微弱電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)題目微弱電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)院系電子與信息工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)電子科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師二一四年四月一日目錄1緒論 .91.1目前的研究現(xiàn)狀 .91.2常見(jiàn)的電容檢測(cè)設(shè)計(jì) .101.3設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 .122電容檢測(cè)系統(tǒng) .122.1設(shè)計(jì)框架 .122.2檢測(cè)系統(tǒng)基本原理 .132.3電容檢測(cè)系統(tǒng)的雜散性分析 .142.4 T 形電阻網(wǎng)絡(luò) .152.5電容檢測(cè)電路 Multisim仿真 .163交流信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì) .183.1信號(hào)發(fā)生電路 .183.1.1信號(hào)波形選擇 .183.1.2常見(jiàn)的信號(hào)產(chǎn)生電路.193.2晶體振蕩電路 .204 全波整流電路設(shè)計(jì) .224.1全波整流電路 .2

2、24.2全波整流電路的 Multisim仿真 .245 低通濾波電路設(shè)計(jì) .275.1低通濾波器的選擇 .275.1.1低通濾波器的類(lèi)型選擇 .275.2.2低通濾波器級(jí)數(shù)的選擇 .275.2低通濾波電路及其仿真 .286 AD 轉(zhuǎn)換電路及 MCU控制電路 .306.1 AD 轉(zhuǎn)換電路 .306.2 MCU控制電路 .336.2.1 MSP430 超低功耗單片機(jī) .336.2.2電源電路 .346.2.3晶振電路 .356.2.4復(fù)位電路和 JTAG接口電路 .366.2.5串口通信電路 .376.3電源電路 .386.4硬件電路的抗雜散設(shè)計(jì) .407 電容檢測(cè)系統(tǒng)的性能分析 .417.1性能

3、指標(biāo) .417.2信號(hào)發(fā)生器的波形測(cè)試 .417.3檢測(cè)電路的性能檢測(cè)分析 .437.3.1檢測(cè)分析的目的 .437.3.2檢測(cè)內(nèi)容 .437.4附圖.468 總結(jié)與體會(huì).468.1本系統(tǒng)存在的問(wèn)題及改進(jìn)措施 .478.2心得體會(huì)47參考文獻(xiàn)48致 謝49微弱電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京 210044摘要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展, 各種電子元器件的功能被運(yùn)用在各中領(lǐng)域，適用范圍也越來(lái)越廣，微弱電容的測(cè)量要求也越來(lái)越精確。設(shè)計(jì)個(gè)精確，可靠，便捷的電容測(cè)量電路具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。本設(shè)計(jì)電路主要思想是電荷放大法。電路由信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生個(gè)方波經(jīng)過(guò)電荷放大將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化

4、為電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)還要經(jīng)過(guò)全波整流和低通濾波電路進(jìn)行處理最終得到比較清晰的直流電壓信號(hào)，將信號(hào)送到單片機(jī)處理顯示出電容值。所以電路主要由電荷放大，全波整流，低通濾波三個(gè)主要模塊組成。本設(shè)計(jì)電路主要由 MSP430單片機(jī)起控制作用，對(duì)電路送來(lái)的直流電壓進(jìn)行采樣、測(cè)量并計(jì)算出電容的大小然后通過(guò)液晶顯示出來(lái)本設(shè)計(jì)除了測(cè)量精確外噪聲還比較小有很大的發(fā)展前景，未來(lái)可進(jìn)行廣泛運(yùn)用于各電氣電子技術(shù)領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：電荷放大，全波整流，低通濾波，MSP430The design of Capacitance testerElectronic and Information Engineering, NU

5、IST, Nanjing 210044, ChinaAbstract: With the development of electronic technology, various electroniccomponents used in the field of function, scope of application is also gettingmore and more broad, measuring smallcapacitancerequirements more accurately.Design of a precise, reliable, and has great

6、realistic meaning capacitancemeasurement circuit and convenient. The circuit design of the main idea is thecharge amplification method. Circuit comprises a signal generating circuitgenerates a square wave afterthe charge willbe weak currentsignal intovoltagesignal.A voltage signaltransformedby fullw

7、ave rectifiedand low-passfiltercircuitfor processingfinallyget the DC voltagesignal isvery smooth,to senda signal to the microcontroller processing shows the capacitance value. So thecircuit is mainly composed of a charge amplifier, a full wave rectifier, threemain modules, low-pass filtering. The c

