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1、电容ESR表的设计制作1电容ESR表的特点 可能不少人都没听说过这种表。笔者以前也仅知道，专业仪器的LCR电桥可以测量电容的ESR。何为ESR？测量电容的ESR有什么用？相信很多读者心中会有这样的疑问。为此，先进行简单的背景知识介绍。一、背景知识介绍1.电容的ESR ESR是英语Equivalent Series Resistance的缩写，意为等效串联电阻。自身不会产生任何能量损耗的完美电容只存在于理论，实际的电容总是存在着一些缺陷。这个损耗，在外部的表现就像一个电阻跟电容串联在一起。另一方面，由于引线、卷绕等物理结构因素，电容内部还存在着电感成分。因此，实际电容的等效模型可以表示为图1所示
2、的模式。其中电容C为理想电容，R为等效串联电阻，即ESR，L为等效串联电感，即ESL。引入ESR和ESL，使得模型更接近于电容在电路中的实际表现。 图1 实际电容的等效模型 图2 实际电容与理想电容的差别。斜直线为理想电容的阻抗曲线，呈V字形的是实际电容的阻抗曲线。 图3 不同容量电容的阻抗特性曲线 ESR的存在，令电容的行为表现背离其原来的定义。比如说，理论上“电容两端的电压不能突变”，但实际上，ESR上会产生一定的压降，与突然施加的电流大小有关，令电容不再遵循理论规律。又如，电容会因ESR上的功耗而产生内部发热。笔者曾将两只早期生产的10F/ 16V高ESR电解电容，正常地接到微型计算机开
3、关电源的5V输出两端。由于此处高频脉动电压较大，电容内部损耗产生的热量加热内部气体，发出“吱吱”之声，竟在几秒内导致电容炸开，前后两次均是如此。 图2、图3显示了电容的实际阻抗特性。由于ESR以及ESL带来的影响，当频率上升到一定程度，即到了高频区，电容的阻抗不再遵从理论上的规律随频率的升高而降低。在图2中的低频段，电容的容抗在起主要作用，基本上还遵从理想电容的规律。在中间频率段，本应是ESL与C共同谐振而呈现阻抗深谷，但有ESR的存在，改变了曲线的走向，换言之，ESR在这里起主要作用。在高频区，则是ESL在起主要作用。 图4 不同材质电容随频率变化的ESR曲线。图中方框（顺序为光左右、后上下
4、）列出了所测电容的品种和规格，200/6表示200F/6V，以此类推。第1、2、4种为不同的钽电解电容，其中第1种为聚合物固态钽电解电容。第2种为较常见的二氧化锰固态钽电解电容，第4种为多层结构的二氧化锰固态钽电解电容。第3种为二氧化锰固态铌电解电容。第5种为MLCC即多层陶瓷电容，两只100F/4V并联。第6种为低ESR铝电解电容。 图5普通电解电容与低ESR电解电容的ESR曲线。上方曲线显示，普通电解电容在较大的频率范围内其ESR值变化并不大。 电容ESR的大小跟电容的制造有关。材质不同，ESR有区别。材质相同，则容量越大，ESR越小，约跟容量的开方成反比。同一品种的电容，耐压越高，ESR
5、往往更低。就材质而言，电解电容的ESR明显高于薄膜电容。在电解电容中，铝电解电容的ESR又高于钽电解电容。在薄膜电容中，聚丙烯、聚苯乙烯等材料的电容ESR较小。一个对比例子是，1F聚丙烯电容的ESR为10m，而容量达1000F的铝电解电容，其ESR为0.1。2.电容ESR表 电容ESR表是专用于检测电容ESR值的仪表。这种仪表向被测电容注入测试信号，通过检测电路中的电量变化，作出相应的变换后，以数字显示屏或指针表头作为终端，将被测电容的ESR值显示出来。 因电容本身有隔直作用，所以在测量时，电容ESR表必须要使用交流形式的测试信号。这一点与常见万用表测量电阻有显著的区别。从另一个角度看，电容E
