使用VFC制作简单的电容表

当您使用电容器开发电路原型或用新电容器更换有缺陷的旧电容器时，您通常需要知道您使用或更换的电容器的值。有时，印刷在电容器上的值不再可读。此外，电容器的宽容差范围可能会让您对电容器值做出疯狂的猜测。在这些情况下，您通常会寻找带有电容测量设备的 DMM 的 LCR 电桥。并非所有数字万用表都具有此功能，从 LCR 电桥中查找电容值是一个繁琐的过程。

另一种选择是简单、低成本的 VFC（电压/频率转换器），带有一些便宜的组件（图 1 ）。该电路可以测量纳法到几十微法的电容值。输出传递函数为

其中 V IN 以伏特为单位，R 1 和 R 2 以欧姆为单位，C 以法拉为单位。对于 IC 1，输入范围为 0 至 10V，VFC 的输出是频率范围为 0 至 150 kHz 的串行脉冲序列，非线性误差小于 0.05%。

图 1一个简单的 VFC 使用其内部基准产生一个串行脉冲序列，其频率与未知电容 C X 成反比。测量 VFC 输出的选项包括：使用频率计数器，使用具有频率测量功能的 DMM，以及通过简单的计数器和缓冲器将输出连接到 PC 并行端口。

在 VFC 的正常工作中，您提供 0 至 10V 的 V IN 并选择 R 1 和 R 2 以便您获得 V IN /（R 1 +R 2 ），电流范围为 0 至 1 mA 以获得良好的V IN 和 F OUT之间的线性度。但是，在此设计中，VFC 没有外部输入。相反，该设计通过简单地将 V REF 输出连接到 V IN输入来利用内部参考电压 V REF 。为避免加载参考源的可能性，您还可以将 V REF 应用于 V IN 通过缓冲区。此外，您可以使用来自恒定电压源（例如电池）的外部电压输入，并将其连接起来，如图 1 中的虚线 所示。

要测量一个未知的电容值，您需要在非常靠近 VFC 的端子 A 和 A‘ 之间连接电容器。当 V IN =V REF =1.00V 且 R 1 +R 2调整为 1 kΩ 时，VFC 的最终输出是一个串行脉冲序列，其频率与未知电容 C X 的值成反比变化 ，如下所示：

您可以使用 R 3 和 R 2 微调分别在电容范围的高端和低端获得校准。因此，经过适当校准后，VFC 的 1 Hz 输出表明未知电容为 100 µF，而 VFC 的最大输出 150 kHz 表明电容约为 0.6 nF。如果您想增加可测量的电容范围，您可以使用具有更宽输出频率范围的 VFC，例如 0 到 1 MHz。在这种情况下，您必须注意寄生电容。

您可以通过多种方式测量图 1 电路的输出。一种简单直接的方法是使用简单的频率计数器或具有频率测量功能的低成本 DMM。因此，简单的 VFC 成为 DMM 的便捷电容接口，使您能够测量电容。或者，您也可以使用可编程计数器，例如 Intel 8254，它在大多数 PC 附加卡中都可用。另一种方法是使用必要的缓冲和控制将一个简单的 16 位计数器（例如 CD4040 和 CD4520）连接到您的打印机端口（参考 1）。在最后两种情况下，您可以利用 PC 的特殊 BIOS 中断 INT1Ch，而不会影响其正常的服务程序以提供 1 秒的测量窗口。在测量窗口期间，VFC 的串行输出驱动一个计数器。测量窗口结束时，计数器内容传输到 PC，您可以操作数据以直接在 PC 屏幕上显示未知电容值。