模拟电子技术基础课程设计-电容测量电路的设计.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 模拟电子技术基础模拟电子技术基础课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：电容测量电路的设计电容测量电路的设计 院（系）：院（系）： 专业班级：专业班级： 学学 号：号： 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： （签字） 起止时间：起止时间： 2014.6.30-2014.7.112014.6.30-2014.7.11 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文） 课程设计（论文）报告的内容及其文本格式课程设计（论文）报告的内容及其文本格式 1、课程设计（论文）报告要求用 A4 纸排版，单面打印，并装订成册，内容包括： 封面（包括题目、院系、专业班级、学生学号、学生姓名、指导教师姓名、起止时间等） 设计(论文)任务及评语 中文摘要 （黑体小二，居中，不少于 200 字） 目录 正文（设计计算说明书、研究报告、研究论文等） 参考文献 2、课程设计（论文）正文参考字数：2000 字周数。 3、封面格式 4、设计（论文）任务及评语格式 5、目录格式 标题“目录”（小二号、黑体、居中） 章标题（小四号字、黑体、居左） 节标题（小四号字、宋体） 页码（小四号字、宋体、居右） 6、正文格式 页边距：上 2.5cm，下 2.5cm，左 3cm，右 2.5cm，页眉 1.5cm，页脚 1.75cm，左侧装订； 字体：一级标题，小二号字、黑体、居中；二级，黑体小三、居左；三级标题，黑体四号；正文文 字，小四号字、宋体； 行距：20 磅行距； 页码：底部居中，五号、黑体； 7、参考文献格式 标题：“参考文献”，小二，黑体，居中。 示例：（五号宋体） 期刊类：序号作者 1,作者 2,作者 n.文章名.期刊名（版本）.出版年,卷次（期次）:页次. 图书类：序号作者 1,作者 2,作者 n.书名.版本.出版地:出版社，出版年:页次. 本科生课程设计（论文） I 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 电子信息工程 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 电容测量电路的设计电容测量电路的设计 课程设计（论文）任务 设计参数：设计参数： （1）设计一种电容测量电路，能用于测量电容量并电容判断的好坏。 （2）设计本测试仪所需的直流稳压电源。 （3）设计中应含有信号产生电路。 （4）电路具有判断电容功能好坏的功能。 设计要求：设计要求： 1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用 环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、 成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方 案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个 设计。 4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进 右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 进度计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：选择器 件进行单元电路设计；第 5 天：单元电路设计及仿真；第 6 天：整体电路设计 并仿真；第 7 天：电路焊接制板；第 8 天：焊接调试；第 9 天：完善设计；第 10 天：答辩。 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） II 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） III 摘 要 电容测试电路是以集成运放为核心用来测试多种电容范围的电容测试电路。 本测试电路有四个部分，包括 RC 正弦振荡电路、电压跟随器、电容交流电压转 换电路和带通滤波电路。RC 正弦振荡电路产生 400Hz 正弦波作用于被测电容， 经过电压跟随器的隔离作用将此信号作用于被测电容，经过转换电路将电容量转 换为交流电压，实现通过测量电压来测量电容。 电容测量电路的设计是为了方便准确的测量电容性能。以便我们检验电容， 当我们需要一个特定的电容时，这时我们就用我们设计的电路来测量它以便于我 们选择。本电路功能通过 Multisim 软件实现。 关键词：电容测试；RC 正弦振荡；C/ACV 转换电路；带通滤波；Multisim 本科生课程设计（论文） IV 目 录 第 1 章 绪论 .1 1.1 电容测量电路设计的应用意义 .1 1.2 电容测量电路的设计要求及技术指标 .1 1.3 设计方案论证 .2 1.4 总体设计方案框图及分析 .3 第 2 章 电容测量电路各单元电路设计 .4 2.1 直流稳压电源设计 .4 2.2 信号产生电路设计 .5 2.3 电压跟随器设计 .6 2.4 C/ACV 转换电路设计 .7 2.5 有源带通滤波电路设计 .8 2.6 MULTISIM仿真、数据分析 .9 第 3 章 课程设计总结 .11 参考文献 .12 元器件清单 .13 本科生课程设计（论文） 1 第 1 章 绪论 很多电子厂品中，电容器都是必不可少的电子元器件，它在电子设备中充当 整流器的平滑滤波、电源和退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。 