6、SR表测量的是“交流”电阻，万用表测量的是直流电阻。 与万用表一样，电容ESR表可以做成数字式，也可以做成模拟式。对于模拟式电容ESR表来说，使用指针表头作指示，因此，其电路最终需以直流电流形式来进行驱动。对于数字式电容ESR表来说，由于现在市场上有大量廉价的数字万用表专用A/D芯片（如ICL7106）供应，利用这些专用芯片来进行设计制作是较为直观可行的方法。A/D芯片输入的是直流电压，所以，数字式ESR表测量部分的电路有别于模拟式ESR表。此外，数字式电容ESR表还可以用微处理器（MCU）作为核心来实现，凭借其强大功能取代数字万用表专用A/D芯片，设计上更加灵活，电路形式上也迥异于前述两种。
7、本文中笔者设计制作的电容ESR表属于模拟式（指针式）。3.国外自制情况 通过网上信息了解到，电容ESR表明显并不是仪器仪表大厂的正式产品估计与LCR电桥已集成了它的功能有密切关系。目前，国内还没有电容ESR表的生产销售。在国外，电容ESR表主要流行于业余电子爱好者中，虽然已有微型公司或个人提供一些套件和成品的销售，但未成大气候，仍是以爱好者自制为主要形式。笔者曾用“ESR Meter Schematic”（即“ESR表 电路图”）作为关键词在网上搜索，可以找到很多介绍个人自制电容ESR表的网页，有美国、德国、意大利、俄罗斯等国家网友的作品或资料，看都看不过来。 图6 国外以套件或成品推出的电容
8、ESR表。仪表面板所印的表格是用于帮助判断电解电容的好坏。最后一种（图中该表斜放置）有别于一般的指针表和数字表形式，是利用LED来指示ESR值所在区间，电路则使用MCU，可谓是数字式与模拟式的混合体。二、电容ESR表的独到之处 电容ESR表的作用，用一句话概括，就是用于测量电容ESR值，凭此判断电容（主要是电解电容）的好与坏、正常与否。其功能虽然单一，但实用性很强，对检修电子设备带来莫大的帮助。众所周知，电解电容是电子设备中故障率最高、寿命和可靠性最差的元件之一，而电解电容的寿命在很多时候决定了设备的使用寿命。长久以来，广大电子爱好者普遍缺乏一种有效判别电解电容好坏的检测工具。电容ESR表的出
9、现，正好可以填补这一空白。 图7 国外网友自制的指针式电容ESR表。其中，右边的表以ESR值标示刻度，左边的表以电容好坏（good与bad）来标示刻度。 由于设计上的特殊性，电容ESR表具备了如下独到之处：1.鉴别电解电容好坏，判断准确率高 从前面的介绍可以知道，ESR是直指电容性能缺陷的参数。无论是电解电容漏液、干涸这类常见问题，还是电解液失去活性这种隐蔽问题，都可以通过电容ESR表检测出来。套用外国一位制作者的话说：可以找出95%以上有问题的电解电容。他没说100%，背后一个重要原因是，电容ESR表（非特殊设计的）不能检出电容两接点之间存在的短路性故障。幸好，电容出现这种短路性故障的概率，
10、远低于电容自身失效的概率。纵使电容出现短路性故障、又或者与其并联的器件出现短路性故障，电路的外在表现将十分明显，容易被普通万用表检查出来。比如，电容两端的电压、直流电阻远低于正常值。 图8 LCR电桥照片（非按同一比例拍摄）。后两种为台式，实物比前两种的手持式大得多。2.可在路测量，无需将元件拆下，大幅提升检测效率 笔者所称的“在路测量”，是指不将元件从电路板上拆下、又不通电时对元件进行的检测。不少人都知道，常见的二极管、三极管、电阻等分立元件可以用万用表进行在路检测，找出故障元件的成功率还颇高。而电容却不行，因为需要交流信号驱动，万用表对此无能为力。由于电子设备普遍都要使用电解电容，有些设备
11、的使用量甚至超过一百只。在路测量所带来的方便性，使得检修者能够从容应对，大大减轻了工作量，个中意义殊为重要。3.体积小、重量轻、耗电省，携带方便，使用简单灵活 电容ESR表用电池供电，可做成便携式，打开电源开关即可使用，无需繁琐的设置。LCR电桥虽已具备了电容ESR表的功能，但是售价高，测试频率最高仅1kHz的低档国产LCR电桥售价也要超过千元，让囊中羞涩的爱好者望而却步。LCR电桥大多属于台式仪器，体积大、重量重，而且需外接市电才能工作，使用时拖着一条尾巴，让人觉得处处不便。而手持式LCR电桥的测试电平一般是固定的，典型值为0.3Vrms（即848mVpp）。这样的电平，已达到很多半导体器件
