电容测量电路的设计
辽宁工业大学
模拟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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指导教师：（签字）
起止时间：2013.7.1—2013.7.12
课程设计（论文）任务及评语
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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。可分为解为直流稳压电源电路，文氏电桥电路，电容测量电路和差分电路。起始设计思想是:输入220V，50Hz的正弦波信号，通过直流稳压电源输出2—6v的直流电，再通过文氏桥振荡电路产生正弦波电压，经过差分电路作为缓冲电路，作用于被测电容。在直流稳压电源的作用下，由文氏电路产生信号，使电容测量电路和差分电路工作，可测量电容量并比较大小。本设计运放主要采用LM324，通过Multisim仿真软件绘制原理图并进行仿真实验。
关键词：电容；稳压电源；文氏电桥电路；差分电路。
目录
第1章电容测量电路设计方案论证 (1)
1.1电容测量电路设计的意义 (1)
1.2电容测量电路设计的要求和技术指标 (1)
1.2.1 设计要求 (1)
1.2.2 技术指标 (1)
1.3电容测量电路的总体设计方案 (2)
1.3.1 方案论证 (2)
1.3.2 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电容测量电路设计 (6)
第3章电容测量电路整体电路设计 (8)
3.1整体电路图及工作原理 (8)
3.2参数的计算选择 (8)
3.3电路仿真结果 (9)
3.3.1 直流稳压电源仿真结果 (9)
3.3.2 信号产生电路仿真结果 (10)
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)
第一章电容测量电路设计方案论证
1.1电容测量电路设计的意义
目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小。
在电子产品的生产和维修中，电容测量这一环节至关重要，一个好的电子产品应具备一定规格年限的使用寿命。因此在生产这一环节中，对其产品的检测至关重要，而检测电子产品是否符合出产要求的关键在于检测其内部核心的电路，电路的好坏决定了电子产品的好与坏，而电容在基本的电子产品的集成电路部分有着其不可替代的作用。同样，在维修人员在对电子产品的维修中，电路的检测是最基本的，有时需要检测电路中各个部件是否工作正常，电容器是否工作正常。因此，设计可靠，安全，便捷的电容测仪具有极大的现实必要性。
1.2电容测量电路设计的要求和技术指标
1.2.1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。
1.2.2技术指标
1.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。
1.3 电容测量电路的总体设计方案
1.3.1 方案论证
方案一：直接根据充放电时间判断电容值 这种电容测量方法主要采用了电容的充放电特性,放电常数
,
通过测量与被测电容相关电路的充放电时间来确定电容值。一般情况下，可设计
电路使
（T 为振荡周期或触发时间；A 为电路常数，与电路参数有关）。
这种方法中应用了555定时器组成的单稳态触发器，在秒脉冲的作用下产生触发脉冲，来控制门电路实现计数，从而确定脉冲时间，通过设计合理的电路参数，使计数值与被测电容相对应。其原理框图如图1.1所示。
图1.1 根据充放电时间判断电容值原理框图
误差分析：这种电容测量方法的误差主要有两部分组成：一部分是由555定时器构成的振荡电路和触发电路由于非线性造成的误差，其中最重要的是单稳态触发电路的非线性误差,△C/C=△T/T(T 由充放电时间决定；C 是被测电容值)；另一部分是由数字电路的量化误差引起的，是数字电路特有的误差，该误差相对影响较小，可忽律不计。
显示
反向器
译码器
单稳态触发器
锁存器
窄脉冲触发器
计数器
秒脉冲发生器
标准基数脉冲
这种方法硬件结构相对复杂，实际是通过牺牲硬件部分来减轻软件部分的负担，但在具体设计中会遇到很多的问题，而且硬件一旦设计好，可变性不大。由此，此方案舍弃。
方案二：运用模拟电路知识，设计直流稳压电源，由文氏电路产生信号，使电容测量和差分电路工作，由产生的电压大小判断电容的大小。
对于电容的测量，通常借助于专门的测试仪器，通常用电桥。
通过比较，方案二既可以测量电容大小，又可以判断电容的好坏，更加符合提议，所以，本设计选用方案二。
1.3.2总体设计方案框图及分析
本设计采用直流稳压电源，文氏电桥电路，测量电容，可以比较两个电容的大小，并根据波形判断好坏。
图1.2总体设计框图
第二章 电容测量电路各单元电路设计
2.1 直流稳压电源设计
（1）压器副边电压确定。
整流电路采用直流稳压电源设计思路
（2）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。
（3）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。 （4）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。
（5）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Rl 。
直流稳压电源的原理框图分析
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。 （1）滤波器常采用无源元件R ，L ，C 构成的不同类型滤波电路。由于本电路为小功率电源，故可用电容输入式滤波电路。
（2）稳压电路采用串联反馈式稳压电路。比较放大单元采用分立三极管组成的差动放大器或者集成运算放大器，可提高电路的稳定性。
