有關電子元件,除了電阻之外,最常被測量的元件大概要算是電容器,電阻以往用三用電表便可以測得阻值,到現在很方便的可以用數位顯示的三用表。以往測電容,包括電橋在內,也大多是用表頭指針,當然它的缺點很明顯的除了儀器系統本身之無可避免的誤差外,尚有人為的誤差;通常像沒有正對指針所讀出的誤差就是一個例子,現在大多已使用數字顯示來測量電容,這樣對於讀數的誤差就消失了。當然像電源供應器用的濾波大電容,根本不需要極精確的來選擇,可是若碰上手頭的舊貨,其標示值已脫落時,便需要知道其容值,以便拿來應用。或有一天碰上要設計或裝置一部濾波器時,有時便要選擇精確的電容值才能符合原來的設計理想;還有像久置的陶瓷或陶質小電容,其標示往往因碰撞或互相摩擦的原因而脫落或模糊不清,這時候往往會因為到底是0.1uF(104)或0.01uF(103)、或是0.001uF(102)而煩惱,如果能夠自製一部數字式的電容表,這些問題豈不是都解決了嗎!
若不是為經濟及方便之故,我們可以買一部量程範圍大,又準確的電容測值儀,或用比較精確的電橋則更好。因此提到電容表,除了要測量方便之外,這裡我們首先考慮到的是精確度及量程範圍大小。現在我們介紹二個測電容值大小的數位電容計,一個以精確取勝,一個以有寬大範圍量程而值得推薦,當然,兩者都甚為經濟及方便。
第一個電容計
首先這是個只使用四個IC(包括電源穩壓IC)的電容計,其良成範圍包括1000pF~1000uF分成八檔,可測量從1pF~1000uF的電容,整個量程範圍內都有±1%的精確度;包括三個8段顯示LED,一個穩壓IC,一個雙計時器IC(556),計數IC(MC14553),7448解碼IC及7432在內的元件,只需約三百元。
▓線路
圖(一)是整個線路圖,下端的½LM556是被接成一種單擊單穩態的諧振盪器,另外的½556則是一個不穩態的諧振盪器;MC14553是一個3位數的BCD計數IC經由7448解碼器,把BCD解碼成7段的數字顯示,7432的三個或閘拿來當掃描數位選擇的緩衝。
▓原理
首先測試啟動鈕S1被按下時,下端的½556被觸發,這一觸發出來的訊號週期長度是由待測的電容Cx與R1 R2 R3或R4來共同決定的;而我們利用選擇R1~R4來選定量程範圍;這個½LM556產生的週期長度就拿來當作類似計頻儀的時基,而脈冲則由另外上端的½LM556供給;此處S2b是用來選擇R5或R6,以決定其振盪頻率,來配合R1~R4以共同決定整個量程,產生的脈冲被送往計數器MC14553計數,其整個相對時序請參看圖(五),計數的結果由7448解碼後,以便數字顯示。
▓製作與校正
由於零件少,可以考慮使用點狀的IC萬用板來安置零件,如果有功夫的話,可以自己去做lay out及洗線路板的工作。還有R1~R6因為直接影響到測量的精確性,因此有必要選用誤差較小的電阻,如金屬膜型的。R1~R4可能的話儘量選擇符合1:10:100:1000這個比例的電阻,這樣當變換量程檔時才不會有很大的誤差。
至於校正方面首先把S2a放在R6位置,S2b則放在R1處,並且選擇一已知容量的電容例如470uF當作校正電容,然後一面操作(按)測試啟動鈕,一面調整R8直到顯示值符合已知的待測電容值(470)為止。另外再選另一已知電容,例如100pF,當作待測電容,此時S2a應放在R4,而S2b則調在R5,同樣的一面按S1,一面調整R5,直到顯示值為100為止,至於R5及R8可用10轉精密型或普通的半可變電阻,但以使用前者為佳,因為不論要校正或往後使用都來得方便及有較佳的精確性和穩定性,到這裡整部電容計便算完成了。