8、ircuit design by MSP430 MCU control,measure the DC voltage circuit sent the calculated capacitance and the liquidcrystaldisplayin additionto the design of the accurate measurement of exteriornoise is relativelysmall,have greatprospectsfordevelopment,the futurecanbe widely used in the field of electr

9、ical and electronic technology.Keywords： Charge Amplifier,full-wave rectification,low pass filtering,MSP4301 緒論1.1目前的研究現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)測(cè)量電容的方法有很多，各式各樣的電路設(shè)計(jì)數(shù)不勝數(shù)。較為多見(jiàn)的測(cè)量方法有 RLC電橋法， RC振蕩器法，電流電壓法，運(yùn)算放大法。對(duì)于不同的精度要求用不同的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。一般要求不是太高的用 RC振蕩器法最為簡(jiǎn)潔、方便、易于操作。現(xiàn)在大多數(shù)用此方法即能滿(mǎn)足需要。然而我們很多時(shí)候需要較為精確的得出電容的大小，尤其是測(cè)量 PF 級(jí)電容此方法根本滿(mǎn)足不

10、了需要。對(duì)微弱電容的測(cè)量主要是由于電路中存在較多的雜散干擾，干擾電容的變化量大于被測(cè)電容的變化量，比較難被檢測(cè)。下面我來(lái)介紹一下電荷放大法微弱電容的檢測(cè)。1.2 常見(jiàn)的電容檢測(cè)設(shè)計(jì)電橋法電橋法一般采用 RC或者 LC 電橋，可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩邊的橋臂的阻抗大小來(lái)使得電橋平衡。電橋兩端分別輸入一樣的頻率的電壓值，振幅相同。通過(guò)將電容量的變化變成電壓值得變化。經(jīng)過(guò)運(yùn)放濾除雜波等電路后。得到與待測(cè)電容成正比的電壓變化量。此方法的精確度較高誤差較小。信噪比較高。一般用在精確測(cè)量中。但是整個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)每個(gè)電氣量的要求比較高很難同時(shí)滿(mǎn)足電壓的幅度和頻率的大小，抗雜散能力差并且在實(shí)際電路中不一定能達(dá)到仿真的效果。調(diào)

11、頻法調(diào)頻法是基于電容 - 頻率轉(zhuǎn)換的方法來(lái)檢測(cè)所測(cè)電容的。與電橋法相同的是調(diào)頻法也是用 RC電路和 L-C 電路以及 Schmitt 反相器實(shí)現(xiàn)，調(diào)頻法大的基本原理是把需要測(cè)量的電容接入調(diào)頻電路中，根據(jù)諧振頻率隨電容的變化而變化的多少來(lái)反計(jì)算電容的值，通過(guò)計(jì)數(shù)電路將頻率轉(zhuǎn)變成可測(cè)得的電壓量。原理如圖1-1 所示 :R-C或 L-C 并聯(lián)限幅鑒頻器放大器輸出電壓信號(hào)組成振蕩回路圖 1-1 調(diào)頻法原理框圖調(diào)頻法的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，AD轉(zhuǎn)換比較簡(jiǎn)單， 而且能夠選擇頻率較高的振蕩頻率，因而電路的靈敏度較高，能與微機(jī)直接匹配等。但因?yàn)闇y(cè)得的電容是諧振電路的等效電容值，其值還包含了傳感器的電容，所以電路的

12、抗雜散電容能力比較差，同時(shí)存在頻率穩(wěn)定性差，輸出線性不高，低精度，存有溫漂現(xiàn)象，需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。電荷放大法運(yùn)放的放大倍數(shù)為，且輸入阻抗高的特點(diǎn)可以使其作為比較理想的電容測(cè)量電路，通常只要、值不小，沒(méi)什么數(shù)值出入，高精確度。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是電容檢測(cè)電路的非線性且能夠通過(guò)虛短虛地對(duì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線進(jìn)行屏蔽，缺點(diǎn)主要是因?yàn)檫\(yùn)放的電源電壓比較低，靈敏度受限制輸出穩(wěn)定性受信號(hào)發(fā)生器穩(wěn)定性及運(yùn)放本身的影響。電荷放大法及其改進(jìn)的電路原理圖如圖1-2 下：圖 1-2 電荷放大電路其中為 Cx 待測(cè)電容 ,Cf 是標(biāo)準(zhǔn)電容，并聯(lián)Rf 反饋電阻，采用交流信號(hào)源作為測(cè)量的激勵(lì)源。電荷放大器與普通的運(yùn)放不一樣，因

