电容ESR表的设计制作.doc

电容esr表的设计制作1电容esr表的特点 可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equivalent series resistance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，即esr，l为等效串联电感，即esl。引入esr和esl，使得模型更接近于电容在电路中的实际表现。 图1 实际电容的等效模型 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。 图3 不同容量电容的阻抗特性曲线 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10f/ 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。 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即多层陶瓷电容，两只100f/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。 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10m，而容量达1000f的铝电解电容，其esr为0.1。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著的区别。从另一个角度看，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（如icl7106）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a/d芯片，设计上更加灵活，电路形式上也迥异于前述两种。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“esr meter 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。 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来指示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。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。 图7 国外网友自制的指针式电容esr表。其中，右边的表以esr值标示刻度，左边的表以电容好坏（good与bad）来标示刻度。 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。 图8 lcr电桥照片（非按同一比例拍摄）。后两种为台式，实物比前两种的手持式大得多。2.可在路测量，无需将元件拆下，大幅提升检测效率 笔者所称的“在路测量”，是指不将元件从电路板上拆下、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，大大减轻了工作量，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lcr电桥的测试电平一般是固定的，典型值为0.3vrms（即848mvpp）。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指针万用表进行制作，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mf500表外，都是利用手头常备的元器件，最值钱的是一只1f/400v mkp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，一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焊台维修一事来说，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。2 测量原理及国外典型电路分析 严格地说，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。 指针式电容esr表的测量原理1 图9 指针式万用表测量电阻的原理 图10 图11 指针式电容esr表的测量原理2图12 指针式电容esr表的测量原理3一、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，rx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：i=v/(rs+rx)。i为测量回路中流过的电流，也流过表头。显然，通过这个公式，i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i，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=时，i=0；当rx=0时，i为最大值，imax=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imax位置）标为0，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，i为imax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！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v的变化，各个欧姆挡位表头m的满幅电流值imax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rx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，由这一电流驱动交流表头，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，以电压形式输出此时由电阻r完成了i/v变换。经过ac/dc变换为直流电压，加到直流表头m同时由表头m的内阻完成v/i变换。这样，测量回路中流过的电流i被传递到了直流表头m，因此，直流表头m可指示出rx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i仍遵从公式i=v/（rs+rx），其中，rs为测量电路的内阻。对于这一概念电路，rs等于检测电阻r。实际电路中，rs等于检测电阻r加上测量信号源v的内阻。若电流i被传递到表头m的整个过程是线性的，那么就可以按i=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imax（=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。 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，mf500万用表的刻度中心值为10，测量信号源的内阻加上检测电阻r的总和也须为 10。 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-360指针万用表的刻度中心值为20，出于提高低阻显示分辨率的要求，想将此中心值改为5。那么，就要将测量信号源的内阻设为5，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diy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a/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。r2( xcxl )2rx 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 式中，r为电容的esr，xc为电容的理想容抗，xc=1/（2fc），xl为esl的感抗，xl=2fl。 以22f普通铝电解电容为例，一个典型的esr值为20，esl值为20nh。当测量频率f为100khz时，则有xc=0.072 ， xl=0.014。代入上面公式有202(0.0720.014)2 rx 计得rx20.00008。这说明，这只22f电容在100khz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rx=19.94。测量误差已较为可观，为0.3%。如果测量频率降低，这个误差就增大，比如，50khz时误差为1.2%，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。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。 图13 国外网友自制的指针式esr表电路一1.简洁明快的电容esr表 如图13所示，核心元件为tl062低功耗双运放ic1和变压器t1，以高灵敏度的50a指针表头作指示。稳压集成块ic2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c3隔直电容后，送往反相放大器ic1b作39 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。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cmos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1215ma。 图14 国外网友自制的指针式esr表电路二3.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，则r10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。 图15 国外网友自制的指针式esr表电路三 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c5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。