電容測量電路

1、遼遼 寧寧 工工 業(yè)業(yè) 大大 學(xué)學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課程設(shè)計(jì)（論文）課程設(shè)計(jì)（論文）題目：題目：電容測量電路電容測量電路院（系）：院（系）： 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學(xué)學(xué) 號：號： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： 王景利王景利 教師職稱：教師職稱： 副教授副教授 起止時間：起止時間：2013.07.012013.07.012013.07.142013.07.14本科生課程設(shè)計(jì)（論文）II課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語院（系）：電子信息工程學(xué)院 教研室：學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計(jì)題目電容測量電路的設(shè)計(jì)電容測量電路的設(shè)計(jì)

2、課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)：1.設(shè)計(jì)一種電容測量電路，能用于測量電容量并電容判斷的好壞。2.設(shè)計(jì)本測試儀所需的直流穩(wěn)壓電源。功能要求：1.設(shè)計(jì)中應(yīng)含有信號產(chǎn)生電路。2.電路具有判斷電容功能好壞的功能。設(shè)計(jì)要求：1 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計(jì)。4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局

3、，通常是按信號的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。進(jìn)度計(jì)劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。 （1 天）2、確定測量方案，設(shè)計(jì)電容測量電路接線圖。 （2 天）3、建立電容測量電路各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及框圖。 （2 天）4、繪制測量電路電路圖。 （2 天）5、對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析系統(tǒng)性能。 （2 天）6、撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書。 （1天）本科生課程設(shè)計(jì)（論文）III指導(dǎo)教師評語及成績成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日本科生課程設(shè)計(jì)（論文）IV摘要本文介紹了電容測量電路的設(shè)計(jì)，可以測量電容量大小。對幾種電容檢測的方法進(jìn)行了分析之后，本文詳細(xì)地闡述了電橋法電容檢測的原理

4、;提出了一種交流型電容測量電路,本系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源、RC 橋式正弦波產(chǎn)生電路、充/放電電容測量電路和差分電路來完成電容測量的實(shí)現(xiàn)，電路中沒有影響測量穩(wěn)定性和產(chǎn)生零點(diǎn)漂移的元器件，大幅度地降低了測量過程中的噪聲。本文提出的電容測量電路，對被測電容只進(jìn)行一次充放電即可完成電容的測量。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡單，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞： 微小電容 電橋 充放電 穩(wěn)定可靠本科生課程設(shè)計(jì)（論文）V目 錄摘 要 .IV第 1 章 電容測量電路的設(shè)計(jì)方案論證 .11.1 電容測量電路的應(yīng)用意義 .11.2 電子溫度控制器的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)參數(shù) .11.2.1 設(shè)計(jì)要求 .11.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù) .2

5、1.3 設(shè)計(jì)方案的論證 .21.4 總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析 .3第 2 章 電容測量電路各單元電路的設(shè)計(jì) .42.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) .42.2 信號產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì).62.3 電容測量電路的設(shè)計(jì).7第 3 章 電容測量電路的整體設(shè)計(jì) .93.1 整體電路圖及原理圖 .93.2 電路的工作原理 .93.3 整體電路性能分析 .10第 4 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) .10參考文獻(xiàn) .11附錄 器件清單 .12本科生課程設(shè)計(jì)（論文）1第 1 章 電容測量電路的設(shè)計(jì)方案論證1.1 電容測量電路的應(yīng)用意義在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和維修中，電容測量這一環(huán)節(jié)至關(guān)重要，一個好的電子產(chǎn)品應(yīng)具備一定規(guī)格年限的使用壽命。因此在

