【参赛】数字电容表

北极兵

题记：

本来电容表成堆，

命中注定缔一回。

年初正值十届赛，

记向矿坛舒情怀。

做为电子爱好者，经常用到电容表来测量电容容量，手上好几块数字电容表精度都不好，尤其是小电容档，误差大到怀疑人生，让人无所适从。模拟电桥也有，就是用起来太麻烦。工欲善其事，必先利其器，所以必须要亲自动手做。

通过对手上几块电容表的全面统计，发现它们尽管测量原理多种多样，但工作频率均未超过1KHz。DM-6243为25Hz、250Hz三角波，DM-6013为8Hz、80Hz、800Hz特殊波形，DT890A为200Hz的电容充电波形等。所以测量信号频率过低,对于小电容测量就需要复杂的放大电路，不利于业余制作。我自制的数字电容表采用了较高的工作频率，工作稳定，精度较好，制作简单，通过一段时间的使用，完全能够满足业余测量小电容的要求。

基本参数见表1：

一、电路的由来：

本数字电容表是在《简易直读式电容测量仪》（见《青年无线电手》）的基础上，通过修改、优化电路和元件参数，大大提高了电容表的实用性、稳定性和可靠性。

此电容测量仪存在的最大问题有2个，一是25P档不能正常工作，按照书中最后指出的措施，将使线路变得非常复杂，与其它各档不能兼容。二是25P档最高校正电流只有30μA，且为非线性，导致该档无实用价值。经过多次实验，对该电容测试仪进行的改造取得成功，所做的修改和优化如下：

1.将原指针表头改为数字表头显示，消除了读数误差和分辨率，提高了最小量程的实用性。

2.降低了各档的振荡电容，采用大电流充电测量，提高了工作频率6倍，提高了电容的测量精度。

3.去掉了Q1基极电阻，提高工作频率，使最小量程与其它档位工作在相同的电路中，简化了电路。

数字电容表电路图见图3。

二、工作原理：

本数字电容表是通过测量被测电容的充电电流来测量电容容量的，由振荡器、反向器和数字电流表组成。

Q1~Q3、R1~R3、C1~C5、W1+W2组成互补多谐振荡器，当K3闭合的瞬间，Q2得电饱和导通，由于振荡电容C1两端电压为0，R4上的电压很低，Q1、Q3均截止，电源通过R4和W1、W2向C1充电，当C1两端的电压达到Q1发射结的导通电压时，Q1导通，并推动Q3导饱和导通，集电极电压为0，Q2截止，这时电源通过Q1发射结向C1反向充电，并维持Q1、Q3的饱和导通。当C1反向充电电压接近电源电压时，充电电流变得极小，Q3首先退出饱和状态，集电极输出高电位，并与C1的反向充电电压叠加，导致Q1截止，此时Q2又已经导通，电源又开始向C1充电，这样周而复始形成振荡。Q2的作用就是在C1反向充电时，切断Q1的偏流，确保C1反向充电结束时，Q1和Q3能迅速从饱和状态转为截止状态，从而提高的电路的振荡频率。振荡电路从Q3集电极输出方波信号。

Q4等组成反向器，对Q3输出波形进行进一步整形，输出方波。C7~C11为半量程校正电容，当方波的上升沿到来时，C7通过D1、R8充电并迅速充满，当下降沿到来时，C7通过Q4、D2将电完全放掉。

如果用方波对电容充电，在高电位的时间内，完全充满，低电位时间内再完全放电，那么，就可以统计单位时间的充电量，换算成电流，间接测量出电容量。

Q=C×U，Q=I×t,则I=C×U/t，且t=1/f，方波幅度为V1，C7的充电电流可表示为：

I=C7*f*V1

可见，C7的充电电流与电容量、振荡频率和电源电压成正比，调整电位器W1、W2，改变工作频率，就可以使电容值与数字表的指示值相对应。因为数字表溢出后不便校准，应选择较小的满量程数字，电容数值系列中，15系列较为合适，但手上的数量太少，挑选不出较高精度的量程电容，所以选择10系列电容。

因为所有晶体管都工作在开关状态，所以电路具有良好的稳定性，不存在其它电路的非线性影响，测量精度取决于校正电容的精度，但10PF、100PF小电容档仍然受到分布电容的影响，分布电容在数字表上显示为底数，可以通过工艺措施和仪表结构来克服。

三、元件选择：

C1~C5为振荡电容，C1、C2选择高频瓷片电容，C3~C5为绦纶电容，C7~C10需要用电桥测量，精度最好小于±0.5%，我是托朋友用电桥选出精度优于0.2%的，以保证电容表的测量精度。C7、C8的损耗越小越好。W1、W2选用小型碳膜电位器，不能使用线绕电位器。电源采用锂电池两节串联，我用的是一次性锂电池，如果用普通5号干电池，要用5节，因为该电路最低工作电压为5.6V，以保证电池耗尽时仍能正常工作。数字表仍需要一节9V叠层电池。C12漏电小于1uA。K3使用2×2开关，同时控制数字表电源。测量插座用双排插针座改制，以便测量两只电容并联容量。其它元件无特殊要求。

四、制作：

该数字电容表也可以做为数字万用表的附件来使用，可以简化制作，只需测量部分，配合数字万用表的200uA档（去掉R8）使用。我因为经常要测量电容，所以加了数字表，数字表是拆了一块旧钳形电流表，去掉外围电路改成的。表壳用了一个腾达的路由器外壳，布置好元件，确定了基本结构。