13、為電荷放大器檢測(cè)電路跟信號(hào)源無(wú)關(guān)，交流信號(hào)輸出恒壓。關(guān)鍵是影響的因素較少。電荷放大器法的調(diào)節(jié)能力相當(dāng)強(qiáng)大。關(guān)鍵是它可以通過(guò)對(duì)運(yùn)放的靈活調(diào)整以提高電路的精確度，電路抑制寄生電容能力強(qiáng)，靈敏度高，分辨率高，此檢測(cè)系統(tǒng)需要一個(gè)上兆赫茲的信號(hào)源并且用高性能的運(yùn)放，但它的性能更好，分辨率更高。1.3設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（ 1）設(shè)計(jì)用電荷放大器的電容檢測(cè)電路；（ 2）電容測(cè)量精度能達(dá)到 10pf ；（ 3）用液晶顯示模塊直觀顯示測(cè)量結(jié)果；（ 4）基于 MSP430為主控芯片的電容檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2 電容檢測(cè)系統(tǒng)2.1設(shè)計(jì)框架微小電容對(duì)激勵(lì)源輸入信號(hào)變化響應(yīng)很小，要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)以方便檢測(cè)。這就要求信號(hào)

14、源的頻率和幅度波動(dòng)要小，交流電壓信號(hào)還要經(jīng)過(guò)全波整流電路轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)， 再經(jīng)過(guò)低通濾波器得到較為平滑的直流電壓信號(hào)然后經(jīng)過(guò)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片得到數(shù)據(jù)送給MCU經(jīng)過(guò)計(jì)算得到電容值并通過(guò)顯示電路直觀的顯示出來(lái)。本文的基本原理是電荷放大法，針對(duì)微小電容測(cè)量的的需要，通過(guò)對(duì)微弱電容信號(hào)量變化的檢測(cè)研究，提出電荷放大器檢測(cè)電容方法，并引入了低噪聲信號(hào)調(diào)理概念給電路的普及應(yīng)用提供了有力優(yōu)勢(shì)，其基本原理框圖如圖2-1 所示。圖 2-1 系統(tǒng)原理流程圖本設(shè)計(jì)的電容檢測(cè)系分別經(jīng)過(guò)激勵(lì)源電路然后將激勵(lì)信號(hào)送到電荷放大模塊，在把電荷放大器輸出的交流信號(hào)經(jīng)過(guò)全波整流處理，然后再把交流轉(zhuǎn)換為直流所以還要通過(guò)低通濾波器

15、，再將得到的平穩(wěn)的直流信號(hào)經(jīng)過(guò)AD電壓采樣電路，最后經(jīng)過(guò)430 單片機(jī)的計(jì)算處理然后顯示在LCD1602上面。電荷放大電路是整個(gè)電容檢測(cè)電路中的關(guān)鍵電路，該電路設(shè)計(jì)的抗雜散、抗干擾能力直接決定了整個(gè)電容檢測(cè)電路的測(cè)量的精確度。2.2 檢測(cè)系統(tǒng)基本原理電容檢測(cè)電路在檢測(cè)電容電路系統(tǒng)中是最重要的部分，因?yàn)樵陔娙輽z測(cè)系統(tǒng)中，被測(cè)電容變化量極其微弱，并且電路干擾電容很多，因此我們隊(duì)檢測(cè)電路的各項(xiàng)性能要求比較嚴(yán)格。本電容檢測(cè)電路采用的是電荷放大法如下圖2-2 ：圖 2-2 電容檢測(cè)電路此電路的是將電容兩端阻抗的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化。待測(cè)電容Cx 兩端的阻抗值跟反饋電容 Cf 兩端的阻抗值在理想電路的