6、生產(chǎn)這一環(huán)節(jié)中，對其產(chǎn)品的檢測至關(guān)重要，而檢測電子產(chǎn)品是否符合出產(chǎn)要求的關(guān)鍵在于檢測其內(nèi)部核心的電路，電路的好壞決定了電子產(chǎn)品的好與壞，而電容在基本的電子產(chǎn)品的集成電路部分有著其不可替代的作用。同樣，在維修人員在對電子產(chǎn)品的維修中，電路的檢測是最基本的，有時需要檢測電路中各個部件是否工作正常，電容器是否工作正常。本設(shè)計(jì)采用直流穩(wěn)壓電源、RC 橋式正弦波產(chǎn)生電路、充/放電電容測量電路和差分電路來完成電容測量的實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M(jìn)行測量。1.2 電子溫度控制器的設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)參數(shù)1.2.1 設(shè)計(jì)要求1.設(shè)計(jì)一種電容測量電路，能用于測量電容量并判斷電容的好壞。2.設(shè)計(jì)本測試儀所需要的直流穩(wěn)壓

7、電源。3 .分析設(shè)計(jì)要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。4 .確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。5 .設(shè)計(jì)各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計(jì)。6.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）21.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù) 1.能用來測量電容2.電路中含有直流穩(wěn)壓電源。3.含有信號產(chǎn)生電路。4.電路具有判斷電容功

8、能好壞的功能1.3 設(shè)計(jì)方案的論證電容器作為非常重要的一個電學(xué)元件在現(xiàn)代電子技術(shù)中有著非常廣泛的用途，電容器定義為：電容器所帶的電荷量 Q 與電容器兩極板間的電勢差 U 的比值，即：。這種原始的方法必須通過測量兩個物理量來計(jì)算電容的大小，而其中的 QQCU是比較難以測量的量。目前常用的兩種測量電容的實(shí)現(xiàn)方法： 方案一方案一利用多諧振蕩產(chǎn)生脈沖寬度與電容值成正比信號，通過低通濾波后測量輸出電壓實(shí)現(xiàn)，此方案硬件設(shè)計(jì)簡單但是軟件實(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜。方案二方案二利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)裝置產(chǎn)生于電容值成正比門脈沖來控制通過計(jì)數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)脈沖的通斷，即直接根據(jù)充放電時間判斷電容值。以上兩種方案脈動噪聲大，需使用濾波器

9、及考慮相位補(bǔ)償，電路結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本也較高。本文提出的電容測量電路，對被測電容只進(jìn)行一次充放電即可完成電容的測量，且電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好。多諧振蕩脈沖產(chǎn)生器低通濾波電路輸出電壓單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)裝置計(jì)數(shù)器記錄時間本科生課程設(shè)計(jì)（論文）31.4 總體設(shè)計(jì)方案框圖及分析 首先使用萬用表粗略地檢查一下電容是否失效或漏電的情況。在直流穩(wěn)壓電源下，由文氏電路產(chǎn)生信號，經(jīng)過充放電電容測量電路工作，再經(jīng)過差分電路。然后就可以知道電容量的大小，并判斷電容的好壞。直流穩(wěn)壓電源文氏電橋電路電容測試電路差分電路圖 1.4 總體設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)采用直流穩(wěn)壓電源，根據(jù)穩(wěn)壓二極管兩端電壓不變，通過整流、濾波、穩(wěn)壓三個部分使傳輸

10、給信號產(chǎn)生電路的電壓保持不變。文氏電橋電路在設(shè)計(jì)中作為信號產(chǎn)生電路。電路中引入 Rw 來改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)電壓的增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。電容測量電路采用差動式充/放電電容測量。對被測電容只進(jìn)行一次充放電即可完成電容的測量。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）4第 2 章 電容測量電路各單元電路的設(shè)計(jì)2.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)串聯(lián)型穩(wěn)壓電源為克服穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流小，輸出電壓不可調(diào)的缺點(diǎn)。本方案引入串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的工作原理在輸入電壓存在波動時，輸出電壓保持恒定的裝置，利用穩(wěn)壓二極管兩端電壓不變的原理，使輸出電壓保持不變。一串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的構(gòu)思 1.電網(wǎng)供電電壓為

