专利名称：电容容差性故障检测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电容故障检测仪。
背景技术：
电容作为电子系统中广泛使用的元器件，易发生容差性故障，目前电容的检测仅 依赖于万用表，定性地测量电容是否有漏电、内部短路或是击穿现象，只能粗略地估计电容 容量，对电容故障检测缺乏有效的手段和相关产品。

发明内容
为了克服目前无法有效检测容差性电容故障，提供一种电容容差性故障检测仪。
本发明是通过下述方案予以实现的电容容差性故障检测仪，它包括测试信号发
生电路、低通滤波电路、测试响应处理电路、测试控制电路和故障显示电路，测试信号发生
电路包括测试激励电路和信号调整电路，测试控制电路的控制信号输出端与测试激励电路
的控制信号输入端相连，测试激励电路的信号输出端与信号调整电路的信号输入端相连，
低通滤波电路包括电阻Rl、电阻R2、一号集成运算放大器和反馈电阻Rf ，电阻Rl的一端与
信号调整电路的信号输出端连接，电阻R1的另一端与一号集成运算放大器的同相输入端
连接，电阻R2的一端接地，电阻R2的另一端、反馈电阻Rf的一端分别与一号集成运算放
大器的反相输入端连接，反馈电阻Rf的另一端连接一号集成运算放大器的输出端， 一号集
成运算放大器的正电源输入管脚接正电压，一号集成运算放大器的负电源输入管脚接负电
压，一号集成运算放大器的输出端与测试响应处理电路的信号输入端连接，测试响应处理
电路的监控信号输出端与测试控制电路的监控信号输入端连接，测试响应处理电路的信号
输出端与故障显示电路的信号输入端连接，测试控制电路的控制显示输出端与故障显示电
路的控制输入端连接。 应用本发明对待测电容Cl进行检测，将待测电容Cl引入到本发明所述的电路，待 测电容Cl的一端与低通滤波电路中的一号集成运算放大器的同相输入端连接，待测电容 Cl的另一端接地，对低通滤波电路的信号输入端输入某固定频率的测试激励信号，电容正 常情况与电容发生故障时相比，滤波器对输入的测试激励信号幅值的衰减情况是不同的， 通过检测其输出信号幅值的衰减程度来判断待测电容C1是否存在故障。本发明能够对电 容容差性故障进行有效的检测，能够检测出电容发生容差变化大于10%的情况，具有电容 容差性故障检测准确、简单实用、便于携带、使用方便和利于推广等优势。


图1是具体实施方式
一中所述的电容容差性故障诊断仪示意图；图2是测试响应 处理电路示意图；图3是不同电容值下滤波器的稳态输出，其中，带"口"的波形是在电容值 为标称值的1. 2倍时测试信号经过低通滤波电路滤波后的稳态输出波形，带"+ "的波形是 在电容值为标称值时测试信号经过低通滤波电路滤波后的稳态输出波形，带"O"的波形是在电容值为标称值的0. 8倍时测试信号经过低通滤波电路滤波后的稳态输出波形，带"O" 的波形是测试信号的波形；图4是不同电容值下输出量去除直流分量的波形图，其中，带 "口"的波形是在电容值为标称值的1. 2倍时对输入信号进行去除直流分量后的稳态输出波 形，带"+ "的波形是在电容值为标称值时对输入信号进行去除直流分量后的稳态输出波形， 带"O"的波形是在电容值为标称值的0. 8倍时对输入信号进行去除直流分量后的稳态输 出波形，带"O"的波形是测试信号的波形；图5是不同电容值下二极管检波后的输出波形， 其中，带"口"的波形是在电容值为标称值的1.2倍时对输入信号进行去除信号负半周后的 稳态输出波形，带"+ "的波形是在电容值为标称值时对输入信号进行去除信号负半周后的 稳态输出波形，带"O"的波形是在电容值为标称值的0. 8倍时对输入信号进行去除信号负 半周后的稳态输出波形，带"〇"的波形是测试信号的波形；图6是不同电容值下滤波后的 输出波形，其中，带"□"的波形是在电容值为标称值的1. 2倍时对输入信号进行滤波后的 稳态输出波形，带"+ "的波形是在电容值为标称值时对输入信号进行去滤波后的稳态输出 波形，带"O"的波形是在电容值为标称值的0. 8倍时对输入信号进行去滤波后的稳态输出 波形，带"O"的波形是测试信号的波形；图7是不同电容值下应的不同输出响应仿真曲线 图，其中，带"口"的波形是在电容值为标称值的1. 2倍时仿真输出端从0时刻起到稳态时