12、的导通阀值，导致在路测量的部分结果变得不可靠。4.电路和构造比较简单，成本低，容易普及，便于爱好者自制 这种表制作难度不高，有动手能力的爱好者，都可以独自完成。笔者的电容ESR表，是利用原来闲置的MF500指针万用表进行制作，扣除设计修改和调试时间后，实际制作时间不足一天。材料方面，除原有的MF500表外，都是利用手头常备的元器件，最值钱的是一只1F/400V MKP电容，其余的不值一提。装在电路板上的新购元件，仅运放IC两块，花费共人民币5元。三、电容ESR表的威力 过去我们检修电器，检查电解电容多依靠简陋而带有严重缺陷的方法。 一是进行外观检查，看看电容周围有没有漏液或外壳鼓包开裂。但是，
13、除电解液干涸的电容外，有些漏液的电容还由于被本身及周围元件所遮挡，不拆下来作检查，往往成为漏网之鱼。在笔者制作电容ESR表之前，曾检修一台不能正常工作的美国Metcal公司早期生产的PS2V焊台，通过外观检查没有发现任何电解电容有异常，一时之间也找不出故障点。因缺少图纸，后费了很大精力跟踪电路故障，最后追踪到焊咀检测电路，怀疑为其供电的辅助电源出问题。最后才下决心拆下这组电源中外观完好的1000F/50V电解电容来检查，发现其底部已有漏液痕迹，测量确认已失去大部分容量，更换后即恢复正常。 二是将电容拆下来，用指针表或电容表检测其容量。但是，“拆时容易装回难”，装回去还需预先清理焊盘过孔，这种方
14、法甚费功夫。因此，检修者多是在有理由怀疑的情况下才选择采用这种方法。纵然如此，仍是有可能漏掉出问题的电容，因为某些电路位置对电容的品质要求甚高，电容没有失容，不等于没有问题。经常维修的笔者好友就曾多次遇到这样的事情，富有经验的维修者会根据电路情况采用代换法。 三是代换法，用好的电容换掉有疑问的电容。这种方法基本可解决前一种的遗漏问题，但这也是无可奈何的做法。不仅拆装麻烦，而且需要提前备有同样规格的电容，很多时候检修者并无这样的准备。万一预判有误，同样像前一种方法那样白花了时间和精力。有了电容ESR表，不用拆下电容，只要断开电器的供电，就可以直接用它进行测量。检测电解电容，变成了一件轻松的事情。
15、笔者自从制作成功后，因为没有了拆装电解电容这一麻烦事的困扰，凡是稍有怀疑的，就立即将电路板上的所有电解电容（还包括部分非电解电容）检测一遍。虽然命中率很低，但所费时间也很少，不会构成负担，能给检修成功提供保障。就上面所述Metcal的PS2V焊台维修一事来说，若有电容ESR表相助，完全可以在前期的检查中找到故障元件，不用再花大半天时间才解决问题。 作为电容ESR表的主要检测对象，电解电容出现在几乎所有电子设备中。尤其是电解电容在电源电路中扮演着重要的角色，电源一旦出现问题，将给整个电路带来全局性的影响，有时还会引发各种各样的奇怪症状，让人难以捉摸。为此，熟悉维修的人员都会慢慢养成先从电源开始追
16、踪检查电路故障的习惯。换一个角度看，这样的检修顺序确实符合电路运作的规律。如果使用电容ESR表，那么，在动用万用表之前，它就可以发挥前锋的作用。 随着时代的发展，采用开关电源供电的电子设备越来越多。与传统的工频电源相比，开关电源对电容的ESR特性要求也更高。因此可以推断，电容ESR表的用武之地将越来越广阔。 目前，二手电器市场交易日趋活跃。很多家庭，也包括电子爱好者，都已经拥有一些较旧的电器。部分人出于省钱、爱好、收藏或其他原因，还特意选购二手电器。这些电器已使用多年，故障发生率高，有时修好了旧故障，不久又出现新故障，需重新维修。主要原因是电器内部的元器件老化，电子设备中又以电解电容为甚。为恢
17、复生机，个别爱好者“宁可错杀三千，不可放过一个”，干脆将所有电解电容更换。这不失为一种比较稳妥的办法，但对于内部电路复杂的设备来说，从元件准备到拆焊，都十分消耗精力，论效益并不是很合算。如果有电容ESR表帮助检测，就可以有的放矢地进行电解电容的更换了。2 测量原理及国外典型电路分析 严格地说，电容ESR表应测量真正的ESR。由于这种测量需要避开电容容抗、内部的ESL等因素影响，难度比较高，电路将变得十分复杂。所以，电容ESR表一般都是测量电容的交流阻抗，以此作为电容的ESR值来读取。 指针式电容ESR表的测量原理1 图9 指针式万用表测量电阻的原理 图10 图11 指针式电容ESR表的测量原理
