电容测量电路的设计

1、本科生课程设计（论文）辽宁工业大学电子技术基础课程设计（论文）起止时间:2013.07.01 2013.07.12题目：电容测量电路的设计院（系）: 专业班级: 学 号: 学生姓名:（签字）指导老师:本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语教研室:5学生姓名专业班级课程设计题目电容测量电路的设计设计任务：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。 功能要求：1. 设计中应含有信号产生电路。2. 电路具有判断电容功能好坏的功能。 设计要求：（ 论 文 ） 任 务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

2、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。平时:总成绩:论文质量:答辩:指导教师签字:日 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20%以百分制计算摘要电容测量电路是以集成运放为核心器件可将其分解为四个部分。可分解为文氏桥振荡电路、反相比例运算电路、C

3、/ACV电路、有源滤波电路。该电路是利用容抗法测 量电容量的。其基本设计思想是：将 400Hz的正弦波信号作用于被测电容 Cx,利用所 产生的容抗Xc实现C/ACV转换，将Xc转换为交流电压；再通过测量交流电压来获得 Cx的电容量。本次课题我通过到图书馆、网上查找课题参数资料；了解电容测量电 路应用及其工作原理，运用 Multisim仿真软件绘制电路图并进行仿真实验；分析仿 真实验数据和记录课题实验过程；制作打印课题实验报告。经过反Cx转换Cx成综上所述，在测量电容量时，文氏桥振荡电路所产生400Hz正弦波电压， 相比例运算电路作为缓冲电路，作用于被测电容Cx；通过C/ACV转换电路将为交流电

4、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 比例的400Hz正弦波电压。电容测量电路的输出电压作为 AC/DC转换电路的输入信号，转换为直流电压；再 由A/D转换电路转换为数字信号，显示出被测电容的容量值。电路有如下特点：在CACV转换电路中，电容挡愈大，反馈电阻值愈小，使得各挡转换系数的最大 数值均相等，从而限制了整个电路的最大输出电压幅值， 也就限制了 AD转换电路的 最大输入电压，其值为200mV电路中所有集成运放的输入均为交流信号，因而其温漂不会影响电路的测量精 度，也就需要对电容挡手动调零。电路中仅有一个电位器 Rw1用于校准电容挡，一般 一经调好就不再变动。关键词

5、：文氏桥震荡电路；反向比例运算电路；C/ACV转换电路；有源滤波电路。1.11.21.3第2章2.12.22.32.4第3章3.13.23.3第4章参考文献 附录I总体电路图 附录n元器件清单电容测量电路方案论证 电容测量电路的设计意义 电容测量电路设计要求和技术指标 总体设计方案 电容测量电路各单元电路设计. 文氏桥振荡电路 反向比例运算电路C/ACV转换电路有源滤波电路 电容测量电路的整体电路设计. 整体电路原理 参数的计算与选择 电路的仿真结果设计总结11121314本科生课程设计（论文）第1章 电容测量电路方案论证1.1 电容测量电路的设计意义电容测量电路的设计是为了方便准确的测量电容

6、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我们选 择。另外它还有一个作用，它可以检验电容的好坏，对于电容的判断和选用有重要 意义。设计电容测试电路，目的是通过现有的能测量的工具将不能测量的量转换为 能测量的量，电容量的测试可以将电容通过交流电可以产生容抗，通过转换电路可 以将其转换为一定的交流电压，利用电压和电容量成正比的关系通过测试电压即可 实现电容量的测量。不同量程的选择可以通过不同档电阻大小的改变实现。1.2 电容测量电路设计要求和技术指标设计任务：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. 设计本测试仪所需的直流稳

7、压电源。功能要求：1. 设计中应含有信号产生电路。2. 电路具有判断电容功能好坏的功能。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。在一定幅画的图纸上合理布局，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。1.3 总体设计方案方案论证方案

8、1:在直流稳压电源下，由文氏电路产生信号，经过电容电压转换电路，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的大小。图1.1方案1总体框图方案2: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。通过比较，本设计选用方案 2。 、总体设计方案框图图1.2电容测量电路的总体设计方案框图1i经乂咪一殳尊本科生课程设计(论文)电容测量电路各单元电路设计2.1文氏桥振荡电路U2A运放图2.1文氏桥振荡电路图U2A运放0 -3震荡频率的表达式：2 兀Rii Ri2 C gC2.2 反向比例运算电路比例系数为：Au=-(R4+Rw)/R3i经

9、乂咪訣尊本科生课程设计（论文）式中Rw为电容档的电位校准器，调节 Rmw可以改变比例系数。该电路还起缓 冲作用，隔离震荡电路和被测电容。UZAU1A运放iOkOFUbVAloon1TtO6|ACDR14 ISO牺 200Q Key=AJ图2.2反向比例运算电路图2.3 C/ACV转换电路电路的输入容抗为被测电容的容抗，即:当电容的量程不同时，电容的反馈电阻Rf将不同，转换关系也将不同。不同量程时C/ACV转换电路的反馈电阻Rf电容量程Rf表达式Rf值2nR5+R9+R8+R7+R61MQ20nR5+R9+R8+R7100KQ200nR5+R9+R810KQ2uR5+R91KQ20uR5二，1

10、100 q1八 CxjXxj2 兀 fc从表中可以看出，电容每增大10倍，反馈电阻阻值减小10倍。因此，不难发 现，在各电容档，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。D图2.3 C/ACV 转换电路图2.4 有源滤波电路从测量的需要出发，该电路应为带通滤波电路。为了便于识别电路，将其变成 一个多路反馈无限增益电路。经推导可得中心频率为：有源滤波电路只允许U03中400Hz信号通过，而滤去其他频率的干扰。可见, 输出电压U04是幅值与被测电容Cx容量成正比关系的400

