电容测量电路的设计
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
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指导老师：（签字）
起止时间：2013.07.01—2013.07.12
课程设计（论文）任务及评语
教研室：
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。
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，经过反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。
目录
第1章电容测量电路方案论证 (1)
1.1 电容测量电路的设计意义 (1)
1.2 电容测量电路设计要求和技术指标 (1)
1.3 总体设计方案 (1)
第2章电容测量电路各单元电路设计 (3)
2.1 文氏桥振荡电路 (3)
2.2 反向比例运算电路 (3)
2.3 C/ACV转换电路 (4)
2.4 有源滤波电路 (5)
第3章电容测量电路的整体电路设计 (7)
3.1 整体电路原理 (7)
3.2 参数的计算与选择 (8)
3.3 电路的仿真结果 (8)
第4章设计总结 (11)
参考文献 (12)
附录Ⅰ总体电路图 (13)
附录Ⅱ元器件清单 (14)
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
一、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。 二、 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
第2章 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：
812110
21
C
C R R f π= 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。
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：
X
X
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。
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。
接 地
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：
11(12119
1718100R R R C f +=
π
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。
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，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转换电路中，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
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：
图3.2 电路仿真截图1
U02:
图3.3 电路仿真截图2 U03：
图3.4 电路仿真截图3
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/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。
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。
参考文献
[1] 童诗白编著《模拟电子技术基础》高等教育出版社 2006.
[2] 王艳春编著《电子技术实验与Multisim仿真》合肥工业大学出版社 2011.
[3] 阎石编著《数字电子技术基础》高等教育出版社 2006.
[4] 邱关源编著《电路》高等教育出版社 2006
[5] 毕满清编著《电子技术基础实验与课程设计》机械工业出版社 2008.
[6] 李国丽等编著《电子技术基础实验》机械工业出版社 2007.
[7] 郭锁利等编著《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《Multisim 10 计算机虚拟仿真实验室》电子工业出版社 2008.
附录Ⅰ总体电路图
图1 总体电路图
附录Ⅱ元器件清单