模電課程設(shè)計(jì)電容測(cè)試電路的設(shè)計(jì)

1、2012 2013 學(xué)年 第 二學(xué)期模擬電子技術(shù)課 程 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告題 目：電容測(cè)量電路的設(shè)計(jì)專(zhuān) 業(yè)：通信工程班 級(jí)：11通信2班姓 名： 王來(lái)軍 劉俊偉 朱敏 汪輝 陶加男何雨楊小兵 王東晨 指導(dǎo)教師：倪琳電氣工程系2013年6月日任務(wù)書(shū)課題名稱(chēng)電容測(cè)量電路的設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師（職稱(chēng)）倪琳(講師)執(zhí)行時(shí)間20122013學(xué)年第二學(xué)期 第 16 周學(xué)生姓名學(xué)號(hào)承擔(dān)任務(wù)王來(lái)軍RC正弦振蕩電路的設(shè)計(jì)朱敏RC正弦振蕩電路的設(shè)計(jì)劉俊偉電壓跟隨器的設(shè)計(jì)王東晨電壓跟隨器的設(shè)計(jì)陶加男電容交流電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)楊小兵電容交流電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)何雨有源帶通濾波電路的設(shè)計(jì)汪輝有源帶通濾波電路的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)目的1、學(xué)習(xí)電容

2、測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方法；2、研究電容測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)要求（1）設(shè)計(jì)一個(gè)五量程的電容測(cè)量電路；（2）擬定設(shè)計(jì)步驟； （3）根據(jù)設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)好電路，選好元件及參數(shù)；（4）要求繪出原理圖； （5）撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。電容測(cè)量電路的設(shè)計(jì)摘 要五量程電容測(cè)試電路是以集成運(yùn)放為核心用來(lái)測(cè)試多種電容范圍的電容測(cè)試電路。本測(cè)試電路有四個(gè)部分，包括RC正弦振蕩電路、電壓跟隨器、電容交流電壓轉(zhuǎn)換電路和帶通濾波電路。RC正弦振蕩電路產(chǎn)生500Hz正弦波作用于被測(cè)電容，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器的隔離作用將此信號(hào)作用于被測(cè)電容，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路將電容量轉(zhuǎn)換為交流電壓，實(shí)現(xiàn)通過(guò)測(cè)量電壓來(lái)測(cè)量電容。電容測(cè)量電路的設(shè)計(jì)是為了方便準(zhǔn)

3、確的測(cè)量電容性能。以便我們檢驗(yàn)電容，當(dāng)我們需要一個(gè)特定的電容時(shí)，這時(shí)我們就用我們?cè)O(shè)計(jì)的電路來(lái)測(cè)量它以便于我們選擇。本電路功能通過(guò)Multisim軟件實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：電容測(cè)試；RC正弦振蕩；轉(zhuǎn)換電路；帶通濾波；Multisim目 錄摘要3第一章題目分析、方案論證和總體設(shè)計(jì)51.1 題目分析51.2 方案論證51.3 總體設(shè)計(jì)5第二章單元電路設(shè)計(jì)72.1 RC正弦振蕩電路72.2 電壓跟隨器82.3 電容交流電壓轉(zhuǎn)換電路92.4 有源帶通濾波電路10第三章系統(tǒng)綜述133.1 總電路圖133.2 仿真143.3 結(jié)論：15第四章設(shè)計(jì)心得16參考文獻(xiàn)17附錄18第一章題目分析、方案論證和總體設(shè)計(jì)1.1題