11、Hz交流电压。#=10 2210R18R17R19本科生课程设计（论文）9图2.4有源滤波电路图第3章电容测量电路的整体电路设计3.1 整体电路原理C4R310QTLicon20 onD3 1h414iD11N4148C3T卜10uF062ACDRM11001 ILJ2A10i14SU4JU3ALM：53AC _15>R10汗G ekQ1S7kQCl 1DnFLM：5&AD18J1J2J3J4J5Key = A Key = A K&y = A K#y = A Key = A 11ITTRekR7kR8kR9AJ_-VAQOkQ 90kQ 9kQ90口口J5.R111i1l

12、kQ图3.1电容测量电路的总电路图观察图所示电路，以集成运放为核心器件可将其分解为四个部分， A1,C,C5,R,R1,R2,R13组成文氏桥振荡电路；A2和R3，R4, R14组成 反向比例 运算电路；A2的输出电压在被测电容Cx上产生电流，通过A3及其有 关元件组 成的电路将电容量转换成交流电压，故组成 C/ACV电路；A4和R10，R11，R12 C1, C2组成有源滤波电路，根据整个电路的功能，该滤波电路应 只允许400Hz正 弦波信号通过，而滤掉其他频率的干扰，故为带通滤波电路。一、电路工作原理叙述：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

13、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 AC/DC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。 电路有如下特点：（1）在C/ACV专换电路中，电容档愈大，反馈电阻阻值愈小，使得各档转换系 数的最大数值均相等，从而限制了整个电路的最大输出电压幅值，也就限 制了 A/D转换电路的最大输入电压，其值为 200mV（2）电路中所有集成运放的输入均为交路信号，因而其温漂不会影响电路的测

14、量精度，也就不需要对电容挡手动调零。电路中仅有一个电位器Rw1用于校准电容挡，一般已经调好就不再变动。二、总的工作原理:本电路由直流稳压电源，信号发生器，电容测量电路组成，由直流文雅电源提 供一个稳定的电压到信号发生器，给他提供一个直流编制，让它不失真的稳定的工 作。然后将信号传输到差分电路，由于两个运放中负反馈的电容的大小不同，所以 最后输出的电压也将不同，由此可以判断两个电容的大小。3.2 参数的计算与选择表3.1元器件清单运放参数电阻参数电阻参数电容参数二极管参数A1TL062ACDR39.2KQR89KQC110 nfD11N4148A2TL062ACDR11.91KQR9900 QC

15、210 nfD21N4148A3LM358ADR24.11KQR1076.8K QC310ufD31N4148A4LM358ADR310KQR1111KQC410 nfD41N4148R4100 QR12167KQC510 nfR5100 QR1339.2 QR6900KQR14(0-200)QR790KQ3.3 电路的仿真结果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本科生课程设计（论文）转换成测量电压的大小便知晓了，具体操作和数据如下。仿真电路结果截图如下：U01:#R4 -AW-1打呛DI irUUSINAK!U2ATTIL'R1410D3 iri41口

16、Mk10uF202Q0QJ1 JiKey=rfKffy =U：1ALM；U4AIM'SBAO5砂_15 如d <T6.flknF15 moofiimnI! J4 Jfl=Key = fl Kev = AJmiiiiiknftfi L 良？ b ftft b M 命dOkD aOkD gg mog图3.2 电路仿真截图1U02:4纟乂咪殳尊本科生课程设计（论文）11IXHHIdnFRWS2 39 zn R13 -5?理如10nFD3 1N41D1 I D2 1N414B 21H4114310U1ATL062ACR3 cW-3lOOU2ATL)&2ACDR14204-11QU

17、03:R4 -A/W- 10K13FU1'iQflQ1004 IC3HklOuF2000 KeY=AJ1J2J3J4k*y 叭 K>y AK(y K*y A1f1?I R6打R7kR8InRS专万臣表-XMM220131 fVdF.4 U曲 k U3A*2iS仁r lm: ssadI iiKgWHJQde：50AD-+设蟹1f?图3.3电路仿真截图2rftiD7&.akn1«7hnCl*10nFiaR5 lOOfl>R11歹1ka,C2FlOnF167kQClSIflnFlm：V* LM-SfifljiLDACDAA.R11 11k£JODO K

18、e¥=ftC3 -I卜 lOuFJiQim151-H10 76.3kQJ1 J2 3 J4Key 叽阿 叭陌 帆K鬥« A10D2 1IM412h CHD t 1D3 1H414.01 -IN414U2AR149DDD500kn 90ko孕ko辔万用表-XMM2X3.4电路仿真截图3ii本科生课程设计（论文）第4章 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/A

19、CV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 AC/DC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，信号发生器，电容测量电路组成，由直流文雅电源提 供一个稳定的电压到信号发生器，给他提供一个直流编制，让它不失真的稳定的工 作。然后将信号传输到差分电路，由于两个运放中负反馈的电容的大小不同，所以 最后输出的电压也将不同，由此可以判断两个电容的大小。通过Multisim 10 仿真软件对电路进行仿真后，结果满足设计要求，完成了 本设计。13123467高等教育出版社2006.电路高等教育出版社2006电子技术基础实验与课程设计机械工业出版社2008.电子技术基础实验机械工业出版社2007.基于Multisim9的电子系统设计、仿真与综合应用人民邮电出版社2008.8黄培根编著参考文献童诗白编著 模拟电子技术基础高等教育出版社2006.王艳春编著 电子技术