电容测量电路的设计.docx

辽宁工业大学电子技术基础课程设计（论文）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1.11.21.3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U2A运放图2.1 文氏桥振荡电路图U2A运放震荡频率的表达式：2 兀 Rii Ri2 C gC2.2 反向比例运算电路比例系数为：Au=--(R4+Rw)/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UZAU1A运放iOkOFUbVA—loon1 TtO6|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+R91KQ20uR5^二，1 100 q1八 Cx jXx j2 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400Hz交流电压10 2210R18 R17 R19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10uF062ACDRM1100^1 ILJ2A10i14SU4J\U3ALM：53AC _15>R10汗G ekQ1S7kQCl 1DnFLM：5&AD18\J1 \ J2 \ J3 \ J4 \ J5Key = A\ Key = A\ K&y = A\ K#y = A \ Key = A 1 1 I T TRe k R7 k R8 k R9 AJ_--VA— ^QOkQ 90kQ 9kQ 90口口J5.R111i1lkQ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A1TL062ACDR39.2KQR89KQC110 nfD11N4148A2TL062ACDR11.91KQR9900 QC210 nfD21N4148A3LM358ADR24.11KQR1076.8K QC310ufD31N41。