使用者需要了解各类电容器的性能指标和一般特性。它的用途较广，它是电子、 电力领域中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐 振、滤波、补偿、充放电、储能、隔直流等电路中。 电容测量电路是一种快捷有效测量电容容量并且判断电容是否损坏的一种多 用途的电路。要实现高精度、大范围测量电容器容量，并非易事，对于电路有着 很高的要求。此次设计利用直流稳压电源、文氏电桥电路和差分电路的方法并且 结合仿真软件，来实现电容测量电路高精度、测量广的特点。 1.1 电容测量电路设计的应用意义 在电子领域里，电容测量电路是一种快捷有效测量电容容量并且判断电容是 否损坏的一种多用途的电路。然而要实现高精度、大范围测量电容器容量，并非 易事，对于电路有着很高的要求。 电容测量电路的设计是为了方便准确的测量电容性能。以便我们检验电容， 当我们需要一个特定的电容时，电容测量电路的应用为我们带来了方便。另外它 还有一个必不可少的作用，它可以检验电容的好坏。对于我们对电容的判断和选 用有重要意义。 1.2 电容测量电路的设计要求及技术指标 设计任务： 1. 设计一种电容测量电路，能用于测量电容并电容判断的好坏。 2. 设计电路需要的直流稳压源。 功能要求： 1. 具有信号产生电路。 2. 具有判断电容功能好坏的功能。 本科生课程设计（论文） 2 1.3 设计方案论证 方案论证： 方案一：在直流稳压电源下，由文氏电路产生信号，经过 C/ACV 转换电路， 输出电压和电容量成正比，通过测量电压大小然后就可以知道两个电容大小。 图 1.1 方案一总体框图 方案二：在直流稳压电源下，由文氏电路产生信号，经反相比例运算放大电 路，C/ACV 转换电路，使电容测量和有源微分电路工作，然后再通过测量电压大 小就可以知道电容大小。 图 1.2 方案二总体框图 文氏桥振荡 电路 电容 测量电路 电容电压转 换器 文氏桥振荡 电路 Cx 带通滤波器 Uo 反向比例运 算电路 C/ACV 转换电路 本科生课程设计（论文） 3 1.4 总体设计方案框图及分析 对于方案一的设计，经与方案二比较缺少必要的保护电路，输入信号与被测 电容之间没有隔离电路，而且在没有带通滤波的作用下会得到很大的干扰信号， 使测量误差偏高。 对于方案二的设计，具备了设计要求并具有必要的保护电路，通过反相比例 运算电路隔离输入信号和待测电容，减小电路间的互相影响，通过带通滤波电路 滤波，使得得到的电压值更接近正确数值。 经比较，本设计选用方案二。 图 1.3 电容测量电路的总体设计方案框图 文氏桥振荡 电路 Cx 带通滤波器 Uo 反向比例运 算电路 C/ACV 转换电路 本科生课程设计（论文） 4 第第 2 2 章章 电容测量电路各单元电路设计 2.1 直流稳压电源设计 直流稳压电源设计： （1）电网供电电压为交流 220V（有效值） ，50Hz，要获得低压直流输出， 首先须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。 （2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向的直流电，但其幅值变化 大。 （3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑的，脉动小的直流电，即 将交流成分滤掉，保留其直流成分。 （4）滤波后的直流电压再通过稳压电路，便可得到基本上不受外界影响的 稳定的直流电压输出，供给负载。 直流稳压电源的原理框图分析： 图 2.1 直流稳压电源原理框图 采用电源变压器将电网 220V，50Hz 交流电降压后送整流电路，变压器的变 化电单文式整流电路，整流桥选用的二极管需要考虑允许承受的电压和电流值。 采用集成稳压器构成直流稳压电源，具有使用方便，结构简单及性能优良等 许多特点，因而得到广泛应用。目前在国际上已有数百个品种集成稳压器，国内 也有几十个品种，主要有多端式与三端式和可调式与固定式之分。品种较多，较 全的是串联负反馈调整式电路，功率一般为 0.520W。 本设计电源主要给运放供电，一般运放供电为5V15V 电压，所以做 12V 电压足够。考虑时间充足，增加其应用范围，可做成12V，9V，5V 多 用型直流稳压电源。 本科生课程设计（论文） 5 图 2.2 直流稳压电源 2.2 信号产生电路设计 图中 2.3 和 Rf，RF 组成电压串联负反馈放大器，RC 串-并联电路为具有选频 特征的正反馈网络。实际上运算放大器的开环放大倍数是有限的，为了满足幅值 条件使电路易于起振，应使 RF 略大于 2Rf。如图 2.3 所示。 第一级由 C1，C2，R1，R2，R3，R4，R5，R6 和运放 NE5532 组成，是典 型的文氏桥振荡器。 当 R1=R2，C1=C2 时，该电路输出波形的基频可估算为 408.0Hz 11 1 2 1 CR f （1） 其负反馈放大倍数 3.123 （2） 3 43 1 R RR A F 由于典型 RC 振荡电路没有由 A1F3 到 A1F=3 的自动调节能力，所以，在 稳态，该电路输出为被限幅的“正弦波” ，谐波失真较大。