16、狀態(tài)下，有以下公式：Uo/Ui=Cx/Cf如果 Cf 的值不變激勵(lì)電壓Ui 也不變，整個(gè)電荷放大電路會(huì)得到一個(gè)與Cf 值成比例的電壓值，并且跟激勵(lì)源的振蕩頻率有關(guān)，這也是整個(gè)電容檢測(cè)系統(tǒng)的原理所在。2.3 電容檢測(cè)系統(tǒng)的雜散性分析檢測(cè)電路的雜散電容會(huì)隨其他器件參數(shù)的更該而相應(yīng)有響應(yīng)，這樣會(huì)減小檢測(cè)電容電路的性能。由于待測(cè)電容的干擾性分析起來(lái)比較繁瑣，為了方便分析，電路等效為下圖所示的簡(jiǎn)易電路：圖 2-3C3等效為檢測(cè)系統(tǒng)里的干擾項(xiàng)。C1、C2 是 Cx 跟零勢(shì)能點(diǎn)之間的電容， R1、R2等效為導(dǎo)線等效電阻其值均小于1。分析可知，只要設(shè)計(jì)的信號(hào)源頻率能夠穩(wěn)定的輸出，后面加個(gè)功率穩(wěn)定模塊，輸出能力

17、穩(wěn)定，給出適當(dāng)?shù)膮?shù)，電路連接沒(méi)有問(wèn)題的話，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力應(yīng)該可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需要。2.4 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)在大于 0k 的所有溫度下， 所有的電子都是在處在無(wú)規(guī)律熱運(yùn)動(dòng)的平衡下的。因?yàn)闊o(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)的方向是未知的，所有的即時(shí)電流都不相干，因而沒(méi)有電流能被檢測(cè)到。然而持續(xù)的無(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)可以發(fā)出約翰遜噪聲。噪聲的大小與器阻值的關(guān)系如下：Vn2=4Kb.T.R.B( 以 V2/Hz 為單位 )式中， Vn是噪聲幅度； Kb=1.38 ×10( -23)J/K ；T 是溫度； R是電阻； B 是帶寬。在常溫下，上面公式可化簡(jiǎn)為的：V噪聲=4R下圖為 50 電阻在室溫下產(chǎn)生的噪聲功率：圖

18、2-4 50 電阻在室溫下產(chǎn)生的噪聲功率所以對(duì)等效電阻阻值的精度要求較高，本設(shè)計(jì)加了反饋電阻的是為了使電容在不停的充放電中集成運(yùn)放不達(dá)到飽和狀態(tài)造成誤差干擾項(xiàng)，其電阻取值通常在M的數(shù)量級(jí)大小，而阻值較大的電阻不穩(wěn)定，很可能產(chǎn)生溫漂，整個(gè)檢測(cè)電路系統(tǒng)的抗干擾能力將會(huì)大打折扣。為了提高電路的抗雜散低噪聲性能，本設(shè)計(jì)選擇了小阻值大阻抗低噪聲的T 形電阻來(lái)減小噪聲的干擾。使得檢測(cè)電路的性能不減，加了T 形電阻網(wǎng)絡(luò)后的電荷放大檢測(cè)模塊電路如下圖所示，圖 2-5 加了 T 型電阻后的電容檢測(cè)電路等效電阻 R 等效 =R1+R2 +R1R2/R 3，所以只要適當(dāng)改變兩者之間的比值，就能有效的減小電流噪聲。若

19、 R1=200k，R2=200k,R3=2k，則等效阻值約為10 兆。 T 型電阻網(wǎng)絡(luò)不僅不需要用大電阻還大大減小了電路噪聲的大小，使得電路的信噪比大大提高。另外，為了確保電路的穩(wěn)定性，得到精確的測(cè)量值，我們應(yīng)選用精度較高的電阻與電容，同時(shí)采用穩(wěn)壓電源進(jìn)行穩(wěn)壓供電。電路系統(tǒng)中電荷放大器性能做的怎么樣將會(huì)影響整個(gè)檢測(cè)電路的性能。因此，電荷放大器在電路調(diào)試的時(shí)候一定要將元件的參數(shù)選擇好最好都弄成可調(diào)的。2.5電容檢測(cè)電路 Multisim仿真Multisim電路仿真軟件是National Instruments公司 2007 年發(fā)行的電子電路設(shè)計(jì)軟件，該軟件易于學(xué)習(xí)和使用，尤其擅長(zhǎng)在模擬電路部分的

