示波器測電容方法對比分析及數(shù)據(jù)處理

蔣逢春，馮學超

（鄭州輕工業(yè)學院，河南 鄭州 450002）

電容器是電路中重要元件，電容器的電容是電路的重要參數(shù)，如何精確測量是問題的關(guān)鍵。電容器電容值的測量常用方法：一是萬用表［1］，二是交流電橋［2－3］。萬用表測量簡單方便，但精度不高，而交流電橋法測量準確，但較復雜繁瑣。本文給出示波器測電容的幾種簡單方法。

實驗設(shè)備：雙蹤示波器，信號發(fā)生器，十進制交流電阻箱，待測電容器，導線等。

1 實驗方法及數(shù)據(jù)處理

方法1：利用RC串聯(lián)電路穩(wěn)態(tài)法測電容，電路如圖1所示。

圖1 RC串聯(lián)電路穩(wěn)態(tài)法測電容

原理：RC串聯(lián)電路兩端加一定幅度和頻率正弦交流電，電路中電容阻抗和頻率的關(guān)系為，又根據(jù)串聯(lián)電路電流相等，有：，則得

利用示波器分別讀出電源電壓一定時的Uc和UR（實際測得是峰峰值電壓），已知電源頻率和電阻，就可求得C。實驗中取f＝1 k Hz，R＝10 kΩ，電容標稱值為C0＝0.01μF。實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 RC串聯(lián)電路穩(wěn)態(tài)法測電容實驗數(shù)據(jù)

直接求平均得C＝0.010 46μF

方法2：利用RC串聯(lián)電路暫態(tài)法測電容，電路如圖2所示。

圖2 RC串聯(lián)電路暫態(tài)法測電容

原理：RC串聯(lián)電路輸入方波信號（相當于開關(guān)連續(xù)的通斷，即電路從一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)的變化 －暫態(tài)過程），放電過程中電容器兩端電壓為UC＝E exp（－t／RC），若t1時刻電壓為U，t2時刻電壓為，則兩邊取對數(shù)ln2＝，有

表2 RC串聯(lián)電路暫態(tài)法測電容實驗數(shù)據(jù)

直接求平均得C＝0.010 4μF

方法3：利用RC電路穩(wěn)態(tài)過程（電路圖如圖1）中，電路中電流uC與回路總電壓u之間位相差為Δφ＝arctan（ωCR），用示波器間接測出uC與之間 的 位 相 差 Δφ ＝則 可 算 出

利用示波器同時顯示兩路波形（共地），分別讀出電路取不同電阻時uC與u波形對應的時間間隔Δt，從而求出其相位差Δφ，就可求得C。實驗中取f＝4 k Hz，Upp＝5 V電容標稱值為C0＝0.01μF。實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 RC串聯(lián)電路相位法測電容實驗數(shù)據(jù)

直接求平均得C＝0.010 3μF

方法4：利用RC電路暫態(tài)過程（電路圖如圖2）中，電阻兩端電壓為uR＝E exp（－t／RC），則電容器的電流為取對數(shù)。此式表明，ln i與t之間滿足線C性關(guān)系。測量ln iC－t曲線，即可求出電容C的值。

利用示波器分別讀出電阻兩端電壓uR與時間t的對應值，進而求出iC與時間t的對應值，取對數(shù)得ln iC與t的對應關(guān)系，使用origin軟件線性擬合，求出直線的斜率，就可求得C。實驗中取f＝1 k Hz，R＝10 kΩ，電容標稱值為C0＝0.01μF。實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 RC串聯(lián)電路線性擬合法測電容實驗數(shù)據(jù)

圖3 RC串聯(lián)電路線性擬合法測電容

由直線斜率b＝－0.009 86，可得

2 結(jié) 論

通過示波器測電容的幾種方法對比發(fā)現(xiàn)，不論是穩(wěn)態(tài)法還是暫態(tài)法都簡單可行，百分比誤差控制在5%以內(nèi)。這幾種方法的測量誤差主要來源：一是來自測量者的偶然誤差，另一個是來自示波器，電阻箱的系統(tǒng)誤差。對同一測量者、同樣的儀器來說偶然誤差，系統(tǒng)誤差都一樣。第一種方法由于直接測量量是兩個電壓峰峰值，受示波器測量精度的影響，誤差最大。第二、第三種方法直接測量量都是時間差，但由于所選量程不同，測量誤差也不同。第四種方法誤差之所以較小，是因為使用了origin制圖軟件，用該軟件進行數(shù)據(jù)處理，具有簡單快捷，結(jié)果精度高，重現(xiàn)性好，圖形細致美觀等特點，所以數(shù)據(jù)處理方法顯得特別重要。把origin軟件引入大學物理實驗數(shù)據(jù)處理，不僅節(jié)省了大量的時間，激發(fā)了學生的學習興趣，而且培養(yǎng)了學生運用現(xiàn)代技術(shù)手段學習的能力，為將來科研工作奠定基礎(chǔ)［6］。

［1］朱昊.利用數(shù)字萬用表實現(xiàn)放電法測電容［J］.物理通報，2011（6）：63－64.

［2］郭秀芝，郭赫.討論交流電橋測電容的誤差計算方法［J］.大學物理實驗，2008（1）：82－84.

［3］宋克威.用惠斯通電橋測電容器的電容［J］.大學物理實驗，2001（4）：23－24.

［4］吳林濤，張軍朋.Origin8.0在物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應用［J］.大學物理實驗，2012（2）：61－63.

［5］繆興中.大學物理實驗教程［M］.北京：科學出版社，2006.

［6］樂松.Origin軟件在近代物理實驗數(shù)據(jù)處理中的應用［J］.大學物理實驗，2011（6）.