11、交流 220V（有效值）,50HZ,要獲得低壓直流輸出，首先采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要的交流電壓。 2.整流電路：通過整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓，但其幅值變化大。3.濾波電路：脈動大的直流電壓需要經(jīng)過濾波電路變成平滑的，脈動小的直流電，即將交流成分濾掉，保留其直流成分。4.穩(wěn)壓電路：這樣的電壓還隨著電網(wǎng)電壓波動（一般有 10%左右的波動） ，負(fù)載和溫度的變化而變化。因此還需要穩(wěn)壓電路，其作用是維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。5.串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源適用于小功率的電路。二串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的工作原理分析1利用二極管的單向?qū)щ娦?，整流電路把正?fù)交變的 50HZ 電網(wǎng)電壓變成單方向脈沖的

12、直流電壓。2.濾波器常用 RLC 構(gòu)成的濾波電路。電路為小功率直流穩(wěn)壓電源，所以也可以稱為電容輸入式濾波電路。3.穩(wěn)壓電路由比較放大部分由兩個三極管組成，可以提高電路的穩(wěn)定性。4.穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與負(fù)載串聯(lián)，輸出電流過大或者輸出短路時，調(diào)整管會由于電流過大或電壓過高二損壞，所以需要對調(diào)整管進(jìn)行保護(hù)。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）5調(diào)整管保護(hù)電路基準(zhǔn)電壓電路比較放大電路取樣電路R三串聯(lián)型穩(wěn)壓電源的具體構(gòu)成 四個二極管與電容 C1 構(gòu)成橋式整流、電容濾波電路。R、DZ2 為基準(zhǔn)電壓。T2、T3 為調(diào)整管。T1、R1 構(gòu)成啟動電路，為調(diào)整管提供正向偏執(zhí)電流。R3、R4、RW 組成了輸出電壓取樣支路 RW

13、是一個可變電阻器，調(diào)整它就可改變 A點(diǎn)的電位，進(jìn)而調(diào)整輸出電壓的值。圖 2.1 穩(wěn)壓電源電路圖 2.1 穩(wěn)壓電源總體框圖本科生課程設(shè)計(jì)（論文）62.2 信號產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)RC 橋式正弦振蕩電路如圖所示。其中 R2、C2 和 R1、C1 串并聯(lián)構(gòu)成正反饋支路，同時兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運(yùn)算放大器的輸出與同相輸入端之間，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3、R4、RW 組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié) RW 可以改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)放大電路的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。為了使振蕩幅度穩(wěn)定，通常在放大電路的負(fù)反饋回路里加入非線性元件來自動調(diào)整負(fù)反饋放大電路的增益，從而維持輸出電壓幅度的穩(wěn)定。在本設(shè)計(jì)中利用

14、兩個反向并聯(lián)二極管 D1、D2 正向電阻的非線性特性來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅。D1、D2 采用硅管，且要求特性匹配，才能保證輸出波形正、負(fù)半周的對稱。R3 的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。 為了維持振蕩輸出，必須讓 1+Rf/R3=3為了保證電路起振，必須讓 1+Rf/R33 Rf=Rw+(R4/rd)圖 2.2 RC 橋式正弦波產(chǎn)生電路本科生課程設(shè)計(jì)（論文）7當(dāng)：R1=R2=R,C1=C2=C 時電路的政黨頻率：f=1/2RC起振的幅值條件：Rf/R32調(diào)整電阻 RW，使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負(fù)反饋太強(qiáng)，應(yīng)適當(dāng)加大 Rf，如波形失真嚴(yán)重，則應(yīng)適當(dāng)減少 Rf。改變選

15、聘網(wǎng)絡(luò)的參數(shù) C 或 R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容 C 作頻率量程的切換（粗調(diào)） ，而調(diào)節(jié) R 作量程內(nèi)的切換（細(xì)調(diào)） 。信號產(chǎn)生電路仿真實(shí)驗(yàn)中，電路輸入電壓15V，通過軟件 EWB 進(jìn)行仿真，輸出正弦波型，輸出波形如圖 2.2(a)。2.3 電容測量電路的設(shè)計(jì)電容測量電路采用差動式充/放電電容檢測電路。COMS 開關(guān) S1，將未知電容Cx 充電至 Ve，再由第二個 CMOS 開關(guān) S2 放電至電荷檢測器。在一個信號充/放電周期內(nèi)從 Cx 傳輸?shù)綑z波器的電荷量 Q=VeCx，在時鐘脈沖控制下，充/放電過程以頻率 f=1/T 重復(fù)進(jìn)行，因而平均電流 Im=VeCxf，該電流被轉(zhuǎn)換成電壓