20、仿真測(cè)試，基本上能滿(mǎn)足絕大部分的電路模擬。仿真時(shí)若想更改元器件或改變?cè)骷?shù)，只需雙擊元器件直接更改元器件參數(shù)，具有模擬效率高，零成本，效果精確等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)用 Multism 軟件對(duì)個(gè)電路模塊進(jìn)行分立仿真分析，逐個(gè)單元仿真，這樣有助于檢測(cè)錯(cuò)誤的地方，對(duì)后續(xù)的整體的電路設(shè)計(jì)和測(cè)試具有重要意義。本設(shè)計(jì)接下來(lái)的電路以及之前的電路仿真均采用Multism 軟件進(jìn)行仿真。下面的電容檢測(cè)電路就是在Multisim軟件下進(jìn)行的電路模擬仿真。仿真的截圖如下：圖 2-6 電容檢測(cè)電路 Multisim 仿真本設(shè)計(jì)的激勵(lì)源在仿真電路中用模擬信號(hào)發(fā)生器取代，正如之前的設(shè)定那樣，這里我們需要一個(gè)激勵(lì)頻率能達(dá)到1M

21、Hz，峰峰值能到 1VPP即能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的激勵(lì)源需要。在Multisim仿真圖中可以直觀的看出電荷放大電路對(duì)信號(hào)的處理效果。 下圖是電荷放大模塊波形在Multisim軟件中模擬示波器下的波形圖：圖 2-7 電荷放大模塊波形3 交流信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)3.1 信號(hào)發(fā)生電路信號(hào)發(fā)生電路是電容檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分之一，本設(shè)計(jì)采用的基本原理是電荷放大器法，而影響其檢測(cè)電路結(jié)果最重要的因素就是激勵(lì)信號(hào)源的波形以及信號(hào)的穩(wěn)定性，包括頻率穩(wěn)定性和幅度穩(wěn)定性?xún)蓚€(gè)方面。3.1.1信號(hào)波形選擇信號(hào)波形的選擇，主要是方波和正弦波兩種。本設(shè)計(jì)中采用的是正弦波，主要考慮如下：因?yàn)槠胀ǖ姆讲ㄈ绻盘?hào)頻率較高，經(jīng)過(guò)運(yùn)算

22、放大器過(guò)后失真度比較大。因?yàn)轭l率分量一直在變化。所以作為信號(hào)源信號(hào)將會(huì)出現(xiàn)較大的失真，不能選作為信號(hào)波。所以本設(shè)計(jì)選擇了正弦波，正弦波在波形傳輸方面能有效減小波形的失真度，從而提高檢測(cè)系統(tǒng)的性能。3.1.2常見(jiàn)的信號(hào)產(chǎn)生電路按照實(shí)現(xiàn)的原理以及電路需要的不同，正弦波信號(hào)發(fā)生電路主要包括以下幾種：（ 1） RC 振蕩電路要想建立振蕩就是要是電路能產(chǎn)生自激，從而是RC電路產(chǎn)生持續(xù)的振蕩，由直流電變?yōu)榻惶娓姆较虻慕涣餍盘?hào)。對(duì)于 RC振蕩器來(lái)說(shuō)，直流電源就是能量來(lái)源?？醋约旱囊蛩兀河捎陔娐分写嬖谠肼?，他的頻譜分布很廣，其中也包括w=w0=1/RC這樣一個(gè)頻分。這種微弱的信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放，不僅輸出的幅度加大

23、，經(jīng)過(guò)非線性元件的限制，自動(dòng)穩(wěn)定下來(lái)，達(dá)到平衡時(shí)Av=3。振蕩頻率是由相位平衡條件決定的，只有當(dāng) f=0 ， a=0 時(shí)，才滿(mǎn)足相位平衡條件，所以振蕩頻率取決于f=1/ （2Rc）。振蕩器要輸出正弦波，還要求放大器的增益必須滿(mǎn)足起振條件且工作在線性區(qū)，否則不起振，輸出地波形也是非線性失真的。采用 RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩頻率產(chǎn)生電路稱(chēng)為RC振蕩電路，它一般適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1Hz-1MHz的較低頻率信號(hào)。因?yàn)閷?duì)于RC振蕩電路來(lái)講，減小電阻 R的大小即可提高輸出的頻率， 而滑動(dòng)電阻器即可滿(mǎn)足需要是無(wú)需增加成本，但是缺點(diǎn)就是不是很穩(wěn)定不能用于精度較高的測(cè)量設(shè)計(jì)。（ 2）晶體振蕩電路晶體振蕩

