簡(jiǎn)單的電容測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目子項(xiàng)目滿分得分1 作品設(shè)計(jì)方案1050制作質(zhì)量20完成效果202 設(shè)計(jì)報(bào)告方案論證1040電路、計(jì)算，或仿真10調(diào)試、測(cè)試數(shù)據(jù)10規(guī)性103其他工作態(tài)度510答辯5總分100電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：電容測(cè)量?jī)x學(xué)生： 學(xué)號(hào)： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 09自動(dòng)化一、設(shè)計(jì)條件1 可選元件(1) 雙運(yùn)放芯片()，二極晶體管；(2) 電阻、電容、電位器等；(3 )引腳插座，排針。2 可用儀器萬(wàn)用表，示波器，直流穩(wěn)壓電源。二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1 設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)電路技術(shù)要求的指標(biāo)，制作一個(gè)簡(jiǎn)易電容測(cè)量裝置，完成選題電路的設(shè)計(jì)、裝配、焊接與調(diào)試。2 設(shè)計(jì)要求(1 )電容測(cè)量的圍：1uf10

2、00uf , 100nf1uf ;(2)選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。包括：計(jì)算電路元件參數(shù)、選 擇元件、畫(huà)出總體電路原理圖；(3 )用軟件仿真整體或部分核心實(shí)驗(yàn)電路，得出適當(dāng)結(jié)果；(4)裝配、調(diào)試作品，按規(guī)定格式寫(xiě)出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。三、時(shí)間安排1第9周：布置設(shè)計(jì)任務(wù)，講解設(shè)計(jì)要求、實(shí)施計(jì)劃、設(shè)計(jì)報(bào)告等要求，完成選題。2.第1014周：完成資料查閱、作品設(shè)計(jì)、模擬仿真，領(lǐng)取元件、實(shí)際制作。3 .第1516周：制作并調(diào)試設(shè)計(jì)作品。4第17周：作品檢查、評(píng)價(jià)、驗(yàn)收，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。5 第18周：抽選作品答辯，提交設(shè)計(jì)報(bào)告。指導(dǎo)教師簽名:年月日摘要 1關(guān)鍵詞 11 緒論 12 需求分析 12

3、.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 12.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 12.1.2 設(shè)計(jì)要求 122 設(shè)計(jì)思想 13 設(shè)計(jì)方案 13.1 方案論證 13.1.1 文氏橋振蕩電路 23.1.2 反向比例運(yùn)算電路 33.1.3 C/ACV 轉(zhuǎn)換電路 33.1.4 有源濾波電路 43.2 工作原理 54 電路詳細(xì)設(shè)計(jì) 54.1 文氏橋振蕩電路分析 54.2 反向比例運(yùn)算以及C/ACV轉(zhuǎn)換電路分析 64.3有源濾波電路分析 75 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 75.1 文氏橋振蕩實(shí)驗(yàn) 75.2 反向比例電路實(shí)驗(yàn) 85.3 有源濾波實(shí)驗(yàn) 85.4 結(jié)果分析 95.4.1 文氏橋振蕩以及反向比例運(yùn)算電路分析 95.4.2 有源濾波以及 C/ACV電

4、路分析 96 結(jié)論 106.1 設(shè)計(jì)成果 106.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn) 106.3 存在問(wèn)題及改進(jìn)方法 10參考文獻(xiàn) 10致謝 10附錄A電路全圖 11附錄B元器件清單 11題目摘要本文主要通過(guò)用容抗法來(lái)完成一個(gè)電路對(duì)電容值的測(cè)量。根據(jù)參考文獻(xiàn)可以得出其基本設(shè)計(jì)思想是：將一個(gè)頻率一定的正弦波信號(hào)作用于被測(cè)電容Q，利用所產(chǎn)生的容抗 Xc實(shí)現(xiàn)C/ACA轉(zhuǎn)換，將Xc轉(zhuǎn)換為交流電壓；再通過(guò)測(cè)量交流電壓的值來(lái)獲得C的電容量。利用此方法測(cè)量圍可自己來(lái)調(diào)節(jié)，可以測(cè)量從100nf1uf，1uf1000uf的電容值，得到最后輸出的正弦波來(lái)算得電容 C的值，且測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確。關(guān)鍵詞電容測(cè)量電路；文氏橋振蕩電路；反向比例