18、2图12 指针式电容ESR表的测量原理3一、指针式万用表测量直流电阻的原理在了解电容ESR表工作原理之前，先看看我们平时经常接触到的指针万用表是如何测量直流电阻的。 普通万用表的欧姆挡基本原理如图9所示。图中，Rs为整个表的内阻，Rx为被测电阻。M为表头，但这个表头不是实物上的表头，而是实物表头经过电流量程的扩展而得到的。V为直流电压源，实际为内部的电池。 V、Rs、Rx构成一个回路，根据欧姆定律得到公式：I=V/(Rs+Rx)。I为测量回路中流过的电流，也流过表头。显然，通过这个公式，I与Rx构成了一一对应的关系。指针表的表头实际为电流表，表针直接指示的是电流I，所以，所有指针式万用表都是遵
19、从这一公式的规律绘制欧姆刻度的。 从公式推导得到：当Rx=时，I=0；当Rx=0时，I为最大值，Imax=V/Rs。这与我们所知道的欧姆刻度是一致的：表针满幅的位置（即满幅电流Imax位置）标为0，表针起始的位置（即电流为0位置）标为无穷大，欧姆刻度的大小方向与电流挡（以及电压挡）刻度刚好相反。当Rx=Rs时，I为Imax的一半，因指针是指示电流，故指针指向刻度中央。所以，指针万用表的欧姆刻度中心值就是整个表（即测量电路）的内阻值！这对于所有欧姆挡位都成立。 欧姆挡位不同时，表头M有不同的电流量程。这是利用高灵敏度的实物表头，通过串、并电阻而扩展得到的。这一个电流量程的扩展是线性的，因此，可视
20、为一项线性的传递。也因为扩展是线性的，所以能保证在不同欧姆挡位下，使用同一张刻度纸仍有十分接近的测量精度。实际的万用表中，为迁就电池电压V的变化，各个欧姆挡位表头M的满幅电流值Imax是可以微调的，这由欧姆调零电位器来实现。但欧姆调零电位器的改变，设计时已注意不能令整个表的内阻产生变化，否则，读数就不准。这是因为，欧姆刻度是按固定的内阻来绘制的。二、电容ESR表的测量原理 根据指针万用表测量直流电阻的方法，容易得到如图10所示的指针表头用于测量电容ESR的概念电路。由于被测对象Rx是交流阻抗，因此，V为交流电压源，表头M为交流电流表， Rs为测量电路的交流内阻。测量回路中流过的电流随着Rx的变
21、化而变化，由这一电流驱动交流表头，以此指示被测交流阻抗值。 但是，常见的表头都是直流表头，即使能找到交流表头，也因灵敏度过低而不能使用。因此，图10所示的测量电路需改为图11的形式。在测量电路中，通过电阻R来检测测量回路中的电流，以电压形式输出此时由电阻R完成了I/V变换。经过AC/DC变换为直流电压，加到直流表头M同时由表头M的内阻完成V/I变换。这样，测量回路中流过的电流I被传递到了直流表头M，因此，直流表头M可指示出Rx的测量值。 图11中的AC/DC变换要靠二极管整流来实现。而我们设计的ESR表，因为要具备在路测量功能，不允许将测量电平设得过高而令二极管等半导体器件能够导通。这样，AC
22、/DC变换与在路测量这两者之间，就存在着矛盾。为解决这一矛盾，实际的电容ESR表需加入电压放大电路，如图12所示。 在测量回路中，流过的电流I仍遵从公式I=V/（Rs+Rx），其中，Rs为测量电路的内阻。对于这一概念电路，Rs等于检测电阻R。实际电路中，Rs等于检测电阻R加上测量信号源V的内阻。若电流I被传递到表头M的整个过程是线性的，那么就可以按I=V/（Rs+Rx）的规律来绘制表头刻度。反过来，假如表头有现成的欧姆刻度，只要让Rs与刻度中心值相等，并且在测量回路出现最大电流Imax（=V/Rs）时，让表头M达到满幅电流，那么这现成的欧姆刻度就可以利用起来。 这说明，我们可以直接使用指针万用