4、目分析設(shè)計(jì)電容測(cè)試電路，目的是通過(guò)現(xiàn)有的能測(cè)量的工具將不能測(cè)量的量轉(zhuǎn)換為能測(cè)量的量，電容量的測(cè)試可以將電容通過(guò)交流電可以產(chǎn)生容抗，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路可以將其轉(zhuǎn)換為一定的交流電壓，利用電壓和電容量成正比的關(guān)系通過(guò)測(cè)試電壓即可實(shí)現(xiàn)電容量的測(cè)量。不同量程的選擇可以通過(guò)不同檔電阻大小的改變實(shí)現(xiàn)。1.2 方案論證對(duì)于電容的測(cè)量，我們要有一個(gè)概括的了解，一般應(yīng)借助于專(zhuān)門(mén)的測(cè)試儀器，通常用電橋。而用萬(wàn)用表僅能粗略地檢查一下電容是否失效或漏電情況。測(cè)量電路如圖所示。在直流穩(wěn)壓電源下，由文氏電路產(chǎn)生信號(hào)，經(jīng)過(guò)電容電壓轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓和電容量成正比，通過(guò)測(cè)量電壓大小然后就可以知道電容兩大小。圖1.1 RC橋式振蕩電路

5、1.3 總體設(shè)計(jì)本電容測(cè)試電路分為四個(gè)部分，首先由RC正弦振蕩電路產(chǎn)生500Hz正弦波信號(hào)，然后將此信號(hào)通過(guò)電壓跟隨器將信號(hào)產(chǎn)生電路及被測(cè)電路進(jìn)行隔離，信號(hào)通過(guò)電壓跟隨器后便作用于被測(cè)電容，通過(guò)電容交流電壓轉(zhuǎn)換電路將被測(cè)電容量轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)（電壓大小正比于電容量），通過(guò)二階帶通濾波電路濾出500Hz的正弦電壓，通過(guò)測(cè)量此電壓信號(hào)即可。RC正弦振蕩電路Cx電容電 壓轉(zhuǎn)換電路 帶通 濾波器 Uo電壓跟隨器圖1.2 電容測(cè)試電路設(shè)計(jì)總體框圖第二章單元電路設(shè)計(jì)2.1RC正弦振蕩電路又稱(chēng)文氏橋震蕩電路，用來(lái)產(chǎn)生500Hz正弦信號(hào)作用于被測(cè)電容。本電路設(shè)計(jì)中，RC串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時(shí)兼作選

6、頻網(wǎng)絡(luò)，R4、R5、R6及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器R6可改變負(fù)反饋深度，以滿(mǎn)足震蕩的振幅條件和改善波形。利用兩個(gè)反向并聯(lián)二極管D1、D2正向電阻的非線(xiàn)性特性來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。D1、D2采用硅管(溫度特性好)，且要求特性匹配，才能保證輸出波形征服半周對(duì)稱(chēng)。R5的接入是為了削弱二極管非線(xiàn)性的影響，以改善波形失真。電路的振蕩頻率=500Hz起振的幅值條件Rf/R2>=2式中：Rf=R6+R4+（R5/rD），rD為二極管正向?qū)娮琛Ｕ{(diào)整反饋電阻Rf（調(diào)R6），使電路起振，切波形失真最小。R6的百分比至30%左右時(shí)，電路能夠振蕩。改變選頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)C或R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般改變

7、電容C作量程切換，而調(diào)節(jié)R做量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。圖2.1 產(chǎn)生500Hz正弦波信號(hào)的RC振蕩電路圖2.2 RC正弦振蕩電路產(chǎn)生信號(hào)波形圖2.3 RC正弦振蕩電路產(chǎn)生信號(hào)電壓及頻率測(cè)試2.2 電壓跟隨器電壓跟隨器是在同相比例運(yùn)算電路中，將輸出電壓的全部反饋到反相輸入端。反饋系數(shù)為1，輸入電壓等于輸出電壓。具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點(diǎn)。電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用.共集電路的輸入高阻抗，輸出低阻抗的特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級(jí)的放大電路更好的工作。在本次設(shè)計(jì)中，電壓跟隨器起到隔離信號(hào)發(fā)生電路與被測(cè)電容的作用。本單元設(shè)計(jì)中用500Hz的交流電壓源代替RC