24、器電路可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的大小分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。較低的頻率輸出是串聯(lián)諧振電路，較高的頻率輸出是并聯(lián)諧振電路。因?yàn)榫w自身的晶體特性致使這兩個(gè)頻率值大小相當(dāng)?shù)慕咏? 在這個(gè)極窄的頻率帶寬內(nèi)， 晶振等效為一個(gè)電感元件，所以只要晶振電路的兩端并聯(lián)上適當(dāng)?shù)臏p震電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的帶寬很小, 所以即使其他元件的參數(shù)的變化對(duì)振蕩器的頻率不會(huì)有太大的影響。（ 3）鎖相環(huán)頻率合成器電路利用 PLL（鎖相環(huán)）頻率合成電路控制振蕩器的振蕩頻率。而且

25、能產(chǎn)生較高的頻率。缺點(diǎn)就是電路設(shè)計(jì)比較繁雜，而且PLL器件比較貴。（4）直接數(shù)字式頻率合成器簡(jiǎn)稱(chēng) DDS，近年來(lái)在電子行業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展起來(lái)的DDS頻率產(chǎn)生器，幾乎能夠產(chǎn)生所有的波形信號(hào)。得到的信號(hào)頻率比較高且穩(wěn)定性較好。3.2晶體振蕩電路本設(shè)計(jì)對(duì)于所產(chǎn)生的正弦波信號(hào)只需要單一穩(wěn)定的頻率信號(hào)，不需要知道具體的頻率值，只要大概在1MHz就能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需要。相比RC振蕩器而言頻率要穩(wěn)定的多； LC振蕩器的頁(yè)不能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的需要，在一般情況下，如果電路精度要求不高的電路可以使用RC振蕩頻器和 LC振蕩頻器，精度和穩(wěn)定性LC 振蕩器的溫度系數(shù)組件是不容易直接實(shí)現(xiàn)高精度電路的測(cè)量。而 DDS技術(shù)與數(shù)字頻

26、率合成器中的振幅和頻率穩(wěn)定性相對(duì)于由模擬電路產(chǎn)生的信號(hào)的穩(wěn)定性產(chǎn)生正弦波信號(hào)不具有此設(shè)計(jì)的某些優(yōu)點(diǎn)。鑒于高品質(zhì)的晶體振蕩器對(duì)于環(huán)境因素影響的影響很小，越是頻率搞得電路越需要頻率的穩(wěn)定性要求在很多的高頻信號(hào)電路中多采用晶體振蕩電路作為信號(hào)源的發(fā)生電路。本設(shè)計(jì)電路中的信號(hào)發(fā)生電路圖如下圖所示：圖 3-1 晶體振蕩電路晶振在振蕩頻率處應(yīng)為感性電抗，因此可通過(guò)與晶振串聯(lián)的可調(diào)電容對(duì)振蕩頻率進(jìn)行微調(diào)。為晶體管的偏置電阻，這里晶體管的發(fā)射極電壓大致設(shè)為，選定即可。在科爾皮茲振蕩電路中，反饋電容之比非常重要，需要選用滿(mǎn)足波形與振蕩強(qiáng)度兩方面要求的值，通常取值在的范圍內(nèi)，電路容易產(chǎn)生振蕩。若要得到良好的波形，

27、則電容值較大，但此時(shí)振蕩不容易穩(wěn)定， 可能導(dǎo)致振蕩停止； 若要得到振蕩穩(wěn)定的波形， 則電容值較小，但此時(shí)波形容易失真，為此，需要根據(jù)電路反復(fù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇電容值。此外晶振振蕩電路仿真過(guò)程中起振時(shí)間較長(zhǎng)，瞬態(tài)響應(yīng)中需要多運(yùn)行一段時(shí)間。仿真結(jié)果表明：正弦波晶振電路的頻率穩(wěn)定性很好，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)頻率保持不變，但實(shí)際電路中負(fù)載稍有變化時(shí)振蕩頻率發(fā)生變化，應(yīng)用中要在后面接入一電壓跟隨器。由于在 Multisim中無(wú)法仿真晶振電路故本設(shè)計(jì)將不對(duì)信號(hào)發(fā)生電路進(jìn)行仿真具體結(jié)果請(qǐng)直接參見(jiàn)晶體振蕩實(shí)物圖。4 全波整流電路設(shè)計(jì)4.1全波整流電路全波整流電路也叫做絕對(duì)值電路，輸出電壓為輸入電壓的絕對(duì)值。全波整流電路在直