23、表来改装电容ESR表，不需重新绘制欧姆刻度，但须注意满足两个条件： 一是要让测量电路的内阻与欧姆刻度的中心阻值一致。比如，MF500万用表的刻度中心值为10，测量信号源的内阻加上检测电阻R的总和也须为 10。 二是要将测得的电量（电流）线性地传递给表头，并且还要使得测量回路有最大电流时，表头指针刚好指向满幅位置也就是线性传递的增益要合适。否则，就不能建立刻度指示值与所测值的一一对应关系。更进一步，如果要变通使用原欧姆挡刻度，那么只要符合上述两个条件，就可以像指针式万用表那样，进行倍率的变换。换言之，可以按自己的设计意愿来利用原欧姆挡刻度。比如，TR-360指针万用表的刻度中心值为20，出于提高
24、低阻显示分辨率的要求，想将此中心值改为5。那么，就要将测量信号源的内阻设为5，读取数据时乘以1/4（即倍率乘以0.25）即可。 有些指针式电容ESR表电路的电流传递过程并不是线性的。比如，没有利用运放加入反馈来改善线性，而是直接使用二极管作非线性整流，如图13和图14所示的电路。由于二极管的电流与压降的关系呈指数特性，因此，即使测量回路一样，其刻度也不同于指针式万用表，其低阻值区的分辨率会更高。这是一个优点。但对于DIY者来说，没有现成的刻度可利用，需专门绘制，这又是一个缺点。 绘制刻度，实际上是建立被测阻值与显示值的一一对应关系。对于功能强大的MCU来说，十分擅长于此项工作。因此，可以降低对
25、电路线性的要求，测量回路也可以有更灵活的实现方式，使用MCU的数字式ESR表也就具备了简化电路的先天条件。如果不使用MCU，而是使用ICL7106这类A/D芯片来制作数字式ESR表，则由于对输入有线性要求，表头显示的又是电压。因此，测量信号源需做成具有固定输出的交流恒流源I，以便建立V=IRx的线性关系；后面的电压放大和AC/DC变换电路，也要求有良好的线性。三、电容ESR表的测量误差 电容ESR表本来要测的是ESR，但实际测量的是电容的交流阻抗。这样的设计，测量结果必然存在误差。 对于实际的电容，主要有电容容抗和ESL这两项因素影响ESR表的测量结果。对于电解电容来说，容抗带来的影响占主导地
26、位。如果测量频率足够高、电容的容量又不过小，那么，容抗给测量结果带来的不良影响就小。电容的ESL本身较小，为nH级别，只要测量频率不是太高、ESR本身不是太小，其影响通常可以忽略。下面的简单分析，证明了这一点。R2( XCXL )2RX 从图1所示的电容等效模型可得到，电容的交流阻抗幅值为 式中，R为电容的ESR，Xc为电容的理想容抗，Xc=1/（2fC），XL为ESL的感抗，XL=2fL。 以22F普通铝电解电容为例，一个典型的ESR值为20，ESL值为20nH。当测量频率f为100kHz时，则有Xc=0.072 ， XL=0.014。代入上面公式有202(0.0720.014)2 RX 计
27、得Rx20.00008。这说明，这只22F电容在100kHz时的交流阻抗与ESR相差极其微小，这样误差完全可以忽略不计。如果电容容量降为1F，其余不变，类似地可计得Rx=19.94。测量误差已较为可观，为0.3%。如果测量频率降低，这个误差就增大，比如，50kHz时误差为1.2%，20kHz时为7.5%。因此，一般的电容ESR表都标示适用范围为大于1F，测量频率都设定得较高。 由上述分析可见，电容ESR表虽是通过测量交流阻抗来给出ESR值，精度受到一定的限制，但就要求不高的检测电容好坏这一主要用途而言，这种做法无可非议。四、指针式电容ESR表的国外典型电路分析 下面三款指针式电容ESR表电路，
28、是笔者从互联网挑选出来，原先已经过实际制作的国外电路。它们各有特色，具备一定的代表性，其中第3款曾刊登在某外国电子制作杂志上。 图13 国外网友自制的指针式ESR表电路一1.简洁明快的电容ESR表 如图13所示，核心元件为TL062低功耗双运放IC1和变压器T1，以高灵敏度的50A指针表头作指示。稳压集成块IC2为电路提供稳定的5V电压。运放IC1A构成单电源方式的50kHz方波振荡器，经过20:1的变压器耦合，作为测量信号源，输出电平约200mV。由于引入变压器，减轻了振荡器IC1A的负载效应，避免造成测量信号幅值和频率的变动。测量信号由R6检出，经过C3隔直电容后，送往反相放大器IC1B作