在底壳上用AB胶粘上塑料片给电池定位，

数字毫伏表：数字钳表去掉外围电路，只保留200mV基本功能，切去多余PCB，飞线建立工作条件。四角钻孔上了塑料柱待用。

显示窗：在面壳上量好位置，开好显示屏口，再切一小条硬质有机玻璃嵌入，502粘固。

将数字毫伏表四个塑料柱饱满地涂上AB胶，对准数字屏对准显示窗，细细调整位置，面板向下，胶自动流到塑料柱和面板接触处，静止十几秒钟胶凝固即可。

最后，在面板上进行热转印，把表名、功能标识、量程印上去。先用脱漆剂擦去面板上的黑字，拆下波段开关和电位器、开关帽，数字窗用美纹纸贴好，自喷清漆用热水升温到40度，薄薄喷上一层，晾十分钟，镜像打印了面板文字到黄蜡纸上，对正贴在面板上，用手压实，垂直用力，不可倾斜，再用吹风机加热，再压，冷后轻轻揭下黄蜡纸，再喷一层清漆，放置两天自然干透。这个过程手上沾的都是清漆，只拍了零星照片，整理时又因误删了几张，剩下的效果不好，只上个最终重拍的效果图吧，这些都不是重点。

数字毫伏表和波段开关之间可以放置线路板，切割一块27×50mm的覆铜板，按元件布置钻好孔，改正液简单描版，干后略做修改，三氯化铁腐蚀即成。PCB图丢失，元件只好标在描图板上了。最初D1、D2处用的是桥式整流，后来发现底数过大，废弃了成为冗余件留在了板子上。

和数字毫伏表一样的方法固定。

振荡电容和校正电容都直接焊在波段开关上。

全部安装后试机，检查电路无误，上电试机。发现10P和100P档底数过大，无法测量。经反复分析实验，确定原因有三，一是分布电容大，150KHz经分布电容传入毫伏表，二是桥式整流过于灵敏，且与电路位于同一板上，三是测试排母针座间距太小。

针对以上原因采取相应措施：

参照《简易直读式电容测量仪》的介绍，给交流部分做了屏蔽盒，用0.2mm的铝箔裁成六面连体，折制成盒状，拆下电位器和波段开关，铝箔上开好孔位，再装回去，这样电位器和波段开关都一体接地，防止高频的散射，使用时还能避免人体感应。

将桥式整流改为半波整流，并移到屏蔽盒外部，直接搭棚焊接，PCB上的桥式整流电路废弃。

将测量插座中的两个插孔接地，下图中最底部的一条红色线即是。

通过以上措施，将10PF、100PF档底数控制在2~3个字，非常有效，其它档均无底数。

五、调试：

此电路工作于开关状态，非常稳定可靠，所以波形不用调整。下图是从电容测量插座上输出的10PF档（150KHz）、1500PF档（150KHz）和1nF档（15KHz）波形。

只需检查各档校正是否正常，如果电位器位置靠近极限，可以调整相应档位的振荡电容，电位器阻值太小，减小电容量，反之加大电容量。校正数值不稳定，是振荡电容热稳定性不好，或瓷片电容损耗大；如果数值连续下降，则检查电源电压是否变化。

精度主要由量程电容的精度决定，特意托朋友用Quadtech 1692高精度电桥（误差±0.05%）,挑选的量程校正电容，还有几只精密电容和瓷片电容，温度稳定性都很好，留下来做为土基准。用这块数字电容表测量精度，10PF档误差小于1%，其它档均小于0.5%，已经非常可靠，但考虑长期稳定性和温度影响，分别取2%和1%，能够满足一般测量要求。

新学员

下载了，准备学习学习，谢谢楼主！

as8233639

太棒了！

北极兵

临近新春，方有空闲。整理发贴，才好过年。

祝各位版主、坛友们新快乐！万事如意！

changwanren

电路简单，调试容易，容易制作，很给力！点赞1

fzh547611

        小小数字电容表，测量小电容比较好，电路也不很复杂，容易仿制。

ailisheng

不错，好表！

bis

这个200mV的数字表头还应该改造一下，用的可能是X7R积分电容，会导致线性不好，比如200mV和100mV不能同时调准，一个标定准确了另一个就跑了。

北极兵

bis 发表于 2019-2-1 19:49
这个200mV的数字表头还应该改造一下，用的可能是X7R积分电容，会导致线性不好，比如200mV和100mV不能同时调 ...

我用的是100毫伏满度，所以不用改。你说的对，有的数字表因为积分电容导致线性不好而增加误差。

北极兵

闻太师 发表于 2019-2-1 20:19
请教一下楼主面板热转印技术：
先喷一层清漆是为了在其没干的情况下把蜡纸上的碳粉粘下来是吧？用吹风机加 ...

对的，就是在清漆未干透前把碳粉粘下来，再用请漆封固。用普通清漆和油漆都可以，油漆可以给机壳改色。但不要用电熨斗，会烫坏机壳的。只需微热，清漆就会发粘，碳粉不需要融化。

北极兵

闻太师 发表于 2019-2-1 22:10
我想把字转印到铝合金面板上，材质类似平板外壳，怎么弄您能给点建议吗？

以前也在铝表盘上成功转印过，和pcb制板一样，最后喷清漆，但漆面不太好看。在铝板上也是可行的没有问题，但铝板的处理不能用打磨的方式，否则划痕很难看。表面如果不是特别光，可以汽油擦拭后直接热转印。

有胆有识

      
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        构思奇巧贺岁来


      北极兵老师的作品无一不是构思奇巧、功夫老到，实用性强的好作品，期待能获得评委的认可！

北极兵

有胆有识 发表于 2019-2-3 15:28
十届回望绣成堆
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赞先生的好文釆，真的是，信手拈来即成章，字间行里意飞扬。祝福您及家人新春佳节阖家欢乐，幸福安康！