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摘 要：该文介绍一种基于自动平衡电桥的精密电容测试系统设计方法，通过对激励信号与自动平衡电桥输出信号进行鉴相分析，给出被测电容值的计算方法。为使鉴相器处于最佳工作点，得到精度更高的电容值测量结果，系统对自动平衡电桥输出信号进行反馈，并根据反馈结果，结合标准电阻选择与程控放大器对信号进行调理。最后，在1 MHz的测试频率下对系统的电容测试精度进行验证，得出设计的电容测试系统具有较高的测试精度。

关键词：电容测试；自动平衡电桥；程控放大器；鉴相分析

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）06-0079-04

0 引 言

电容是基本元器件，其特性直接影响产品的质量。以前，电容的测量工作是给出不同的测试条件，用测量仪器人工逐点记录，然后对测量数据进行人工或计算机辅助分析与处理。这需要投入大量的人力和物力，效率低，特别是当需要掌握连续变化条件下的某些参数时，难以达到测试要求。随着表面贴装器件（SMD）的广泛应用，电路工作频率的不断提高，各类仪器日趋小型化、智能化，人们对测试仪的测试过程和精度有了更高要求[1]，使得电路中电感、电容、电阻（LCR）元件量值准确可靠的测量成为迫切需要解决的问题。由于元器件在不同的信号频率下，其性能和技术指标会发生变化。尤其在高频段，元器件参数以及元器件所表现出的特性变化更大。此外，元器件虽然能满足出厂时的技术指标，但装入实际电路中会表现出不同的特性。因此，了解电容在实际工作下的性能特性，设计出高质量的电路，有助于提高产品的性能和可靠性。传统的电容检测方法有普通电桥法、谐振法等[2]。普通电桥法测电容是由电容组成四边形测量电路，把4条臂称为桥臂，在四边形的一条对角线两端接上电源，另一条对角线两端接指零仪器。调节臂上某些电容的参数值，使指零仪器的两端电压为零，此时电桥达到平衡。利用电桥平衡方程，即可根据桥臂中已知元件的数值求得被测元件的参量。普通电桥法需要人眼观察仪器指零，利用主观判别来达到平衡的条件，因而测量误差大，花费的时间长。谐振法测电容是利用含电容的一端口电路使其在特定条件下出现电压电流同相位的来测量。谐振法测电容与普通电桥法一样，需要人眼观察电压与电流达到同相位，利用主观判别达到谐振的条件，因而有测量精度低，谐振条件难达到的缺点。为了克服传统测试方法的缺点，使测量数据更全面和准确，实现电子材料与元件特性测量与数据分析的自动化与智能化，所以本文根据相关技术和实际工作经验，在综合国内外有关文献的基础上[3-5]，设计了精密电容测试系统，该系统配合自动平衡电桥、模数转换电路、现场可编程门阵列（FPGA）和微处理器（MCU）。实验中系统工作稳定可靠，满足设计要求。

2.3 误差分析与消除

本测试系统的误差取决于以下4个方面：标准电阻的准确度；DUT没有专门测量的夹具，会产生误差；选择标准电阻的继电器电路会有误差；温度漂移、随机误差[9]。

1）标准电阻的消除：标准电阻有多个档位，10，

100，300 Ω、1，3，10，100 kΩ，由于鉴相器对两个信号的幅度差值有要求，当差值过大时影响测量精度，因此在测量时使用AD9057来挑选最适合的电阻档位时，针对不同的被测件阻抗，选取合适的阻值，使输出的信号幅度与参考信号V2尽可能地接近。并可防止信号被运放过度放大，导致信号变形。从而最大限度地减小测量误差，使测量结果更为精确。

2）测量夹具的误差消除：对于非专业的测量夹具以及测试电路本身的分布参量，可能比被测的元件的值还要大，这时不能通过硬件方法来消除误差[10]，可以采用软件校准，即先把所有标准件的校准数据提取出来放在存储器中，测量时根据DUT的阻抗范围调出相应的校准数据进行校准处理。

3）系统误差消除：V1与V2本应该是一路信号，但是V1在经过继电器之后信号由于干扰信号会发生变化形成VA，使用程控放大器来调节信号使VA与V1相等，这样就可以尽可能地排除系统误差。另外由于测量误差的存在，尤其是随机误差的不可避免性，对线性相关的两个物理量（测试仪测量结果与本系统测量结果）进行直线拟合时，其拟合结果往往具有一定的截距，不同的拟合直线斜率k会影响拟合误差大小。因此当"k|<1时采用最小二乘法对线性数据拟合使处理更加简单；当|k|>1时采用最小距离平方和法来减小线性数据拟合的误差。

2.4 系统测试结果

为了验证本文提出的电容测试系统的可行性，在1～100 pF内选取一系列电容样本进行测试。由于一般电容的精度较低，本文采用对比测试以排除样本自身精度的影响，本文设计系统的测试结果与日置3522-50LCR测试仪测量结果进行对比，测试对比如表1所示。由对比表可得出，本测试系统在1～30 pF的电容范围内的测量误差<2.4%，在36～100 pF的电容范围内的测量误差<3.3%，具有较高的测试精度。

3 结束语

电容测试一直以来都是阻抗测试的重点与难点，传统的电容测量方法已经不能满足现代电子行业测试精度与自动测试的需求。本文提出的电容测试系统采用结合自动平衡电桥阻抗测量技术与信号鉴相技术，通过对鉴相输入信号的采集与判断，对信号进行调理，使测试系统具有良好的工作特性。本文设计的电容测试系统结构简单，能够对电容值进行自动测试，具有较理想的测试精度。

参考文献

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（编辑：李妮）