经过查找资料可得多 种种具有自动调节 A1F 的 RC 振荡电路：(a)在反馈电阻上的的选择可以改变， R4,R5,选择负温度系数电阻，R6 选择正温度系数电阻，电路工作一段时间后会 因为温度升高而使 R4，R5，R6 阻值改变达到平衡。(b)在反馈电阻 R4 上并联两 个二极管，电路起振稳定后会短路 R4，使得达到震荡平衡条件。 经比较，(a)方案正负温度系数的电阻很难买到，且经济花销大，不符合实 际需要。(b)方案简便，实用性高，花销少。所以信号产生电路选择(b)方案执行。 本科生课程设计（论文） 6 图 2.3 信号产生电路 2.3 电压跟随器设计 电压跟随器是在同相比例运算电路中，将输出电压的全部反馈到反相输入端。 反馈系数为 1，输入电压等于输出电压。具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。 电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。共集电路的输入高阻抗，输出 低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放 大电路更好的工作。 本科生课程设计（论文） 7 在本次设计中，电压跟随器起到隔离信号发生电路与被测电容的作用。本单 元设计中用 400Hz 的交流电压源代替 RC 正弦振荡电路所产生的交流信号。R8 为 电容档的较准电位器。通过 Multisim 软件仿真可以出输入波形和输出波形重合这 一特点。 图 2.4 电压跟器电路 2.4 C/ACV 转换电路设计 此电路功能是将输入信号作用于电容并将其转换成电压信号并输出。 电路 的输入电抗为被测电容的容抗，即 当电容量程不同时，电容的反馈电阻 Rf 将不同，转换关系也将不同。 表一 不同量程时电容/电压转换电路的反馈电阻 Rf 电容量程Rf 表达式 Rf 值 2n R9+R10+R11+R12+R15 1M 20nR15+R12+R11+R10100K 200nR15+R12+R1110K 2uR15+R121K 20uR15100 从表中可以看出，电容量每增大 10 倍，反馈电阻阻值减小 10 倍。因此，不 XX C fCjCj X X 2 11 本科生课程设计（论文） 8 难发现，在各电容挡，电路的转换系数的最大数值均相等，也就限制了 A/D 转换 电路的最大输入电压。 当 400Hz 正弦波信号 Uo2 幅值一定时，电容档确定，因而 Uo3 与被测 电容容量 Cx 成正比。 图 2.5 C/ACV 转换电路 此电路输出端经 Multisim 仿真，得出不规则波形，因此需要进行滤波。 2.5 有源带通滤波电路设计 有源滤波器的优点是：高输入阻抗和低输出阻抗，因此输入与输出之间具有 良好的隔离性能，便于级联。此外，有源滤波器体积小、重量轻、成本低且稳定 性好，方便调试和应用；有源滤波器的缺点是：需要提供直流电源才能工作、电 阻产生热噪声且运算放大器等有源元件的高频特性不太好。 带通滤波电路能够让两个频率大小之间的频率通过，高于或低于这个范围的 频率将被衰减。用于载波通信或弱信号提取等场合，以提高信噪比。 将低通滤波器和高通滤波器串联，就可以得到带通滤波器。设前者的截止频 率为 f1,后者的截止频率为 f2，f2 应小于 f1，则通频带为（f1-f2） 。 本单元设计一个二阶无限增益多路反馈带通滤波器。 二阶无限增益多路反馈带通滤波器的电路如图所示。分析表明，满足 增益 （1） 带通 本科生课程设计（论文） 9 （2） 角频率 （3） 传递函数 （4） 带通滤波器的技术指标：中心频率为400Hz；通频带为390Hz410Hz；通带 内起伏不大于1dB；通带外在不大于350Hz 和不小于450Hz 处衰减不小于20 dB； 增益G=2。 在实际的滤波器设计过程中， 通常选取 C1 = C2 ，并记为 C ，按照下面 的步骤实现二阶无限增益多路反馈带通滤波器的设计：(a)选定电容 C 的一种标 称值，根据设计参数 B，由式（2）可以计算得到电阻 R3 的值；(b)根据滤波器 设计参数（增益 G），由式（1）计算得到电阻 R1 的值；(c)根据设计参数（中 心频率 f0）由式（3）计算得到电阻 R2 的值。 表二 电路电阻理论参数 CR1R2R3 10nF76.8k11k167k 本科生课程设计（论文） 10 图 2.6 有源带通滤波转换电路 2.6 Multisim 仿真、数据分析 由于本电路是由桥震荡电路，有源滤波电路等组成，所以最终测量电容大小 即转换成测量电压的大小便知晓了，具体操作和数据如下。 图 2.7 1nF 电容测试 图 2.8 10nF 电容测试 本科生课程设计（论文） 11 图 2.9 100nF 电容测试 2.7 实物焊接与调试 电容测量与电源电路实物照片： 本科生课程设计（论文） 12 实物调试与波形： 本科生课程设计（论文） 13 本科生课程设计（论文） 14 第 3 章 课程设计总结 本设计通过方案比较，选出如下方案： 在直流稳压电源下，由文氏电路产生信号，使电容测量和有源微分电路工作， 然后就可以知道电容大小。 在测量电容量时，文氏桥震荡电路产生 400Hz 正弦波电压，经过反相比例运 算电路作为缓冲电路，作用于被测电路 Cx；通过 C/ACV 转换电路将 Cx 转换为交 流电压信号，再经二阶带通滤波电路滤掉其他频率的干扰，输出是幅值与 Cx 成 正比的 400Hz 正弦波电压。 电容测量电路的输出电压作为 C/ACV 转换电路的输入信号，转换为直流 电压；再由 A/D 转换电路转换成数字信号，并驱动液晶显示器，显示出被测电容 的容量值。 本电路由直流稳压电源，信号发生