否存在短路现象.如果有此现象,~tJR10 被短路,电桥失去平衡.由于电桥有直流电流流过,运放 IC1C的正输入端直流电位将高于负输入端,因此输出端的直 流电位大幅升高,经电阻R16驱动三极管VT2导通,短路指示 灯LED1因此被点亮.R16与C4构成RC滤波电路,用于滤除 正常测量时的交流信号,避免出现错误的短路指示. 电桥中,R8=R9,R10=R11,RS~>R10,测量回路检出 的交流电压信号V与被测阻抗瞅有如下关系: .L/ R—10—+R ~ 图14国外网友自制的指针式ESR表电路二 其中l为信号源输出的交流信号电流,且 R8?10?月10 仅用+0 ,近似有仅=R8?R10. 由关系式可见,电路检出信号的规律等同于万用表欧姆 挡. IC1C构成理论增益为27倍(47倍)的差动式比较/放大 器,其输出信号送至IC1D与VD3构成的理想二极管电路,以 获得较佳的AC/DC变换效果.输出的DC电压送到表头,用 作欧姆调零的微调电阻R19与表头构成电压表.此处加入硅 二极管VD4,利用其压降与电流的非线性关系,展宽了表头 刻度的低阻区,测量低阻的分辨率从而得以提高.也因此, 其表头刻度不同于普通指针万用表.IC1D的输入经05隔直, 去除了直流成分,防止被测电容残存的直流电压干扰测量结 果,并起到保护表头的作用. 图15国外网友自制的指针式ESR表电路三 2010.11无线电055 一 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 选择 在设计制作之前,最重要的决定是动手的方向.几经考 虑和权衡,笔者决定采用指针式ESR表的方案.原因有三: 一 是指针式ESR表的测量更便捷.指针表长于定性测 量,数字表长于定量测量,这已是很多电子爱好者的共识. 如果不需要确切的测量数值,使用指针表更为方便.当我 们使用ESR表测量一只电容时,这只电容”正确”的ESR值 往往是未知的,需要做的工作是,判断此值是否落在一个合 理的区间内.因为有刻度的辅助,指针表的指示更直观.根 据笔者多年既使用指针式万用表,又使用数字式万用表的经 验,对于这样的模糊判断,指针表明显更快,更省事(前提 是你需习惯指针表的使用).只要看眼指针摆动的大致情 况,即可作出判别,不用像使用数字表那样,需在脑海中进 行数字的读入与比较. 二是指针式ESR表的量程更宽.一个挡位就可以覆盖从 0,oo的范围.只要适当安排好高分辨率指示区域,就可以满 足我们检测电解电容(以及部分非电解电容)的需要.若做 成数字表形式,一个挡位就只能覆盖某一个范围.bL2n,采 用万用表专用A/D芯片IOL7106.因其显示数值最大为]999, 若安排最小显示0.01Q,其最大显示将变为19.99Q,在某些 场合下使用会受到限制,这样就不能用于辅助检测那些容量 不大的非电解电容. 三是指针式ESR表的制作难度更低.对于数字式ESR表 来说,适用的显示屏难以购买得到,可行的方法是利用现成 的数字万用表来改制.但数字万用表体积小,内部空间狭 窄,元件不易安排,还需对准显示屏原来安装的位置,给 PCB的制作带来较大的困难.对于指针式ESR表来说,则没 有这样的限制.因此,在国外电子爱好者的DIY中,数字式 ESR表多是以套件形式供应的个人独立制作大部分采用指 针式方案. 此外,另个促使笔者下决心选定指针表制作方案的 重要因素是,刚好手头有一块闲置多年的MF500}~?针式万用 表这一型号的指针表曾经在国内风靡,成为一代经典.笔 者这块MFSO0表是现代版本,受生产成本限制,这类表难免 有大家所称的”缩水”现象,用料,制作相对来说要差于以 前的老表.例如,采用7PCB开关,不再使用可靠性更高的 波段开关;AC/DC校准用的原绕线微调电阻,改为小型非密 封式碳膜微调电阻;不再采用搭栅工艺等.因为其质量不 理想,加上笔者不习惯其双开关的切换方式,所以垌置了下 来.但笔者发现,对于电容ESR表的制作来说,即使这种被 人诟病的现代版本,原型指针表大部分的优秀特性仍得以保 留:一是表盘刻度宽,分辨率高.二是刻度中心阻值较小 (10Q),有利于显示小于1Q的测量值.三是外壳耐磨耐 看,历久弥新.四是设有电池仓,拆换电池方便.五是整机 密封性好,隔绝了外界的粉尘和潮气,增强可靠性.当然, 原有的方面也保留了一些,包括笨重和体积偏大.但在家中 使用,这些问题并不突出.原来的双开关切换而造成使用不 便的问题,却是不再存在. 