电容ESR表（二） 电容ESR表的设计、制作、调试

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1~7mA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1Ω，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10Ω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电源下实测静态电流为250μA（原厂即ST公司的TL062实测值，TI公司的则为300μA）。

图18 测试驱动器的试验

二、衰减器与测试驱动器

这部分的电路相当简单，其中衰减器一装就成。但是测试驱动器的设计调试并非那么容易，笔者先后面临三个需要解决的问题。

一是运放IC的电流输出能力问题。运放IC内部均设有输出限流保护电路，通用型运放仅保证毫安级的最大输出电流。此表测量时驱动器最大输出电流达到12mApp左右，所用运放能不能符合要求，还是未知数。正因为如此，笔者动手搭焊电路后，第一项试验就围绕它来开展。把常用的运放IC装到电路中（如图18的同相驱动器），接10Ω负载，输入由低频信号发生器产生的合适正弦信号，用示波器进行监测。经试验，TL062、TL072、TL082在输出高于10mApp时有明显失真，达到20mApp就进入限幅，即不能再增长。 CA3240只测了12mApp时的输出情况，波形负半周削波十分严重。LM358直至输出20mApp才见到明显失真，此时已进入限幅。LF412、 LF353的表现与LM358相近。这说明，前4种IC均不能采用，后3种可以过关（后来又增加NE5532、AD827）。笔者留意到，限流保护电路表现良好的后3种IC均为NS公司的设计，想起该公司新一代音频功放IC中的Spike保护电路如此著名，方意识到这方面原来是有传统的。

二是输出阻抗问题。如果不够低，就会令ESR表测量信号源的内阻变得过大，达不到原设计要求，从而影响测量精度。试验时，电路、仪器的连接与检查最大输出电流时相同。采用1.3Vpp的100kHz正弦波作测试信号，通过接入与不接入10Ω负载，观察输出波形的幅度变化，以此判断输出阻抗符合要求与否。实际上，这项测试还检验了运放的大电流输出能力。试验证明，GBW（增益带宽乘积）越大的运放IC，在这里的表现确实越好，与理论相吻合。LM358、 MC1458、TL062根本不行，LF412、LF353、TL072、TL082、CA3240表现尚可，NE5532、AD827表现较佳。

三是表笔的长引线导致运放自激问题。这种自激不是国外称之为“奈奎斯特振荡”的大环路自激，而是产生自输出级，实质还是长引线的电容效应引起。运放内部的输出级为多级射极跟随器（或类似结构），带电容负载容易出现本级振荡，关于这一机理的解释，国内编写的资料似乎从未出现。感兴趣的读者可参看日本黑田彻的《晶体管电路设计与制作》译本。笔者试验发现，几乎所有型号的运放都有这一自激问题潜在。输出端接示波器的X10探头时（相当于接上具有屏蔽引线的表笔），有的运放（如LM358）自激严重，有的运放（如LF412）有时候能观察到自激发生，有时候又一直不出现。为保证ESR表能可靠使用，需彻底根治。笔者几经思考，“发明”了图17中的R7这一电阻。只要R7达到22Ω，试验的运放都不出问题。R7的存在会导致驱动器输出阻抗稍升高，但为稳妥起见，笔者最后还是取较高值的47Ω。

笔者还试验了图18中的反相驱动器电路，表明其特性与同相驱动器没有本质的区别。须注意的是，图18中的两种驱动器电路均带有电压衰减功能。反相驱动器电路的衰减比率为10:1，不同于同相驱动器电路的11:1。

                      表1 换用不同运放IC时的正弦波振荡器输出

     IC型号    TL062    LM358    MC1458    LF353    LF412    NE5532    AD827
      频率     100kHz   90kHz     95kHz    130kHz   130kHz   150kHz    150 kHz
      振幅    245mVpp   225mVpp   200mVpp  280mVpp   275mVpp  300mVpp   300mVpp

                           表2 常用双运放的频响和功耗参数

     IC型号      TL062  TL072  LM358  MC1458  CA3240  LF353  LF412  NE5532  AD827
     GBW(MHz)      1      3      1      1      4.5      4      4      9      75
   静态电流（mA） 0.25*   2.8   0.6*    2.3      8      4.3*   3.6*    7*     10*