输出信号波形与电容的关系图，带"+"的波形是在电容值为标称值时仿真输出端从o时刻
起到稳态时输出信号波形与电容的关系图，带"O"的波形是在电容值为标称值的0. 8倍时 仿真输出端从0时刻起到稳态时输出信号波形与电容的关系图；图8是具体实施方式
五中 所述的电容容差性故障诊断仪示意图；图9是具体实施方式
六中所述的电容容差性故障诊 断仪示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一 下面结合图1、图3具体说明本实施方式。它包括测试信号发生 电路1 、低通滤波电路2、测试响应处理电路3、测试控制电路4和故障显示电路5，测试信号 发生电路1包括测试激励电路1-1和信号调整电路l-2，测试控制电路4的控制信号输出 端与测试激励电路1-1的控制信号输入端相连，测试激励电路1-1的信号输出端与信号调 整电路1-2的信号输入端相连，低通滤波电路2包括电阻R1、电阻R2、一号集成运算放大器 UlA和反馈电阻Rf，电阻R1的一端与信号调整电路1-2的信号输出端连接，电阻R1的另一 端与一号集成运算放大器U1A的同相输入端连接，电阻R2的一端接地，电阻R2的另一端、 反馈电阻Rf的一端分别与一号集成运算放大器U1A的反相输入端连接，反馈电阻Rf的另 一端连接一号集成运算放大器U1A的输出端，一号集成运算放大器U1A的正电源输入管脚 接正电压VCC， 一号集成运算放大器U1A的负电源输入管脚接负电压-VCC， 一号集成运算放 大器U1A的输出端与测试响应处理电路3的信号输入端连接，测试响应处理电路3的监控 信号输出端与测试控制电路4的监控信号输入端连接，测试响应处理电路3的信号输出端 与故障显示电路5的信号输入端连接，测试控制电路4的控制显示输出端与故障显示电路 5的控制输入端连接。 本实施方式中所述的电容容差性故障检测仪测试原理如下( — )将待测电容C1引入到本发明所述的电路，待测电容C1的一端与低通滤波电 路2中的一号集成运算放大器U1A的同相输入端连接，待测电容C1的另一端接地；
( 二 )测试控制电路4中微控制器控制测试信号发生电路1产生一定频率的测试 激励信号；(三)测试激励信号通过低通滤波电路2过滤掉高频分量，只允许直流分量和基波 分量通过；(四)滤波后的测试激励信号通过测试响应处理电路3，对测试信号进行隔直、放 大、整形、滤波处理；(五)波形调整后的信号与标准电容输出信号进行比对，将故障诊断结果显示在 故障显示电路5上。 本实施方式所述的故障显示电路5，可以采用数码显示管来实现，测试控制电路4 中微控制器检测到待测电容C1超出电容预定范围，通过数码显示管显示电容故障类型。
本实施方式所述的故障显示电路5，也可以采用带指示灯的电路来实现，测试控制 电路4中微控制器检测到待测电容Cl超出电容预定范围值，通过指示灯的闪烁次数和闪烁 频率来显示电容的故障类型； 本实施方式所述的故障显示电路5，也可以采用带蜂鸣器的电路来实现，测试控制 电路4中微控制器检测到待测电容Cl超出电容预定范围值，通过蜂鸣器的鸣叫次数和鸣叫 频率来显示电容的故障类型。 本实施方式所述的的低通滤波电路2中一号集成运算放大器U1A的型号是LF347。
RC滤波电路中，滤波器的通带截止频率为