29、39 倍放大。放大后的电压由二极管VD1、VD2整流，经过微调电阻R11驱动表头M1。R11用作欧姆调零。2.使用一块通用逻辑IC的电容ESR表 如图14所示。电路使用内含6个史密特非门的CMOS逻辑集成块74HC14，其中一个非门（IC1D）构成100kHz方波振荡器。为提高驱动能力，将其余5个非门并联使用，每个非门输出端都接有RC低通滤波器，以滤除测量信号的高次谐波成分。测量接口设有DC电压保护，避免因被测电容带电而造成ESR表意外损坏。其中C5起隔断直流的作用，二极管VD5、VD6起双向的电压箝位作用，防止过大的DC电压进入表内。测量信号由R8检出，三极管VT1作10.5倍放大。二极管V
30、D1至VD4接成桥式整流，将交流信号变换为直流，即AC/DC变换，以便驱动指针表头。此电路的供电电压为5V。74HC14这类CMOS通用逻辑IC的静态电流都很小，为A级。但此表工作时，R7作为前端电路的负载，有持续的交流电流流过，再加上三极管部分的耗电，估算整机的静态电流为1215mA。 图14 国外网友自制的指针式ESR表电路二3.带短路检测功能的电容ESR表 如图15所示，由TL084四运放IC构成了ESR表电路的主体。IC1A用于驱动虚地，将单电源9V转换为双电源4.5V，这样，可令其余电路得以简化。IC1B构成100kHz方波振荡器，三极管VT1将测量信号以电流的形式送往电阻R8至R1
31、1组成的电桥。此处使用电阻式电桥作为测量电路，可以检测出被测电容两端是否存在短路现象。如果有此现象，则R10被短路，电桥失去平衡。由于电桥有直流电流流过，运放IC1C的正输入端直流电位将高于负输入端，因此输出端的直流电位大幅升高，经电阻R16驱动三极管VT2导通，短路指示灯LED1因此被点亮。R16与C4构成RC滤波电路，用于滤除正常测量时的交流信号，避免出现错误的短路指示。 图15 国外网友自制的指针式ESR表电路三 IC1C构成理论增益为27倍（47倍）的差动式比较/放大器，其输出信号送至IC1D与VD3构成的理想二极管电路，以获得较佳的AC/DC变换效果。输出的DC电压送到表头，用作欧姆
32、调零的微调电阻R19与表头构成电压表。此处加入硅二极管VD4，利用其压降与电流的非线性关系，展宽了表头刻度的低阻区，测量低阻的分辨率从而得以提高。也因此，其表头刻度不同于普通指针万用表。IC1D的输入经C5隔直，去除了直流成分，防止被测电容残存的直流电压干扰测量结果，并起到保护表头的作用。3 设计构思及最终完成的电路一、方案选择在设计制作之前，最重要的决定是动手的方向。几经考虑和权衡，笔者决定采用指针式ESR表的方案。原因有三： 一是指针式ESR表的测量更便捷。指针表长于定性测量，数字表长于定量测量，这已是很多电子爱好者的共识。如果不需要确切的测量数值，使用指针表更为方便。当我们使用ESR表测
33、量一只电容时，这只电容“正确”的ESR值往往是未知的，需要做的工作是，判断此值是否落在一个合理的区间内。因为有刻度的辅助，指针表的指示更直观。根据笔者多年既使用指针式万用表，又使用数字式万用表的经验，对于这样的模糊判断，指针表明显更快、更省事（前提是你需习惯指针表的使用）。只要看一眼指针摆动的大致情况，即可作出判别，不用像使用数字表那样，需在脑海中进行数字的读入与比较。 二是指针式ESR表的量程更宽。一个挡位就可以覆盖从0的范围。只要适当安排好高分辨率指示区域，就可以满足我们检测电解电容（以及部分非电解电容）的需要。若做成数字表形式，一个挡位就只能覆盖某一个范围。比如，采用万用表专用A/D芯片
34、ICL7106。因其显示数值最大为1999，若安排最小显示0.01，其最大显示将变为19.99，在某些场合下使用会受到限制，这样就不能用于辅助检测那些容量不大的非电解电容。 三是指针式ESR表的制作难度更低。对于数字式ESR表来说，适用的显示屏难以购买得到，可行的方法是利用现成的数字万用表来改制。但数字万用表体积小，内部空间狭窄，元件不易安排，还需对准显示屏原来安装的位置，给PCB的制作带来较大的困难。对于指针式ESR表来说，则没有这样的限制。因此，在国外电子爱好者的DIY中，数字式ESR表多是以套件形式供应的，个人独立制作大部分采用指针式方案。 此外，另一个促使笔者下决心选定指针表制作方案的