后来的制作证实,对笔者这样的电子爱好者来说,采用 现成的指针表来改装,是一项明智之举.一方面,可以大大 简化制作.对于通常的制作,机壳,结构件等问题常常令人 头疼,在备料环节以及制作时间中所占的比例经常逾50%. 现在,机壳问题顺利得以解决,无需专门去绘制刻度,也不 需为如何购买和怎样安排表头,表笔插座以及调零旋钮等而 烦恼,因为这一切都是现成的.只要完成了电路板的装制调 试,就已完成了整机工作量的90%.另一方面,整机外观的 完成度很高.对于一件几经辛苦才制作出来的东西,如果没 有良好的外观,制作者总是难免会有心头之憾.采用改装方 法后,制作出来的电容ESR表外观上与原表相差无几,几乎 没有改动,很是像模像样.虽然缺乏个性和创意,但完成度 却得到了充分的保证. …………………… =,设计准备 在设计之前,笔者认真阅读了国外电子爱好者详细介绍 设计制作的网页和文章,基本掌握ESR表设计的有关要求和 电路特点.随着了解的深入,笔者发现很多国外DlY作品或多 或少存在些明显的缺点,并不合乎笔者的心愿.于是,借 鉴他们一些好的方面,再按自己的要求来重新设计制作. 笔者自订的要求是:是在设计阶段,提前把指针式 ESR表的刻度问题解决.若无此项针对性的举措,就需在制 作阶段付出这样的劳动:一次测量一个用于校准的电阻,标 出此阻值的刻度位置,经多次反复后,才能一点一点地完 成所有刻度的标识,然后采用手工描画或电脑制图打印的方 法来制作刻度纸,再拆解表头进行粘贴.二是以保证性能为 前提,力求电路的设计简单可行.三是所用元器件要具有常 见,通用,低价的特点,电路可以变通运用于其他型号指针 万用表的改装.这样,既方便其他爱好者参照仿制,分享成 果,又可以在电容ESR表出现故障后,免除找寻特殊元器件 056无线电2010.11 之苦.四是有关性能参数尽量不作妥协.既要充分满足使用 要求,又力求优于一般的国外同类DIYI”!E品. ……………___… 三,参数目标 有关性能参数方面,笔者的考虑如下: 1.工作频率为100kHz正弦波 一 是减少电容容抗所带来的影响.电容ESR表实为简易 式的设计,它实际测量的对象是电容的交流阻抗,也就是 说,除ESR外,还包含电容容抗以及电感的成分.1OOkHz的 频率较高,对于小容量电解电容(以及一些容量相对较大的 非电解电容)的检测更有利. 二是向中高档LCR电桥靠拢.低档LCR电桥的最高测试 频率多为1kHz,好一些的为1OkHz,只有中高档的LCR电桥 才具备100N4z的测量频率,但售价已翻倍. 三是100kHz已成为电容有关性能测试的一个工业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 . 以这个频点进行测量,方便进行电容数据的对比参照.国外 爱好者制作的电容ESR表大部分采用方波进行测试,就没有 了这个好处.这是因为方波的谐波成分十分丰富,即使其频 率同为1OOkHz,实际的测试频点是按谐波结构散开的. 2.测试电平定为120mvD左右 为了保证能用于在路测量,必须让测试信号电平低于电 路中的半导体器件导通阀值.三极管和二极管的PN结导通电 压一般为0.6,0.7V,但开始导通的电压却是0.3V左右,如果 电路中有锗管存在,则这个开始导通的电压会低至约0.1V. 120mV..的测试电平,在正向或负向上所加的电压最大仅为 60mV,可以确保”在路测量”目标的实现.如果定为更低的 电平,则外界噪声干扰给测量结果带来的影响增大,交流放 大电路的增益值也需提高.设计的困难也随之加大. 3.耗电要低,并设自动关机功能 使用9V层叠电池供电的静态电流要小于1OmA,并尽可 能地减少.1OmA这个数值,是市售手持电感电容表的其中 一 个典型静态电流值,所以笔者把它作为一个参照.9V层叠 电池自放电小,对于很多手持仪表来说,如果平时使用率不 高,电池质量又过关的话,多年后仍可继续使用.因此.尽 量控制好ESR表电路的静态功耗,是有实用意义的.另外, 新一代手持仪表已普遍设有自动关机功能.一些老式手持数 字仪表,因缺少这个功能,使用者如果事后忘记关机,若干 天后发现时,电池已用尽.假如家中又没有备用电池,还需 外出一趟购买.这样的事情,相信不少人都曾遇到.不知何 故(或许是追求简单吧),我看到国外爱好者自制的ESR表 都缺此功能.但既然是重新设计电路,就不应把这,缺陷带 进来,所以自动关机功能必不可少.