, 1 /H =- 由上式可以看出，电容值可以用滤波器的截止频率来映射。对滤波器输入固定频 率的测试激励信号，电容正常情况与电容发生故障时相比，滤波器对输入的测试激励信号 幅值的衰减程度是不同的，通过检测其输出信号幅值的衰减幅度来判断待测电容C1是否 存在故障。 低通滤波电路2中含有一个一号集成运算放大器U1A，一号集成运算放大器U1A 根据电阻R2和反馈电阻Rf阻值的不同选择，对信号有不同的放大倍数，能够提高电路的增 益，由于一号集成运算放大器U1A的输出电阻阻值很低，一号集成运算放大器U1A的应用增 强了电路的带负载能力。同时， 一号集成运算放大器U1A将负载与RC滤波网络隔离，加之 一号集成运算放大器U1A的输入电阻很高，所以， 一号集成运算放大器U1A本身以及负载对 RC网络的影响很小。
具体实施方式
二 下面结合图1、图3具体说明本实施方式。本实施方式与具体实 施方式一的不同点是，本实施方式所述的测试信号发生电路1产生高电平为5V、低电平为 0V、频率可调范围为1Hz到20kHz的方波信号。 任意周期性波形f(t)根据傅立叶变换，都可视为一系列正弦波的叠加。傅立叶变 换的公式为/(0 - 2 + X！ (a" cos廳+ 6 sin爐) 2 "
n=l
2;r 其中必=
6
2 —
2 r
7
("=1,2，3，L );
9
6"=—卩r /O) sin柳^fr (" = 1， 2， 3,L ) 本实施方式中，根据待测电容CI的取值，测试激励电路1-1由测试控制电路4中
微控制器控制，产生高电平为5V、低电平为OV、频率为500Hz的方波，所述的方波根据傅立
叶变换公式，等价为
/(f) = A — — sin(1000;rf) — ^sin(3000;rf) — "^sin(50007rf) — ^-sin(7000;rf) -L
2 ;r
5 2 f sin
3;r
5;r
7;r
;r(2"-
:上叠加了不同频率的交流分量。其中交流 …-，等。其中，高阶谐波对输出幅值的影响 t，因此，方波可简化为直流分量和基波分量
' 2w-l 从上式可以看出，方波可视为直流分〗 分量的基波为500Hz，谐波次数依次为3， 5， 7， 很小，对输出影响较大的是直流分量和基波分』 的叠加，低通滤波电路2将输入的方波中的高频分量滤掉，只允许直流分量和基波分量通 过。 测试信号发生电路1中测试激励电路1-1也可以采用矩形波发生电路、P丽波信 号发生电路、DDS信号发生电路或是混沌算法测试图形生成电路实现。
具体实施方式
三下面结合图2、图4、图5、图6和图7具体说明本实施方式。本 实施方式与具体实施方式
一的不同点是，本实施方式所述的测试响应处理电路3由隔直电 路、第一放大电路、整形电路、滤波电路、跟随器电路、第二放大电路和第三放大电路组成， 其中， 隔直电路由带极性的电容C2组成，带极性的电容C2的正极与一号集成运算放大 器U1A的输出端连接， 第一放大电路由电阻R3、电阻R4、反馈电阻R5和二号集成运算放大器U2A组成， 电阻R4的一端与带极性的电容C2的负极连接，电阻R4的另一端、电阻R5的一端分别与二 号集成运算放大器U2A的反相输入端相连接，电阻R5的另一端与二号集成运算放大器U2A 的输出端相连接，电阻R3的一端与二号集成运算放大器U2A的同相输入端相连接，电阻R3 的另一端接地，二号集成运算放大器U2A的正电源输入管脚接正电压VCC，二号集成运算放 大器U2A的负电源输入管脚接负电压-VCC， 整形电路由二极管D1组成，二极管D1正向输入端与二号集成运算放大器U2A的 输出端连接， 滤波电路由电阻R6和带极性的电容C3组成，电阻R6的一端分别与二极管Dl的 输出端、带极性的电容C3的正极连接，电阻R6的另一端与带极性的电阻C3的负极共同接 地，
7