35、重要因素是，刚好手头有一块闲置多年的MF500指针式万用表。这一型号的指针表曾经在国内风靡，成为一代经典。笔者这块MF500表是现代版本，受生产成本限制，这类表难免有大家所称的“缩水”现象，用料、制作相对来说要差于以前的老表。例如，采用了PCB开关，不再使用可靠性更高的波段开关；AC/DC校准用的原绕线微调电阻，改为小型非密封式碳膜微调电阻；不再采用搭栅工艺等。因为其质量不理想，加上笔者不习惯其双开关的切换方式，所以闲置了下来。但笔者发现，对于电容ESR表的制作来说，即使这种被人诟病的现代版本，原型指针表大部分的优秀特性仍得以保留：一是表盘刻度宽，分辨率高。二是刻度中心阻值较小（10），有利于
36、显示小于1的测量值。三是外壳耐磨耐看，历久弥新。四是设有电池仓，拆换电池方便。五是整机密封性好，隔绝了外界的粉尘和潮气，增强可靠性。当然，原有的方面也保留了一些，包括笨重和体积偏大。但在家中使用，这些问题并不突出。原来的双开关切换而造成使用不便的问题，却是不再存在。 后来的制作证实，对笔者这样的电子爱好者来说，采用现成的指针表来改装，是一项明智之举。一方面，可以大大简化制作。对于通常的制作，机壳、结构件等问题常常令人头疼，在备料环节以及制作时间中所占的比例经常逾50%。现在，机壳问题顺利得以解决，无需专门去绘制刻度，也不需为如何购买和怎样安排表头、表笔插座以及调零旋钮等而烦恼，因为这一切都是现
37、成的。只要完成了电路板的装制调试，就已完成了整机工作量的90%。另一方面，整机外观的完成度很高。对于一件几经辛苦才制作出来的东西，如果没有良好的外观，制作者总是难免会有心头之憾。采用改装方法后，制作出来的电容ESR表外观上与原表相差无几，几乎没有改动，很是像模像样。虽然缺乏个性和创意，但完成度却得到了充分的保证。二、设计准备 在设计之前，笔者认真阅读了国外电子爱好者详细介绍设计制作的网页和文章，基本掌握ESR表设计的有关要求和电路特点。随着了解的深入，笔者发现很多国外DIY作品或多或少存在一些明显的缺点，并不合乎笔者的心愿。于是，借鉴他们一些好的方面，再按自己的要求来重新设计制作。 笔者自订的
38、要求是：一是在设计阶段，提前把指针式ESR表的刻度问题解决。若无此项针对性的举措，就需在制作阶段付出这样的劳动：一次测量一个用于校准的电阻，标出此阻值的刻度位置，经多次反复后，才能一点一点地完成所有刻度的标识，然后采用手工描画或电脑制图打印的方法来制作刻度纸，再拆解表头进行粘贴。二是以保证性能为前提，力求电路的设计简单可行。三是所用元器件要具有常见、通用、低价的特点，电路可以变通运用于其他型号指针万用表的改装。这样，既方便其他爱好者参照仿制、分享成果，又可以在电容ESR表出现故障后，免除找寻特殊元器件之苦。四是有关性能参数尽量不作妥协。既要充分满足使用要求，又力求优于一般的国外同类DIY作品。
39、三、参数目标 有关性能参数方面，笔者的考虑如下：1.工作频率为100kHz正弦波 一是减少电容容抗所带来的影响。电容ESR表实为简易式的设计，它实际测量的对象是电容的交流阻抗，也就是说，除ESR外，还包含电容容抗以及电感的成分。100kHz的频率较高，对于小容量电解电容（以及一些容量相对较大的非电解电容）的检测更有利。 二是向中高档LCR电桥靠拢。低档LCR电桥的最高测试频率多为1kHz，好一些的为10kHz，只有中高档的LCR电桥才具备100kHz的测量频率，但售价已翻倍。 三是100kHz已成为电容有关性能测试的一个工业标准。以这个频点进行测量，方便进行电容数据的对比参照。国外爱好者制作的
