X0.1读数倍率的指针式电容ESR表的设计与制作

小鬼头

abbey_tom 发表于 2022-9-7 21:09
不知方波的高次谐波分量如何滤除？
期待方波版的早日公布。

esr表测量中，不需要滤去高次谐波。

指针表欧姆档的原理，有些类似比例法。在esr表电路里，测的就是被测对象与检流电阻之间的比例关系。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2022-9-8 10:01
esr表测量中，不需要滤去高次谐波。

指针表欧姆档的原理，有些类似比例法。在esr表电路里，测的就是被 ...

其实我还没有琢磨透ESR表的测量原理
以您顶楼的ESR电路为例，
我理解可以简化成下图的测量回路：
其阻抗大约是（假设忽略感抗、并联的那个1MΩ电阻、还有C3的ESR）：
SQRT((R9+ESR)^2+(1/w(C3+Cx))^2)
（SQRT是取平方根）
表头短路时，阻抗为：SQRT(R9^2+(1/wC3)^2)
当R9＝1Ω，C3为1uF时，100kHz的情况下，
计算出的阻抗＝2.29Ω，也就是测量回路的内阻，
与我的实测值（等效中值）比较吻合。

我的疑惑是，其实它并非符合指针表欧姆刻度
欧姆刻度是按照测量回路的电阻和（R0+Rx）的倒数比来画的，
电阻和取的是算术和，
而ESR表我觉得应该遵从平方和再开方的刻度规律。

abbey_tom

印证上述想法的是我在制作双显表过程中的经验：
MF47有电感和电容测试的功能，
编制双显表软件实现这一部分时曾遇到了困难，
当时和老郑小烧讨论了好久，390楼－430楼
http://www.crystalradio.cn/forum ... &fromuid=308632

我后来才发现它就是采用50Hz的工频来测量电感和电容，
利用10V工频交流为源,
串接待测电容（或电感）进行测量，
其刻度盘是按照如下公式进行绘制的，
内阻取40kΩ（每伏4kΩ）

电抗就是按照平方和再取根的方式
我双显示表的程序也是这样实现的，
验证时，分别取不同的L或C值，
使用这个公式计算得到刻度时，
最终的指示值与所取的L或C值完全吻合。
我当时也以上述计算公式用EXCEL表来进行了计算模拟。

abbey_tom

按上述公式编程的数字显示
与指针表盘是吻合的。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2022-9-8 10:46
其实我还没有琢磨透ESR表的测量原理
以您顶楼的ESR电路为例，
我理解可以简化成下图的测量回路：

是的，我的指针式esr表所遵循的，跟指针表欧姆档的原理十分接近，但并非完全一样。

请看附图：

电解电容可建模为，一个理想的电解电容与esr串联。当电容容量远大于1u/400V电容时，电解与1u串联后，近似等于1u，所以，得到图里的第1个“近似”变换。

由于测试频率固定，而且电流检测是由纯电阻检出，所以，1u电容在测量回路里，将以固定的容抗出现。将这个容抗视作是信号源内阻的一部分之后，就得到图里的第2个“近似”变换。

最后得到的图，就是指针表欧姆档的测量原理图，两者没有区别。

由于只是近似于欧姆档的测量原理，所以，利用万用表原欧姆刻度来读取esr值，必定存在偏差。有关这个偏差，我在当年写的那篇专题文章作过分析，你可以找来看看。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2022-9-10 12:43
是的，我的指针式esr表所遵循的，跟指针表欧姆档的原理十分接近，但并非完全一样。

请看附图：

我是想推导出一个相对准确的模型，
在双显表的数字显示中，
直接显示ESR或电容值。

我想再请教一下，
在测量回路中，
那个作为测试源的变压器次级，
应该是有电感的，
这个电感大约是多少？
它是否也算是串联在测量回路中？

小鬼头

abbey_tom 发表于 2022-9-10 11:09
印证上述想法的是我在制作双显表过程中的经验：
MF47有电感和电容测试的功能，
编制双显表软件实现这一部 ...

我的esr表测薄膜电容时，原理大概跟mf47测电容/电感相同。见附图。

当被测薄膜电容的容量远小于1u的隔直保护电容时，近似有图中的“近似”等效变换。可见，这部分电容的测量遵从指针表电阻档的测量原理 ，但测的是容抗。

当薄膜电容容量开始接近1u时，esr这一容抗测量法会出现误差。基本上，越接近1u，误差就越大。但是，如果指针的摆动幅度大小与容抗大小的关系有单调性，那么，通过实测来标定刻度，仍是有实用性的。我的esr表，也是这样做的。

为了达到这样的效果，你看我这个主题帖内容就知道，我花了不少时间在保证获得上述的“单调性”上，最终找到采用变压器的解决方案。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2022-9-10 12:58
我是想推导出一个相对准确的模型，
在双显表的数字显示中，
直接显示ESR或电容值。

