Ampliación de la medición de capacitancia en multímetros digitales
Según las características de los circuitos diferenciales e integrales, la medición de capacitancia se puede convertir en medición de voltaje.
La parte central del circuito, CX/V, utiliza un integrador y diferenciador inversor RC activo simple. Un oscilador de puente de Viena genera una señal de CA Vr a una frecuencia fija, que excita el circuito de conversión CX/V para producir un voltaje de CA V0(V1) proporcional a CX. Después de eliminar el ruido fuera de la frecuencia fija mediante un filtro de paso de banda de segundo orden, una conversión CA/CC produce un voltaje de salida CC V proporcional a CX.
Cuando la señal de CA Vr excita el circuito CX/V, el voltaje de salida del integrador inversor es:
Es decir, la capacitancia medida CX es proporcional al voltaje de salida V0, realizando así la conversión CX→V. Para hacer coincidir el rango de capacitancia básica con el rango de 2 V del multímetro digital, el oscilador del puente de Wien se configura a 400 Hz con un voltaje RMS de 1 V, R1=20 kΩ y C1=0.1 μF. Variando R2 como 200 Ω – 2 kΩ – 20 kΩ – 200 kΩ – 2 MΩ, los rangos de medición de capacitancia correspondientes son 20 μF – 2 μF – 200 nF – 20 nF – 2 nF.
2 Medición de pequeñas capacitancias
Los multímetros digitales típicos de 3½ dígitos tienen un rango de medición de capacitancia de 2000 pF ~ 20 μF y no pueden medir capacitancias pequeñas por debajo de 1 pF. El uso del método de reactancia capacitiva con señales de alta frecuencia permite la medición de capacitancias diminutas, como se muestra en la Figura 2. Sea CX la capacitancia medida y Rf la resistencia de retroalimentación en la entrada inversora. Para una señal de entrada sinusoidal Vi a la frecuencia f, la impedancia de CX y la ganancia del amplificador operacional están dadas por: Con A y Rf fijos, la frecuencia f de la señal sinusoidal es inversamente proporcional a CX. Por ello, las señales de alta frecuencia se utilizan para medir capacidades pequeñas.
El diagrama de bloques del circuito de medición se muestra en la Figura 2 (b). El proceso de medición es el siguiente: se aplica una señal sinusoidal de alta frecuencia de un generador de señal a la capacitancia medida, convirtiendo CX en reactancia capacitiva XC. Este XC se convierte en un voltaje de CA a través de un convertidor C/ACV, se amplifica y se envía a través de un transformador de aislamiento a un demodulador sensible a la fase. La otra entrada al demodulador es una onda cuadrada (señal de referencia) derivada del onda sinusoidal de alta frecuencia a través de un convertidor de forma de onda, con la misma frecuencia y fase. La señal demodulada se filtra mediante un filtro de paso bajo para producir un voltaje de CC proporcional a CX, que se envía a un voltímetro de CC para visualización directa.
El convertidor de forma de onda es un comparador inversor de cruce por cero que convierte la onda sinusoidal de alta frecuencia estándar de 1 MHz del oscilador del puente de Viena en una onda cuadrada invertida estándar. Dado que la salida del demodulador sensible a la fase es un voltaje CC pulsante que contiene armónicos de alta frecuencia, unfiltro πse utiliza para eliminar armónicos y obtener una salida de CC constante y estable. Luego, el voltaje promedio correspondiente se envía al voltímetro de CC.
Para hacer coincidir el rango de capacitancia básico con el rango de 2 V del multímetro digital, la señal sinusoidal de alta frecuencia se establece en1 MHz(lo suficientemente alto como para evitar efectos de parámetros distribuidos a frecuencias excesivas) con un voltaje RMS de 1 V. El producto de la ganancia del circuito y la resistencia de retroalimentación Rf se configura de modo que el rango de 200 mV CC del multímetro corresponde a 0,2 pF y 2 V corresponden a 200 pF.