40、电容ESR表大部分采用方波进行测试，就没有了这个好处。这是因为方波的谐波成分十分丰富，即使其频率同为100kHz，实际的测试频点是按谐波结构散开的。2.测试电平定为120mVpp左右 为了保证能用于在路测量，必须让测试信号电平低于电路中的半导体器件导通阀值。三极管和二极管的PN结导通电压一般为0.60.7V，但开始导通的电压却是0.3V左右，如果电路中有锗管存在，则这个开始导通的电压会低至约0.1V。120mVpp的测试电平，在正向或负向上所加的电压最大仅为60mV，可以确保“在路测量”目标的实现。如果定为更低的电平，则外界噪声干扰给测量结果带来的影响增大，交流放大电路的增益值也需提高，设计的
41、困难也随之加大。3.耗电要低，并设自动关机功能 使用9V层叠电池供电的静态电流要小于10mA，并尽可能地减少。10mA这个数值，是市售手持电感电容表的其中一个典型静态电流值，所以笔者把它作为一个参照。9V层叠电池自放电小，对于很多手持仪表来说，如果平时使用率不高、电池质量又过关的话，多年后仍可继续使用。因此，尽量控制好ESR表电路的静态功耗，是有实用意义的。另外，新一代手持仪表已普遍设有自动关机功能。一些老式手持数字仪表，因缺少这个功能，使用者如果事后忘记关机，若干天后发现时，电池已用尽，假如家中又没有备用电池，还需外出一趟购买。这样的事情，相信不少人都曾遇到。不知何故（或许是追求简单吧），我
42、看到国外爱好者自制的ESR表都缺此功能。但既然是重新设计电路，就不应把这一缺陷带进来，所以自动关机功能必不可少。为此，笔者在设计阶段摒弃了在电路中设置检测电容两端短路的功能，原因是它会造成整机静态功耗过大。4.具备400V的DC输入电压保护功能，以防止带电的电容造成ESR表的损坏 有些电路场合下电容的工作电压很高，比如，开关电源的220V市电侧以及胆机电路，如果使用者一时忘记在测量前先让电容放电，可能就会出现问题。ESR表设置这一功能，可防止这种意外的发生。5.尽可能有较好的精度 对于指针式万用表来说，给出的欧姆挡百分比精度是以指针偏转的弧长来计算的。有些爱好者认为一块欧姆挡精度为2.5%的指
43、针万用表，测量100的正、负误差不应超过2.5，否则就认为不达标，这实在是一个误解。笔者初订ESR表的精度目标是不劣于10%，为此，在调试制作过程中笔者注意尽量控制线性，但因缺少检验的仪表和器件，只能得到一个大概的估计值，此是后话。四、整体设计及最终完成的电路 在设计之初，笔者从元件获得、PCB排布、使用器件数量等方面综合考虑，决定优先选用双运放IC。最终电路的主体部分由两块双运放集成电路TL062和NE5532负责，完成了除自动关机之外的所有任务。笔者设计的指针式电容ESR表原理框图如图16所示，制作成功后的整机电路图如图17所示。1.100kHz正弦波振荡器 在图17中，运放IC1A与周围
44、元件构成文氏（Wien，也有人译作“维恩”）电桥式正弦波振荡器。这种文氏电桥振荡电路，具备产生低失真正弦波的潜能，如果在幅度反馈控制上进行细致设计，可获得0.000X%量级的超低失真性能。在这里，由于对正弦波的纯净度要求并不高，因此，使用了最简单的电路形式，失真也就较大，为X%的量级。即使这样，也明显优于方波振荡器。 R1、C1和R2、C2构成所称的文氏电桥。R1、C1是相位滞后网络，R2、C2是一个相位超前网络。两个网络叠加，还产生带通滤波选频的作用。对于IC1A的同相输入端，特定频点的信号从IC1A的输出端返回至此时，刚好与原信号同相，即是产生正反馈。产生的振荡要持续起来，需符合两个条件。
45、除了要有正反馈外，还要求环路增益等于1。由于文氏电桥有3:1的衰减，所以要求电路有3倍放大的增益。为此，将运放负反馈网络的R4、R3和VR1取成略高于3倍放大量的值，并通过VR1调节来确保电路起振。VD1、VD2与负反馈电阻R4并联，起到稳定振幅的作用。由于信号在运放内部产生相移，按照此公式计得的结果总是与实际有出入。图17中的文氏电桥阻容取值是经实际调试得到的。 图16 指针式电容ESR表设计框图2.衰减器与测试驱动器 为获得适合于在路测量的电平，在电路中设置了由R5、R6组成的11:1电压衰减器，将1.3Vpp的振荡器输出电压降为120mVpp，然后直接送往IC2A。IC2A相当于设计框图中的测试驱动器，电路形式为同相缓冲器。其增益等于1，