从我前面分析可以知道，1u/400v隔直保护电容的存在，令这种esr测量方法的准确性收到了很大限制（尤其是电解的容量较小时）。

你要提高准确性，方法有：

1、最简单的做法就是取消这个隔直保护电容。

可是，一旦取消了这个电容，那么，你的esr表就缺少了保护功能，将变得非常脆弱。使用者忘记给电容放电时，很容易就损坏仪表。这个方法，实际上是走上了市面上那些电桥的路子，即准确性好，但不耐操。

而我设计的这个esr表，实际使用表明，他非常坚固，2个表笔直接接高达300V的电源输出，也不损坏。忘记给电容放电就测量，esr表更不会坏（只要电容电压不是特别特别的高）。

2、另一个方法，就是把被测电解的容量纳入计算。但这样一来，会搞得很复杂。而且，怎么输入/获得电解电容的容量这个参数，又是一道难关。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2022-9-10 21:36
我的esr表测薄膜电容时，原理大概跟mf47测电容/电感相同。见附图。

当被测薄膜电容的容量远小于1u的隔 ...

我的理解，
您这个是分段近似，
但不管怎样，
如果有一个统一的模型，
您说的这种分段也会体现出来，
比如Cx远大于1uF或接近1uF，
会出现什么情况，
从模型计算中也应该能够得到结果。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2022-9-10 21:58
从我前面分析可以知道，1u/400v隔直保护电容的存在，令这种esr测量方法的准确性收到了很大限制（尤其是电 ...

电路中存在这个隔直电容，
也无所谓的，
其准确容量也可以想办法测定（包括它的ESR）
在不测定的情况下可以先用估值，
我觉得模型也复杂不到哪里去，
这个只是计算测量回路的阻抗。
总不会比LCR电桥还复杂，
况且对于32位的CPU来说，
这点儿计算只是毛毛雨。

电工张

好久没有冒泡了！顶个赞！

xjw01

abbey_tom 发表于 2022-9-11 08:55
电路中存在这个隔直电容，
也无所谓的，
其准确容量也可以想办法测定（包括它的ESR）

用您上面列出的带有根号的式子，很难在宽范围内计算电抗X与电阻R的
当R>>X时，计算得到的R是准确的，X不准确。
当X>>R时，计算得到的X是准确的，R不准确。
当R与X在同一量级，R与X都比较准确。
楼主的电路，适用于R>>X的情况
当R与X相当或X>>R，测得的值主要体现复合电抗值Z
当频率较高时，用Z可以体现电容的好坏。


以上问题，仅用那个带根式的公式，难以解决问题。
举个例子，当X=0.1R时，那么X体现在电抗Z中，只占0.5%，对检波的精度提高很高的要求。因此，当X>0.2R时，才能较可靠的“捕捉”到电容值
如果使用单片机，可以直接检测出电压、电流的幅值与相位，就可以轻松捕捉到毫欧级的电抗，灵敏度提高不少，那么ESR表做成20kHz或10kHz就可以了。

abbey_tom

xjw01 发表于 2022-9-11 16:01
用您上面列出的带有根号的式子，很难在宽范围内计算电抗X与电阻R的
当R>>X时，计算得到的R是准确的，X不 ...

谢谢许老师指教，
我是想在我制作的MF47双显表中，
简单外挂楼主的ESR表，
不会再增加鉴相电路的之类的，
楼主的ESR电路其实并不是全程都是测量真正的ESR值，
我想用一个计算复合电抗的模型，
显示时根据检流值推算出无ESR的电容值，
薄膜电容时按电容值显示，
电解电容以最大允许ESR时的复合值显示。

jimtien

楼主的测量原理中，电容的阻抗必须小到可忽略不计，因此测量频率高，不能测小电容。如果要使用复阻抗模型，就得先测得电容值，楼主的电路是不行的。一个简便的方法是通过测量充电时间常数来获得，复杂的方法则是LCR的测量I，U 鉴相器方法

hgjdwx

很久没有上论坛了。首先感谢薛老师！大约十多年前，薛老师首发第一版x1ESR表制作贴的时候，就很想自己做一个，可是后来不久买了手持电桥TH2821A，制作暂时搁置了。2821A用了多年，积累了不少使用经验，用的也很熟练顺手了，但是有一个问题，因为我经常用电桥在线测电解，虽然我非常小心，测前必先放电，但常在河边走，哪有不湿鞋，还是湿鞋了两次，很是痛心。因此还是时常羡慕薛老师不怕电容余电的ESR表。去年一次偶然的机会，承蒙薛老师厚爱，喜获一台x0.1版ESR表，经使用测试，在线判断电解好坏很好用，在这方面完全可以代替电桥，而且测前无需给电容放电。虽然我习惯了使用电桥，但有时电桥不在手边，就顺手拿ESR表用，每次ESR表都能顺利完成测试。而且我还把ESR表笔改成了开尔文夹，测试线直接焊到表里面，消除不稳定的接触电阻，夹子前段磨尖，不仅能夹还能像表笔一样直接捅，电桥的开尔文夹我也是这么用的。总结：ESR表操作简单，直观，测前无需放电，在线判断电解好坏优先选x0.1版，准确率高，速度快，