28、流穩(wěn)壓電源電路中很常見(jiàn)，四個(gè)二極管構(gòu)成的整流橋就是最基本的全波整流。不過(guò)采用二極管的整流電路由于二極管固有的開(kāi)啟電壓的影響，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。輸出電壓也比輸入電壓小一個(gè)二極管的壓降，因此也就只能在穩(wěn)壓電源電路中使用，要是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行處理，必須采用特性更好的精密全波整流電路。半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦允沟盟哂凶顬橹苯拥恼鞴δ?，也是最為常?jiàn)的整流器件，整流橋是它最為典型的應(yīng)用。但是因?yàn)槎O管的導(dǎo)通壓降約為0.7V，因此，如果整流的信號(hào)幅度低于此導(dǎo)通壓降時(shí)，電路的整流效果將受很大影響，且二極管的正向?qū)妷弘S溫度的變化而變化，因此純碎由二極管構(gòu)成的整流電路精度肯定是達(dá)不到要求的，檢

29、測(cè)得到的信號(hào)誤差比較大，進(jìn)而也會(huì)影響后面得到的檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定。利用單電源運(yùn)放的跟隨器的工作特性，也可以實(shí)現(xiàn)精密全波整流。單電源供電的運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器， 當(dāng)輸入信號(hào)大于0 時(shí)，輸出跟隨輸入變化。 當(dāng)輸入信號(hào)小于0 的時(shí)候，輸出為 0。利用這個(gè)特性可以構(gòu)成如下的電路。當(dāng)輸入為正電壓時(shí)，等效電路如下：輸出電阻 R out = 0Vout = V in當(dāng)輸入為負(fù)電壓時(shí)，等效電路如下：輸入電阻 Rin = R1輸出電阻 R out = 0V=-R2/R1*Vinout在電路運(yùn)行時(shí)時(shí)要小心單電源運(yùn)放在信號(hào)很小時(shí)的非線性特性。而且，單電源跟隨器在輸入負(fù)信號(hào)時(shí)也會(huì)有有非線性情況。這些都有可能導(dǎo)致輸入波形的失真

30、。另外，輸入電阻隨輸入信號(hào)的極性也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，如果R1、R2 不相等，則增益也隨輸入信號(hào)的極性變化。由上面的介紹與本電路設(shè)計(jì)的電荷放大器后得到的信號(hào)相當(dāng)于就是單電源。需要用運(yùn)算放大器來(lái)構(gòu)成的整流電路提供電壓補(bǔ)償，這樣就能夠解決一般二極管整流電路的缺點(diǎn)，可得到較為理想的整流性能，同時(shí)整流電路的溫度特性也被改善了很多。4.2全波整流電路的 Multisim仿真本設(shè)計(jì)電路選用 ISL55002 運(yùn)算放大器作為整流電路的運(yùn)放，該芯片具有 300MHz的帶寬， 300 的轉(zhuǎn)換速率，能夠完成1MHz交流電壓的不失真整流 , 電路如下圖所示：4-1 全波整流電路本設(shè)計(jì)電路電荷放大模塊后的的全波整流電路由

31、兩個(gè)高頻率增益帶寬的ISL55002 運(yùn)放組成，分別負(fù)責(zé)正反方向的放大作用，然后再經(jīng)過(guò)文氏整流橋進(jìn)行整流，可以大大減小元件誤差的影響。 根據(jù)后面 AD轉(zhuǎn)換電路的基準(zhǔn)電壓特性， 電路設(shè)計(jì)的增益選為1，即選用兩個(gè)阻值相等的匹配電阻。綜述級(jí)電路要求，該全波整流電路可以滿(mǎn)足電路整流的需要。但是 Multisim 軟件庫(kù)中沒(méi)有 ISL55002 芯片所以我們選用了與之相似的AD828芯片。仿真的 Multisim電路如下圖：4-2全波整流仿真經(jīng)實(shí)際電路測(cè)試全波整流后的波形如下圖:4-3 示波器顯示5 低通濾波電路設(shè)計(jì)5.1低通濾波器的選擇5.1.1 低通濾波器的類(lèi)型選擇一階濾波器電路最簡(jiǎn)單，但帶外傳輸系

32、數(shù)衰減慢，一般在對(duì)帶外衰減性要求不高的場(chǎng)合下選用。無(wú)限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比較敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。當(dāng)要求帶通濾波器的通帶較寬時(shí)，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好。5.2.2 低通濾波器級(jí)數(shù)的選擇濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)帶外衰減特殊性的要求來(lái)確定。每一階低通或高通電路可獲得 -6dB 每倍頻程（-20dB 每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（ -40dB 每十倍頻程）的衰減。多級(jí)濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級(jí)階數(shù)之和。當(dāng)要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或 mdB每十倍頻程）時(shí)，則取級(jí)數(shù) n