跟随器电路由三号集成运算放大器U3A组成，三号集成运算放大器U3A的同相输 入端与带极性的电容C3的正极连接，三号集成运算放大器U3A的反相输入端与三号集成运 算放大器U3A的输出端相连， 第二放大电路由电阻R7、可调电阻R8和四号集成运算放大器U4A组成，电阻R7的 一端与三号集成运算放大器U3A的输出端连接，电阻R7的另一端、可调电阻R8的一端分别 与四号集成运算放大器U4A的反相输入端相连接，可调电阻R8的另一端与四号集成运算放 大器U4A的输出端相连接，四号集成运算放大器U4A的同相输入端接地，四号集成运算放大 器U4A的正电源输入管脚接正电压VCC，四号集成运算放大器U4A的负电源输入管脚接负电
压-vcc， 第三放大电路由电阻R9、电阻R10和五号集成运算放大器U5A组成，电阻R9的一 端与四号集成运算放大器U4A的输出端连接，电阻R9的另一端、电阻R10的一端分别与五 号集成运算放大器U5A的反相输入端相连接，电阻R10的另一端与五号集成运算放大器U5A 的输出端相连接，五号集成运算放大器U5A的同相输入端接地，五号集成运算放大器U5A的 正电源输入管脚接正电压VCC，五号集成运算放大器U5A的负电源输入管脚接负电压-VCC。
本实施方式所述的测试响应处理电路3中二号集成运算放大器U2A的型号是 LF347，三号、四号及五号集成运算放大器的型号是TL084。 图4是经过带极性的电容C2后去除直流分量的波形图，从图中可看出交流信号输 出响应的幅值跟待测电容C1的大小有关，当待测电容C1发生改变，交流分量的幅值发生变 化； 图6是经过电容C3滤波后的输出波形，从图中可明显的看出不同的电容值，输出 的直流量不同； 图7是仿真输出端从0时刻起到稳态时输出信号波形与电容的关系图，从图中可 以清楚的分辨出不同电容值的。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一的不同点是，本实施方式所述的 测试控制电路4以C8051系列单片机为微控制器的核心芯片。
具体实施方式
五下面结合图8具体说明本实施方式。本实施方式与具体实施方 式一的不同点是，低通滤波电路2中还包括第一模拟开关电路2-l，测试控制电路4中微控 制器的控制信号输出端与第一模拟开关电路2-1的受控信号输入端相连，第一模拟开关电 路2-l的一个输出端接地，第一模拟开关电路2-l的另一个输出端与低通滤波器2中一号 集成运算放大器U1A的同相输入端连接。 第一模拟开关电路2-1由模拟开关芯片CD4053实现， 待测电容C1两端分别与第一模拟开关电路2-1的两个输入端连接，第一模拟开关 电路2-1将待测电容Cl弓I入到电路中，无须将电容从原先的电路中拆下来而能进行直接检 测，具有方便实用的优势。
具体实施方式
六下面结合图2、图9具体说明本实施方式。本实施方式与具体 实施方式一或具体实施方式
五的不同点是，测试信号发生电路1还包括第二模拟开关电路 1-3和第三模拟开关电路l-4，第二模拟开关电路1-3由一组单刀八掷模拟开关组成，第三 模拟开关电路1-4由两组单刀双掷模拟开关组成，测试控制电路4中微控制器的两个控制 信号输出端分别与第二模拟开关电路l-3、第三模拟开关电路1-4的受控信号输入端相连，
8测试激励电路1-1的八个信号输出端分别与第二模拟开关电路1-3的八个静端相连，第二 模拟开关电路1-3的动端与信号调整电路1-2的信号输入端相连，信号调整电路1-2的信 号输出端及第二模拟电路1-3的信号输出端分别与第三模拟开关电路1-4中一号单刀双掷 模拟开关的两个静端相连，一号单刀双掷模拟开关的动端与低通滤波电路2相连，测试响 应处理电路3中三号集成运算放大器U3A的输出端及五号集成运算放大器U5A的输出端分 别与第三模拟开关电路1-4中二号单刀双掷模拟开关的两个静端相连，二号单刀双掷模拟 开关的动端与测试控制电路4的监控信号输入端相连。