为此,笔者在设计阶段 摒弃了在电路中设置检测电容两端短路的功能,原因是它会 造成整机静态功耗过大. 4.具备400V的DO输入电压保护功能,以防止带电的电容造 成ESR表的损坏 有些电路场合下电容的工作电压很高,比如,开关电源 的220\,市电侧以及胆机电路,如果使用者一时忘记在测量前 先让电容放电,可能就会出现问题.ESR表设置这一功能, 可防止这种意外的发生. 5.尽可能有较好的精度 对于指针式万用表来说,给出的欧姆挡百分比精度是 以指针偏转的弧长来计算的.有些爱好者认为一块欧姆挡精 度为2.5%的指针万用表,测量100Q的正,负误差不应超过 2.5Q,否则就认为不达标,这实在是一个误解.笔者初订 ESR表的精度目标是不劣于10%,为此,在调试制作过程中 笔者注意尽量控制线性,但因缺少检验的仪表和器件,只能 得到一个大概的估计值,此是后话. …………………… 四整体设计及最终完成的电路 在设计之初,笔者从元件获得,POB~}布,使用器件数 量等方面综合考虑,决定优先选用双运放fC.最终电路的主 体部分由两块双运放集成电路1._062:~1]NE5532负责,完成了 除自动关机之外的所有任务. 笔者设计的指针式电容ESR表原理框图如图16所示,制 作成功后的整机电路图如图17所示. 1.100kHz..~弦波振荡器 在图17中,运放IC1A与周围元件构成文氏(Wien,也有 人译作”维恩”)电桥式正弦波振荡器.这种文氏电桥振荡 电路,具备产生低失真正弦波的潜能,如果在幅度反馈控制 上进行细致设计,可获得0.O00X%量级的超低失真性能.在 这里,由于对正弦波的纯净度要求并不高,因此,使用了最 简单的电路形式,失真也就较大,为×%的量级.即使这样, 也明显优于方波振荡器. R1,C1和R2,C2构成所称的文氏电桥.R1,C1是相位 滞后网络,R2,C2是一个相位超前网络.两个网络叠加,还 产生带通滤波选频的作用.对于IC1A的同相输入端,特定频 点的信号从IC1A的输出端返回至此时,刚好与原信号同相, 即是产生正反馈.产生的振荡要持续起来,需符合两个条 件.除了要有正反馈外,还要求环路增益等于1.由于文氏 电桥有3:1的衰减,所以要求电路有3倍放大的增益.为此, 将运放负反馈网络的R4,R3~DVR1取成略高于3倍放大量的 2010.11无线电057 :胫u 图16指针式电容ESR表设计框图 值,并通过VR1调节来确保电路起振.VD1,VD2与负反馈电 阻R4并联,起到稳定振幅的作用. 文氏电桥振荡器的振荡频率计算式为 厂=————========二 27r1C1R2C2 由于信号在运放内部产生相移,按照此公式计得的结果 总是与实际有出入.图17中的文氏电桥阻容取值是经实际调 试得到的. 2.衰减器与测试驱动器 为获得适合于在路测量的电平,在电路中设置了由R5, R6组成的11:1电压衰减器,将1.3V..的振荡器输出电压降为 120mV…然后直接送往IC2A.IO2A}~当于设计框图中的测 试驱动器,电路形式为同相缓中器.其增益等于1,因而获 得最深的反馈,令输出阻抗最小化.R7是用于防止运放出现 异常的自激现象,已被纳入运放的负反馈环路内. 3.测试接口及保护电路 保护电路基本与图14所示的国外电 路一致.图17中,用于提供直流保护(隔 直)的电容C3需要承受高压,所以取耐 压较高的400V规格.这只电容串在测量回 路中,对其容抗有要求,容量越大就越有 利.但受体积限制,因此选用ESR甚低, 容量相对较大的1F聚丙烯电容(WIMA的 MKP10).R8为C3的放电电阻.若没有 R8,当ESR表测量带有高压电的电容后, C3上的电荷可能会造成对使用者的电击. VD3,VD4的作用在前面已提及,是起限制 直流电压的作用,防止误测未放电电容时 造成ESR表的意外损坏. 测试驱动器作为测量信号源,与被测 电容,C3,检测电阻R9形成一个测量回 路.通过前面的原理介绍,我们知道,测 量回路的内阻应等于表头刻度中心值(MF500为10O).这 里因驱动器的输出阻抗较低,C3在100kHz时的交流阻抗也较 小,故暂时将R9取值为10Q.笔者本来打算在制作完成后. 再根据验核情况,通过加并一只电阻将R9的值调小一些.后 来检查发现,10Q的R9已基本满足要求. 4.表头驱动电路 图16所示的设计框图中的电压放大,AC/DC变换和变 换,是由图17所示的IC2B及其周边元件完?