3 设计构思及最终完成的电路一、方案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）。只要看一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。比如，采用万用表专用a/d芯片icl7106。因其显示数值最大为1999，若安排最小显示0.01，其最大显示将变为19.99，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，另一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指针式万用表。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mf500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，采用了pcb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，所以闲置了下来。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（10），有利于显示小于1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。二、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diy作品或多或少存在一些明显的缺点，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：一是在设计阶段，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diy作品。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。100khz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10khz，只有中高档的lcr电桥才具备100khz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。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100khz，实际的测试频点是按谐波结构散开的。2.测试电平定为120mvpp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0.60.7v，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。120mvpp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10ma，并尽可能地减少。10ma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，就不应把这一缺陷带进来，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dc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220v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100的正、负误差不应超过2.5，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、pcb排布、使用器件数量等方面综合考虑，决定优先选用双运放ic。最终电路的主体部分由两块双运放集成电路tl062和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正弦波振荡器 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0.000x%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x%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和vr1取成略高于3倍放大量的值，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。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。 图16 指针式电容esr表设计框图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1.3vpp的振荡器输出电压降为120mvpp，然后直接送往ic2a。ic2a相当于设计框图中的测试驱动器，电路形式为同相缓冲器。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10）。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10。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，10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v/i变换，是由图17所示的ic2b及其周边元件完成。图17所示的虚线框内的表头电路本身可做v/i变换工作，ic2b则担负电压放大的责任。此外，通过ic2b的负反馈，为二极管vd5和vd6的整流（即ac/dc变换）提供改善线性的作用。rp2用于欧姆调零的粗调，其阻值的大小决定了电压放大的增益。虚线框实为mf500万用表欧姆挡的表头电路，由原表搬移过来，其中rpm为欧姆调零电位器，设在面板上。为提高安全性，表头电路采用不同于图15理想二极管电路中的接法。表头电路两端接在vd5、vd6之间，悬浮于地线，与地线的直流通路由c4阻断。若采用图15所示的接法，则表头驱动电路中有某个元件损坏，或者制作过程中出现一个错误，ic2b输出端往往会出现严重的直流偏移电压，令昂贵的表头受损甚至烧坏。由于工作频率高达100khz，这里对半导体器件特性的要求较高，需使用频响特性好的运放，压降小的锗二极管。否则，线性度将大大受损，直接使用万用表欧姆刻度时会带来很大误差。 图17 指针式电容esr表整机电路图5.单电源转双电源电路 该电路以ic1b为核心，常被称为虚地驱动电路。r17和r18从单电源中取得中点电压，送往ic1b的同相输入端。ic1b接成缓冲器形式，利用其很深的负反馈，使得输出端紧紧跟随同相输入端的电位。这样，就实现了由+9v单电源到4.5v双电源的变换。所用的tl062为jfet输入型，输入阻抗很高，故允许r17和r18取较高的值，这样可减轻一些电源消耗。 读者看完后面介绍的测试驱动器试验情况，可能会有疑问：接成缓冲器的tl062在100khz时表现不佳，能否保证工作频率高达100khz的整个esr表的电源需求？这种担心不无道理。假如缺少c7、c8这两只电源输出滤波电容，确实是成立的。但有了这两只电容之后，情况就变得大不相同。这时，只要tl062能保证低频时有足够的输出电流供应即可。因为高频段的电源要求，是由c7、c8承担的。这其实与很多电子设备的常见情形一样，包括线性稳压电源和开关电源在内的绝大部分稳压电源，仅能保证音频频率以下的范围具有足够低的输出阻抗，超出此范围还是要依靠电源输出端的滤波电容。此电路的工作原理实质上等同于线性稳压电源，其中，ic1b肩负了后者的误差放大器和调整管的任务。6.自动关机电路 vt1是关机控制的关键器件，这里使用mosfet，利用其阀值电压高（约为3v）、输入阻抗高的特点，以实现长时间的延时。r16是vt1的抑振电阻，防止g极引线过长时vt1自身产生振荡。c5为定时电容，r14为定时电阻，从开启电源到自动关机的定时时间大致为30分钟。三极管vt2用于改善关机末段的特性，r15为其提供限流作用。led用于电源指示，串在电源线上，这与一般的安排不同，好处是能减小电源消耗，因为led需通以17ma的电流才能正常发光。 此电路的延时（定时）关机工作过程如下：当合上电源开关s（即置于on位置）后，+9v电池经过r14对c5进行充电。由于电容两端的电压不能突变，vt1的g极处于高电位，因此vt1导通，+9v电池经过led对整机进行供电。vt1的通态电阻很小，远小于1，vt1导通后d、s极间的压降可以忽略。c5充电后，c5两端电压随着时间的推移而逐渐上升，vt1的g极电压随之降低。当低于vt1的阀值电压后，vt1开始进入截止，d、s极间的压降上升。一旦这个压降高于vt2的开启电压，vt2开始导通，因vt2与定时电阻并联，所以加快了c5的充电进程，促使g极电压进一步下降，这样就形成了一个正反馈过程，使得vt1迅速关断，从而完成了关机动作。 整机不开机时，电源开关s置于off位置。由电阻r13给c5迅速放电，以准备下一次的应用。r13为10的小电阻，之所以没有用导线代替，是为了防止放电电流过大而引发s触点间产生电弧，导致s使用寿命缩短。4 实际调试过程 完成初步的电路设计后，就进入电路调试阶段，实行边调试、边修改，直至最终完善。这个指针式esr表的调试工作主要集中在4个部分，下面一一分述。一、100khz正弦波振荡器 图17中的100khz正弦波振荡器，经试验，4.5v电源下实测振荡频率为97khz，振幅（输出电平）约为1.3vpp。若电源电压降至3.5v，监测的示波器上未见到振幅和频率的明显变化。当电源电压降至2.5v以下时，才出现停振或频率明显提升的现象。笔者做此试验，是在完成自动关机电路前进行的，因此与实际情况不相符，rp1的调节也是按4.5v电源。加入自动关机电路后，由于led在电源线上产生2v压降，ic1实际得到的电源电压为3.5v。有兴趣的读者可就此作试验，确认电池电压在正常下降范围内，振荡电路是否出现异常。 如果将ic1a换为其他型号ic，则振荡频率、振幅会产生变化，有时还需改变vr1位置才能保证起振。将vd1、vd2改为锗二极管后，笔者曾作过更换运放的试验。试验结果见表1。 在此选用tl062双运放，是因为这块ic为低静态功耗ic，比表1中其他型号都低很多。4.5v电源