电容测量电路的设计.docx

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电容测量电路的设计

辽宁工业大学

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:

课程设计（论文）任务及评语

教研室:

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

•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。

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/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C\ACV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A\D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：

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。

1.1

1.2

1.3

第2章

2.1

2.2

2.3

2.4

第3章

3.1

3.2

3.3

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

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

电容测量电路各单元电路设计

2.1文氏桥振荡电路

图2.1文氏桥振荡电路图

震荡频率的表达式：

2兀RiiRi2CgC

2.2反向比例运算电路

比例系数为：

Au=--（R4+Rw）/R3

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。

UZA

U1A运放

iOkO

bVA—

loon

1TtO6|ACD

R14I

SO牺

200QKey=A

图2.2

反向比例运算电路图

2.3C/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

R5+R9+R8+R7+R6

1MQ

20n

R5+R9+R8+R7

100KQ

200n

R5+R9+R8

10KQ

R5+R9

1KQ

20u

R5^二，

1100q1

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。

图2.3C/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400Hz交流电压。

02210

R18R17R19

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

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，R12C1,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

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

TL062ACD

39.2K

9KQ

10nf

1N4148

TL062ACD

1.91K

900Q

10nf

1N4148

LM358AD

4.11K

R10

76.8KQ

10uf

1N4148

LM358AD

10KQ

R11

11KQ

10nf

1N4148

100Q

R12

167KQ

10nf

100Q

R13

39.2Q

900KQ

R14

（0-200）

90KQ

3.3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

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

DIirUUS^INAK!

U2A

TTIL'

R14

D3iri41

口

10uF

2Q0Q

J1\Ji

Key=rf\Kffy=

U：

LM；

U4A

IM'

SBAO

5砂_

15如d

F15moofi

imn

\J4\Jfl

=^Key=fl\Kev=A

iiiikn

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bftftbM命

^dOkDaOkDggmog

图3.2电路仿真截图1

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