8、正弦振蕩電路所產(chǎn)生的交流信號(hào)。R2為電容檔的較準(zhǔn)電位器。通過(guò)Multisim軟件仿真可以出輸入波形和輸出波形重合這一特點(diǎn)。圖2.4 電壓跟隨器圖2.5 電壓跟隨器輸入和輸出波形（重合）2.3 電容交流電壓轉(zhuǎn)換電路此電路功能是將輸入信號(hào)作用于電容并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并輸出。電路的輸入電抗為被測(cè)電容的容抗，即當(dāng)電容量程不同時(shí)，電容的反饋電阻Rf將不同，轉(zhuǎn)換關(guān)系也將不同。表一 不同量程時(shí)電容/電壓轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻Rf電容量程Rf表達(dá)式 Rf值2n R5+R9+R8+R7+R6 1M 20nR5+R9+R8+R7100K200nR5+R9+R810K2uR5+R91K20uR5100從表中可以看出，

9、電容量每增大10倍，反饋電阻阻值減小10倍。因此，不難發(fā)現(xiàn)，在各電容擋，電路的轉(zhuǎn)換系數(shù)的最大數(shù)值均相等，也就限制了A/D轉(zhuǎn)換電路的最大輸入電壓。當(dāng)500Hz正弦波信號(hào)Uo2幅值一定時(shí)，電容檔確定，因而Uo3與被測(cè)電容容量Cx成正比。相當(dāng)于反相比例運(yùn)算電路：Uo=-(Rf/Xcx)Ui=-2Rf*pi*f*Cx*Ui圖2.6 電容電壓轉(zhuǎn)換電路此電路輸出端經(jīng)Multisim仿真，得出不規(guī)則波形，因此需要進(jìn)行濾波。2.4 有源帶通濾波電路有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此輸入與輸出之間具有良好的隔離性能，便于級(jí)聯(lián)。此外，有源濾波器體積小、重量輕、成本低且穩(wěn)定性好，方便調(diào)試和應(yīng)用；有源濾

10、波器的缺點(diǎn)是：需要提供直流電源才能工作、電阻產(chǎn)生熱噪聲且運(yùn)算放大器等有源元件的高頻特性不太好。帶通濾波電路能夠讓兩個(gè)頻率大小之間的頻率通過(guò)，高于或低于這個(gè)范圍的頻率將被衰減。用于載波通信或弱信號(hào)提取等場(chǎng)合，以提高信噪比。將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，就可以得到帶通濾波器。設(shè)前者的截止頻率為f1,后者的截止頻率為f2，f2應(yīng)小于f1，則通頻帶為（f1-f2）。本單元設(shè)計(jì)一個(gè)二階無(wú)限增益多路反饋帶通濾波器。二階無(wú)限增益多路反饋帶通濾波器的電路如圖所示。分析表明，滿(mǎn)足增益 （1）帶通（2）角頻率（3）電路滿(mǎn)足帶通濾波器的傳遞函數(shù)（4）帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)：中心頻率為500Hz；通頻帶為490Hz51

11、0Hz；通帶內(nèi)起伏不大于1dB；通帶外在不大于450Hz和不小于550Hz 處衰減不小于20 dB；增益G=2。在實(shí)際的濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常選取C1= C2，并記為C，按照下面的步驟實(shí)現(xiàn)二階無(wú)限增益多路反饋帶通濾波器的設(shè)計(jì)：(a)選定電容C的一種標(biāo)稱(chēng)值，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)B，由式（2）可以計(jì)算得到電阻R3的值；(b)根據(jù)濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)（增益G），由式（1）計(jì)算得到電阻R1 的值；(c)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)（中心頻率f0）由式（3）計(jì)算得到電阻R2的值。表二 電路電阻理論參數(shù)CR1R2R31uF25k0.86100k圖2.7二階無(wú)限增益多路反饋帶通濾波器（a） 幅度頻率（b）相位頻率圖2.8 帶通濾波器波特