33、 應(yīng)滿(mǎn)足 n 大于等于 m/6( 或 n 大于等于 m/20) 。5.2低通濾波電路及其仿真雖然經(jīng)過(guò)全波整流電路后的電壓已經(jīng)是直流信號(hào)，但其中還是會(huì)含有較多的諧波成分的干擾，需要通過(guò)低通濾波電路處理得到包含待測(cè)電容信號(hào)的低頻直流信號(hào)成分使得結(jié)果更加精確。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)電路的激勵(lì)信號(hào)的頻率設(shè)定為1MHz，為了得到直流成分， 本文所設(shè)計(jì)的低通濾波器主要用于濾除頻率為2MHz的高頻諧波。為了減小帶寬的紋波增加過(guò)渡帶的衰減速率，如果用無(wú)源濾波器的話， 紋波比較大，衰減速率太慢不能滿(mǎn)足高頻衰減的需要。即使用串聯(lián)提高階次來(lái)加快衰減速率，由于受極間耦合的影響，效果會(huì)被衰弱。為了能滿(mǎn)足需要本設(shè)計(jì)電路用的是方便測(cè)

34、試仿真的有源濾波電路，而且增益效果滿(mǎn)足需要，而且參數(shù)更改也比較方便。為了能用較為簡(jiǎn)潔的電路而又能達(dá)到不錯(cuò)的濾波效果，本設(shè)計(jì)電路選用二階壓控有源濾波器。電路如下圖所示：圖 5-1 低通濾波器該有源濾波器是由兩節(jié)RC組成的運(yùn)放電路和一個(gè)同相放大器構(gòu)成，T 形電阻滿(mǎn)足阻抗需要，幾乎沒(méi)有什么輸出電阻。因?yàn)榍爸秒娐返男盘?hào)源的頻率固定為1 MHz左右，經(jīng)過(guò)仿真調(diào)試，本設(shè)計(jì)的濾波器設(shè)計(jì)截止頻率為2MHz，此電路抗高頻干擾效果滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)需要。此濾波電路的傳遞函數(shù)G(s)=G0s2s2n sn全波整流電路后的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器后的實(shí)際示波器波形如下：圖 5-2 濾波顯示6 AD 轉(zhuǎn)換電路及 MCU控制電路6.1

35、 AD 轉(zhuǎn)換電路AD 轉(zhuǎn)換電路是主要負(fù)責(zé)電路中數(shù)據(jù)的采集，主要是負(fù)責(zé)檢測(cè)電路得到的直流電壓采集后送到單片機(jī)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)將暫時(shí)存放在主控芯片的RAM區(qū)內(nèi)，在上位機(jī)需要的時(shí)候即可將數(shù)據(jù)送入MCU芯片內(nèi)。本設(shè)計(jì)的電容檢測(cè)電路中AD采集模塊需用的是ADC芯片 AD7793。AD7793芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)接口如下圖所示：圖 6-1 AD7793 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要管腳功能如下：（ 1）、AIN1(+),AIN1(-),AIN2(+),AIN2(-):模擬輸入引腳。（ 2）、IOUT1， IOUT2:內(nèi)部激勵(lì)電流源的輸出引腳，通過(guò)該引腳提供內(nèi)部激勵(lì)電流源，可將 IEXC1 或 IEXC2切換至此輸出。用戶(hù)通過(guò)編程設(shè)置內(nèi)部激勵(lì)電流源，電流設(shè)置可為。（ 3）、CLK：時(shí)鐘輸入引腳。_（ 4）、CS：片選輸入端，低電平輸入有效，主要是來(lái)控制 ADC的選擇。可通過(guò) MCU在串行總線上從多個(gè)器件的電路系統(tǒng)中選擇 ADC?？捎猛鈬布⑵渲脼榈碗娖?，使ADC能夠在 3 線的模式下正常工作，通過(guò) SCLK,DIN和 DOUT等引腳與外圍器件連接。（ 5）、SCLK:芯片的串行時(shí)鐘輸入引腳。（ 6）、DIN: 串行的數(shù)據(jù)輸入，主要用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的移位輸入寄存器。（ 7）、DOUT/RDY:串行數(shù)據(jù)的輸出 / 數(shù)據(jù)就緒輸出端。（ 8）REFIN(+)/