由S2a、S2b控制的量程分成八檔可以參看表(一),還有供給此線路使用的電源供應是由7805供給,參看圖(六);雖然輸入標示為10V,但方便的話,只要在8~12V之間都很適合,甚至15V也未嘗不可,只是如此一來,這塊穩壓IC會因發熱而消耗更多的功率,散熱裝置不良的話,還可能燒毀呢。還有100uF的電容,選用鉭質者,會有更好的效果。下面再介紹另外一個電容計。
第二個電容計
這個電容計的量程範圍是在1pF~20000uF之間,它的主要特色是,在測量時能去除一般在測量時容易出現的寄生電容,當在測量小電容時,這便顯得很重要,它整個線路只包括幾塊IC、二個電晶體,和少許的電容、電阻等被動元件。
▓工作原理
參看圖(七),一個方波可由弛緩振盪器產生(所謂弛緩振盪器就是經由電阻,可使電容或電感逐漸充電或快速放電而產生非正弦波的一種振盪器),這是由以運算放大器CA3160為中心而組成的,同樣地,這個振盪波的週期長度仍然由未知的待測電容Cx來決定。為了減低測量時的寄生電容,振盪器U1的輸出先經由Q1及Q2組成的推動級,再送到廣用計數器──7226,這裡要更加詳細說明的是U2及U4、74121,各位一定很熟悉,但74C221就可能比較陌生,其實後者包含有兩個前者,也就是74C221包含有二個74121,因而若無法得到74C221或身邊已有74121可用兩個74121來代替74C221。另外還有另一編號為4098的IC也可以代替74C221來用,但必須注意它們之間接腳不同。還有U4-7226,是一塊多用途的計數IC,它本身包含有一個高頻振盪器、閂鎖器、7段顯示解碼及推動器,他在這個電容計裡的功能是:當輸入A由正到負(─↓─)時,會啟動時距計數器,而同樣,輸入B由正到負(─↓─)時,則會令時距計數器停止計數;當在B轉負後,輸入A必須再轉成持續為負,以完成一個測量週期,對於如圖(八)的重複性訊號而言,以上的程序會自動發生,整個相對時序如圖(八)所示。
▓製作及校正
零件方面,S1a~S1d是採用包含四組的二段開關,R1及R2是校正用電阻,應選用可以方便調整者為佳,所有零件也均可放在IC萬用板上,值得提出討論的是振盪器,推動器[Q1及Q2]及U2部分的電源是+15V,而U4的工作電壓卻局限在4.75~6V之間,因而輸入U4部分,則不能超過供應電壓(6V);而來自U1及U2的訊號振幅卻大大超過這個電壓,這之間的差別配合則是由CD4049一手包辦。校正方面,選一已知電容,開關S放在1的位置然後調整R1,使得顯示值與已知電容值相符,同樣置開關S在2的位置,以校正第二檔量程。此電容表只分成1.0pF~0.1uF及0.1uF~20000uF二檔,前者只有±1%的誤差,後者的誤差則提高到±3%;這個電容計的電源+15V及+5V之供應可以參考圖(九)。
以上介紹的二個電容計,雖然沒有使用電橋測量時來得精確,不過由於電橋操作需要有相當的熟練技術才行,因而這種利用RCx(其中Cx是未知待測電容)來決定週期長度的方法,非常簡便而實用。至於雖說前者採用Timer組成的多諧振盪器,而後者是採用運算放大器所組成的弛緩振盪器,但其原理是大同小異的。以上兩個不同的處理方法懂了之後,甚至自己可以動一動腦筋,設計出其他更簡便、更經濟的方法,或者改善原有的線路,使之更精確,當然你若覺得像7226這麼一個LSI的廣用計數器只拿來量電容太可惜,那麼你也可以加些附屬的轉換線路,來測量像是頻率、電感及電阻等等的訊號或元件。
轉載音響技術第86期FEB. 1983 兩種數字顯示電容表/林茂榮
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