第二模拟开关电路1-3由模拟开关芯片CD4051实现， 芯片CD4051的使用，使测试控制电路4能够根据电路的实际需要选择合适的测试
激励，电容容差性故障检测仪适用范围广泛； 第三模拟开关电路1-4由模拟开关芯片CD4053实现， 芯片CD4053的使用，使测试控制电路4能够实现对测试响应处理电路3的响应读 取控制。
权利要求
电容容差性故障检测仪，它包括测试信号发生电路(1)、低通滤波电路(2)、测试响应处理电路(3)、测试控制电路(4)和故障显示电路(5)，测试信号发生电路(1)包括测试激励电路(1-1)和信号调整电路(1-2)，测试控制电路(4)的控制信号输出端与测试激励电路(1-1)的控制信号输入端相连，测试激励电路(1-1)的信号输出端与信号调整电路(1-2)的信号输入端相连，低通滤波电路(2)包括电阻R1、电阻R2、一号集成运算放大器(U1A)和反馈电阻Rf，电阻R1的一端与信号调整电路(1-2)的信号输出端连接，电阻R1的另一端与一号集成运算放大器(U1A)的同相输入端连接，电阻R2的一端接地，电阻R2的另一端、反馈电阻Rf的一端分别与一号集成运算放大器(U1A)的反相输入端连接，反馈电阻Rf的另一端连接一号集成运算放大器(U1A)的输出端，一号集成运算放大器(U1A)的正电源输入管脚接正电压(VCC)，一号集成运算放大器(U1A)的负电源输入管脚接负电压(-VCC)，一号集成运算放大器(U1A)的输出端与测试响应处理电路(3)的信号输入端连接，测试响应处理电路(3)的监控信号输出端与测试控制电路(4)的监控信号输入端连接，测试响应处理电路(3)的信号输出端与故障显示电路(5)的信号输入端连接，测试控制电路(4)的控制显示输出端与故障显示电路(5)的控制输入端连接。
2. 根据权利要求1所述的电容容差性故障检测仪，其特征在于所述的测试信号发生电 路(1)产生高电平为5V、低电平为0V、频率可调范围为1Hz到20kHz的方波信号。
3. 根据权利要求1所述的电容容差性故障检测仪，其特征在于所述的测试响应处理电 路(3)由隔直电路、第一放大电路、整形电路、滤波电路、跟随器电路、第二放大电路和第三 放大电路组成，其中，隔直电路由带极性的电容C2组成，带极性的电容C2的正极与一号集成运算放大器 (U1A)的输出端连接，第一放大电路由电阻R3、电阻R4、反馈电阻R5和二号集成运算放大器(U2A)组成，电 阻R4的一端与带极性的电容C2的负极连接，电阻R4的另一端、电阻R5的一端分别与二 号集成运算放大器(U2A)的反相输入端相连接，电阻R5的另一端与二号集成运算放大器 (U2A)的输出端相连接，电阻R3的一端与二号集成运算放大器(U2A)的同相输入端相连接， 电阻R3的另一端接地，二号集成运算放大器(U2A)的正电源输入管脚接正电压(VCC) ，二号 集成运算放大器(U2A)的负电源输入管脚接负电压(-VCC)，整形电路由二极管(Dl)组成，二极管(Dl)正向输入端与二号集成运算放大器(U2A) 的输出端连接，滤波电路由电阻R6和带极性的电容C3组成，电阻R6的一端分别与二极管(Dl)的输 出端、带极性的电容C3的正极连接，电阻R6的另一端与带极性的电阻C3的负极共同接地，跟随器电路由三号集成运算放大器(U3A)组成，三号集成运算放大器(U3A)的同相输 入端与带极性的电容C3的正极连接，三号集成运算放大器(U3A)的反相输入端与三号集成 运算放大器(U3A)的输出端相连，三号集成运算放大器(U3A)的正电源输入管脚接正电压 (VCC)，三号集成运算放大器(U3A)的负电源输入管脚接负电压(-VCC)，第二放大电路由电阻R7、可调电阻R8和四号集成运算放大器(U4A)组成，电阻R7的一 