16、并被平滑，最后給出一個直流輸出電壓 Vo=RfIm=RfVeCxf（Rf 為檢波器的反饋電阻） 。Cs1 和 Cs2 分別為源極板和檢測極板與地間的等效雜散電容（通過分析可知，圖 2.2(a) Vo 輸出的仿真波形本科生課程設(shè)計(jì)（論文）8它們不影響電容 Cx 的測量） 。S1-S4 是 CMOS 開關(guān)，S1 和 S3 同步，它們的通斷受頻率 f 的時鐘信號控制，每個工作周期由充/放電組成。分析可得電路輸出為Vo=2KRfVeCxf （K 為差分放大器 D3 的放大倍數(shù)） 。該電路的能有效地抑制雜散電容，而且電路結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，經(jīng)過補(bǔ)償后電路穩(wěn)定性較高，獲取數(shù)據(jù)速度快。 圖 2.3 電容測量

17、電路的設(shè)計(jì)本科生課程設(shè)計(jì)（論文）9第 3 章 電容測量電路的整體設(shè)計(jì)3.1 整體電路圖及原理圖 3.2 電路的工作原理本電路圖有直流穩(wěn)壓電源，信號發(fā)生器，電容測量電路組成，由直流穩(wěn)壓電源提供一個穩(wěn)定的電壓到信號發(fā)生器，給它提供一個直流偏置，讓其不失真的穩(wěn)定的工作。然后將信號傳輸?shù)匠?放電電容測量電路中，能夠測量出電容的數(shù)值，再將信號傳輸?shù)讲罘蛛娐罚捎趦蓚€運(yùn)放中負(fù)反饋的電容大小不同所以最后輸出的電壓也將不同，由此可以判斷兩個電容的大小。本科生課程設(shè)計(jì)（論文）10以上為粗略的對電路工作的原理敘述，單元電路的具體工作可見子電路的分析。3.3 整體電路性能分析這個電路能夠用于比較兩個電容的大小，但是

18、具體的電容參數(shù)不能直觀的測試出來，所以可以成為一個簡單的測試系統(tǒng)。電路的穩(wěn)定性較好，可調(diào)性能強(qiáng)，可以用于精度不高的測試中。本設(shè)計(jì)通過電路的仿真，信號產(chǎn)生電路能夠在不失真的情況下正確地輸出正弦波形，為電容測量電路提供穩(wěn)定的電壓。第 4 章 課程設(shè)計(jì)總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)我通過圖書與網(wǎng)上的關(guān)于此課題的資料，經(jīng)過整理篩選后，在融入自己的設(shè)計(jì)想法，建立了一個大概的模型。然后運(yùn)用了本學(xué)期所學(xué)的電子電路的知識逐步的擴(kuò)展并查漏補(bǔ)缺，最終形成了這個設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)。由于現(xiàn)在所學(xué)習(xí)的知識有限，此次課程設(shè)計(jì)中也有不少不足的地方。通過本次的課程設(shè)計(jì)，我把本學(xué)期學(xué)到的知識最大化的運(yùn)用到了本次課程設(shè)計(jì)中，對電子電路知識的運(yùn)用也有了初步的了解，把書本上所學(xué)到的運(yùn)用到了設(shè)計(jì)實(shí)踐中，這對以后的工作也會有很大的幫助。 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）11參考文獻(xiàn)1 康華光 主編 電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）（第 5 版） 高等教育出版社2006.01 2 楊寶清等 編著實(shí)用電路手冊機(jī)械工業(yè)出版社，2003.06 3 黃永定等 編著電子線路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì) 機(jī)械工業(yè)出版社，2002.034 楊君玲 編著 實(shí)踐教程人民郵電出版社 2011.095 魯寶春等 編著電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn) 東北