（3）过流保护器：串联稳压电路中，调整管与负载串联，当输出电流过大或者输
图2.1 直流稳压电源原理
框图
出短路时，调整管会因电流过大或电压过高使管耗过大而损坏，所以须对调整管采取保护措施。保护电路在教材和有关文献中均有介绍。
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0.5—20W 。也有开关式集成稳压电路。
这种电路其输出电压灵活可变，所以在各种电路中被广泛应用。
图2.2直流稳压电源
2.2 信号产生电路设计
图中2.2和R1，R5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R5略大于2R1。如图2.2所示。
第一级由C1，C2，R1，R2，R3，R4和运放N3A3组成，是典型的文氏桥振荡器。当R1=R3，C1=C2时，该电路输出波形的基频可估算为
1
1121
C R f π=≈965.1Hz （2-1）
其负反馈放大倍数
2
5
21R R R A F +=
≈3.10＞3 （2-2） 由于该电路没有由A1F ＞3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，即除f1以外，还有f2=2f1≈812Hz，f3=3f1≈1218Hz等谐波分量。其峰值V01m≈VCC，VCC为运放的直流偏置电压。
图2.3信号产生电路
2.3 电容测量电路设计
下图为差分式电容大小比较的原理图。根据上图我们可以通过两端的电压差来判断电路中电容的大小。
由于两个运放中的电容的大小不同，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。
图2.4 电容测量电路
第三章电容测量电路整体电路设计
3.1 整体电路图及工作原理
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，由直流稳压电源提供一个稳定的电压到信号发生器，给它提供一个直流偏置，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中的电容的大小不同所以最后输出的电压也不同，由此判断电容的大小
图3.1 整体设计电路图
3.2 参数的计算选择
第一级由C1，C2，R1，R2，R3，R4和运放N3A3组成，是典型的文氏桥振荡器。当R1=R3，C1=C2时，该电路输出波形的基频可估算为
1
1121
C R f π=
≈965.1Hz （3-1）
其负反馈放大倍数为
2
5
21R R R A F +=
≈3.10＞3 （3-2） 由于该电路没有由A1F ＞3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，即除f1以外，还有f2=2f1≈812Hz ，f3=3f1≈1218Hz 等谐波分量。其峰值V01m ≈VCC ，VCC 为运放的直流偏置电压。
第三级由R14，R15，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12，和运放组成差分电路。而实际电路中，四个二极管使本级的输入波形进一步趋向于方波。这样做的好处是使整个电容测量电路有较好的热稳定性。考虑到运放的频率特性，将运放看作一阶单元，则微分电路是一个二阶系统。
dt dV C R V o X n o 1
2-= （3-3）
由于运放的开环增益很大，所以闭环后电路的品质因数Q 值很高，可达到几十，其幅频特性曲线有一个很大的峰。取Rn=1k Ω，Cx=1μF ，用multisim 仿真得到微分电路的幅频特性，在f=12.2kHz 的地方有一尖峰，该尖峰处增益比理想的微分电路的幅频特性曲线的增益增加了约30dB ，频率大于12.2kHz 后，增益急剧下降。而第一级文氏桥振荡器输出的被限幅的“正弦波”的频带很宽，经过微分后被限幅的“正弦波”中的高次谐波分量比基波有更大的增益，使波形严重失真，时域波形有明显的振荡。
3.3 电路仿真结果
3.3.1 直流稳压电源仿真结果
当在输入端通入220V ，50Hz 的电压时，经过电源变压器，整流电路，滤波电路后，输出大约在2V —6V 的电压，输出结果如图3.2所示：
图3.2 直流稳压电源仿真结果
3.3.2 信号产生电路仿真结果
当在运放LM324上下两个引脚中加入12V电压时，示波器所显示的结果如图3.3所示：
图3.3 信号产生电路仿真结果
第四章设计总结
电容是一个重要的电磁学概念。它反映了电场的能量与边界上的能量（或电压）关系的物理量，它是导体的一个非常重要的特性，不同导体的物理性质就是用“电容”的物理量来描述。而电容则反映了电容量的大小，它是利用小体积储藏大量电荷和电能的电学器件，是电子设备中广泛应用的电路基本元件。所以，精确测量电容的大小，显得尤为重要。
本设计通过方案对比选出如下方案：
应用本学期学习的稳压电源电路，并结合信号发生器与文氏电桥，形成简易的电容测量电路。
1.对电容测量电路的方法进行了总结，提出了自己的方案。
2.设计出各单元电路，并对各单元电路的工作原理进行了分析，其中各电路
包括，直流稳压电源电路，信号产生电路，电容测量电路。
3.对整体电路进行了分析，电路的工作原理，整体电路的性能等问题。
4.通过Multisim仿真软件对电路进行仿真后，结果满足实际要求，完成本
设计。
参考文献
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[2] 何仰赞等编著《电力系统分析》武汉华中理科技学出版社 2002.03
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[7] 吴丽华等编著《电子测量电路》哈尔滨工业大学出版社 2004.05
[8] 王公望编著《现代电子电路应用基础》西安电子科技大学出版社 2005
[9] 王楚等编著《电子线路》北京大学出版社 2003.05
附录I 总体电路图
附录II 元器件清单