端与三号集成运算放大器(U3A)的输出端连接，电阻R7的另一端、可调电阻R8的一端分别 与四号集成运算放大器(U4A)的反相输入端相连接，可调电阻R8的另一端与四号集成运算 放大器(U4A)的输出端相连接，四号集成运算放大器(U4A)的同相输入端接地，四号集成运算放大器(U4A)的正电源输入管脚接正电压(VCC)，四号集成运算放大器(U4A)的负电源输入管脚接负电压(-vcc)，第三放大电路由电阻R9、电阻R10和五号集成运算放大器(U5A)组成，电阻R9的一端 与四号集成运算放大器(U4A)的输出端连接，电阻R9的另一端、电阻R10的一端分别与五 号集成运算放大器(U5A)的反相输入端相连接，电阻RIO的另一端与五号集成运算放大器 (U5A)的输出端相连接，五号集成运算放大器(U5A)的同相输入端接地，五号集成运算放大 器(U5A)的正电源输入管脚接正电压(VCC)，五号集成运算放大器(U5A)的负电源输入管脚接负电压(-vcc)。
4. 根据权利要求l所述的电容容差性故障检测仪，其特征在于测试控制电路(4)以 C8051系列单片机为微控制器的核心芯片。
5. 根据权利要求l所述的电容容差性故障检测仪，其特征在于低通滤波电路(2)中还 包括第一模拟开关电路(2-l)，测试控制电路(4)中微控制器的控制信号输出端与第一模 拟开关电路(2-1)的受控信号输入端相连，第一模拟开关电路(2-1)的一个输出端接地，第 一模拟开关电路(2-1)的另一个输出端与低通滤波器(2)中一号集成运算放大器(U1A)的 同相输入端连接。
6. 根据权利要求1或5所述的电容容差性故障检测仪，其特征在于测试信号发生电路 (1)还包括第二模拟开关电路(1-3)和第三模拟开关电路(l-4)，第二模拟开关电路(1-3) 由一组单刀八掷模拟开关组成，第三模拟开关电路(1-4)由两组单刀双掷模拟开关组成， 测试控制电路(4)中微控制器的两个控制信号输出端分别与第二模拟开关电路(1-3)、第 三模拟开关电路(1-4)的受控信号输入端相连，测试激励电路(1-1)的八个信号输出端分 别与第二模拟开关电路(1-3)的八个静端相连，第二模拟开关电路(1-3)的动端与信号调 整电路(1-2)的信号输入端相连，信号调整电路(1-2)的信号输出端及第二模拟电路(1-3) 的信号输出端分别与第三模拟开关电路(1-4)中一号单刀双掷模拟开关的两个静端相连， 一号单刀双掷模拟开关的动端与低通滤波电路(2)相连，测试响应处理电路(3)中三号集 成运算放大器(U3A)的输出端及五号集成运算放大器(U5A)的输出端分别与第三模拟开关 电路(1-4)中二号单刀双掷模拟开关的两个静端相连，二号单刀双掷模拟开关的动端与测 试控制电路(4)的监控信号输入端相连。
全文摘要
电容容差性故障检测仪，具体涉及一种电容故障检测仪，解决了现有电容检测技术中无法有效检测容差性电容故障的缺陷，它包括测试信号发生电路、低通滤波电路、测试响应处理电路、测试控制电路和故障显示电路，测试控制电路的控制输出端与测试信号发生电路的控制信号输入端相连，测试信号发生电路的信号输出端与低通滤波电路的信号输入端连接，低通滤波电路的信号输出端与测试响应处理电路的信号输入端连接，测试响应处理电路的信号输出端与测试控制电路的信号输入端连接，测试响应处理电路的信号输出端与故障显示电路的信号输入连接。应用本发明能对电容容差性故障进行有效的检测，能够检测电容发生容差变化大于10％的情况。本发明用于电容故障检测。
文档编号G01R31/00GK101776721SQ201010108899
公开日2010年7月14日 申请日期2010年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者刘思久, 孙超, 朱敏, 李伟亮, 杨春玲 申请人:哈尔滨工业大学