12、圖實(shí)際電路的幅頻特性曲線(xiàn)和相頻特性曲線(xiàn)與仿真得到的幅頻特性曲線(xiàn)和相頻特性曲線(xiàn)的變化趨勢(shì)相同，不同之處恰好體現(xiàn)了理論計(jì)算與具體實(shí)現(xiàn)之間的差異。因此，電路特性的仿真對(duì)電路的具體設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。通頻帶490Hz510Hz 內(nèi)起伏小于1 dB，在不大于450Hz和不小于550Hz處衰減大于20dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 電路通過(guò)此帶通濾波器便可產(chǎn)生大約500Hz的電壓波形。第三章 系統(tǒng)綜述在測(cè)量電容量時(shí)，文氏橋振蕩電路所產(chǎn)生500Hz正弦波電壓，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器作為緩沖電路，作用于被測(cè)電容Cx；通過(guò)電容電壓轉(zhuǎn)換電路將Cx轉(zhuǎn)換為交流電壓信號(hào)，再經(jīng)二階帶通濾波電路濾掉其他頻率的干擾，輸出是幅值與Cx成比例的

13、500Hz正弦波電壓。電容測(cè)量電路的輸出電壓作為AC/DC轉(zhuǎn)換電路的輸入信號(hào)，轉(zhuǎn)換為直流電壓；再由A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)液晶顯示器，顯示出被測(cè)電容的容量值。圖3.1 電容測(cè)量電路及其輸出電壓轉(zhuǎn)換電路方框圖3.1 總電路圖圖3.2 總電路圖3.2 系統(tǒng)仿真圖3.3 仿真圖1 說(shuō)明:當(dāng)電容為10uF時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)得電壓為7.725V,的比值大小為X1=515000.圖3.4 仿真圖2 說(shuō)明:當(dāng)電容為10uF時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)得電壓如圖所示,比例X2=516300.圖3.5 仿真圖3 說(shuō)明:當(dāng)輸入電容為5uF時(shí)，用萬(wàn)用表測(cè)得輸出電壓如圖所示，與被測(cè)電容的比值為X3=509200.3.3 結(jié)論：

14、輸入電容通過(guò)電容測(cè)試電路，輸出電壓的大小與電容量的比值在大非常近似，即其電容量與輸出電壓成正比。第四章 設(shè)計(jì)心得通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，不僅加深了對(duì)模擬電子技術(shù)這們課程的學(xué)習(xí)，而且通過(guò)上網(wǎng)及到圖書(shū)館查找資料，拓寬了本課程的知識(shí)面。通過(guò)Multisim實(shí)現(xiàn)仿真，讓我感受到計(jì)算機(jī)的實(shí)用性。不斷通過(guò)文獻(xiàn)檢索讓我認(rèn)識(shí)到知識(shí)的廣泛性，進(jìn)一步強(qiáng)化了文獻(xiàn)檢索技能。這次課程設(shè)計(jì)我們繼數(shù)電之后的第二門(mén)課程設(shè)計(jì)，所以已經(jīng)有了一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，在本次設(shè)計(jì)中，我們八個(gè)人一起查找資料，分組設(shè)計(jì)，克服種種設(shè)計(jì)難關(guān)，加強(qiáng)了我們之間的團(tuán)隊(duì)精神與合作意識(shí)。參考文獻(xiàn)1童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.4版.北京：高等教育出版社，

15、2006.2王艷春.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與Multisim仿真M.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2011.3 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.5版.北京：高等教育出版社，2006.4 邱關(guān)源.電路M. 5版.北京：高等教育出版社，2006.5 畢滿(mǎn)清.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.6 李國(guó)麗,劉春,朱維勇.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.7 郭鎖利,劉延飛,李琪,等.基于Multisim9的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與綜合應(yīng)用M.北京：人民郵電出版社，2008.8 齊躍林，劉燕燕，畢衛(wèi)紅.電子線(xiàn)路CADM.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.9 聶典、丁偉.Multisim 10計(jì)算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社,2009.10 黃