5、運(yùn)算電路；C/ACV轉(zhuǎn)換電路；有源濾波電路。1 緒論儲(chǔ)存電荷的容器，是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中常見(jiàn)的元器件。它是由兩片靠得較近的金屬片，中間再隔以絕緣物質(zhì)而組成的。絕緣材料不同，可制成各種各樣的電容。：云母、瓷介、紙介，電解電容等。在構(gòu)造上，又分為固定電容和可變電容。容器對(duì)直流電阻力無(wú)窮大，即電容器 具有隔直流作用。電容對(duì)交流電的阻力受交流電頻率影響，即相同容量的電容對(duì)不同頻率的交流電呈現(xiàn)不同的容抗。電容不像電阻那樣容易測(cè)量其值的大小，有些時(shí)候我們就希望通過(guò)某種儀器來(lái)測(cè)量的值。目前測(cè)量電容的幾種基本方法有：1、電容式傳感器測(cè)量；2、振蕩頻率法；3、電抗電橋測(cè)量；4、恒流充電振蕩法等，本設(shè)計(jì)采用容抗法測(cè)量電

6、容值。本設(shè)計(jì)電路圖簡(jiǎn)單，清晰 明了且元器件容易得到。2需求分析2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)題目說(shuō)給的要求設(shè)計(jì)一個(gè)電容測(cè)量裝置，能夠借用萬(wàn)用表，示波器與直流穩(wěn)壓裝置來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量一定圍的電容值。2.1.2 設(shè)計(jì)要求根據(jù)題目的要求采用直流穩(wěn)壓源供電，運(yùn)用運(yùn)算放大器、晶體管。電位器電阻等元器件設(shè)計(jì)電路裝置測(cè)量 100nf1000uf的電容值。2.2 設(shè)計(jì)思想在電路中接入待測(cè)電容， 將電容所產(chǎn)生的電流量轉(zhuǎn)化為電壓量，再根據(jù)容抗法和最后電路輸出的正弦電壓計(jì)算出電容值。3設(shè)計(jì)方案采用容抗法將正弦波信號(hào)作用與被測(cè)電容利用所產(chǎn)生的容抗Xc實(shí)現(xiàn)C/ACV轉(zhuǎn)換，將Xc轉(zhuǎn)換為交流電壓來(lái)獲得 Cx的電

7、容量。3.1 方案論證本設(shè)計(jì)先通過(guò)一個(gè)文氏橋電路自激振蕩產(chǎn)生一個(gè)頻率一定的正弦波，再通過(guò)反向比例電路來(lái)減小正弦波的幅值，然后經(jīng)過(guò)被測(cè)電容再過(guò)一個(gè)有源濾波電路，將最先產(chǎn)生的正弦波信號(hào)從干擾信號(hào)濾出來(lái)，得到電壓U04是幅值與被測(cè)電容 Cx容量稱正比關(guān)系的一定頻率的交流 電壓，根據(jù)換算就可以算得電容的值。方案圖如3-1所示：圖3-1 方案框圖3.1.1文氏橋振蕩電路文氏橋振蕩電路是最常見(jiàn)及最典型的RC橋式正弦波振蕩電路，其主要由三部分構(gòu)成:RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)算放大器及反饋網(wǎng)絡(luò)。其產(chǎn)生的頻率為：fo12、 R10R11C5C3電路如圖3-2所示:5C.O.OInF <TEXT>R11i

8、39.2k <TEXT>U1:AR1039.2k <TEM>:C3 0,01 -<TE312fibTL062叮匚3.6k 占 “ ：<TEXT>i ：R91.5kJ <TEXT> -圖3-2文氏橋振蕩電路3.1.2反向比例運(yùn)算電路振蕩輸出的波形經(jīng)過(guò) R2與反向比例運(yùn)算電路的輸出端并聯(lián)輸入其放大器的反向輸入 端，可得到其比例系數(shù)如下：AuR4 R3R2穩(wěn)定Uo2輸出的波形,上式中R4為201電位器，可以調(diào)節(jié)阻值的大小來(lái)改變比例系數(shù),般波形穩(wěn)定后就不再調(diào)動(dòng)R4 了。同時(shí)該電路還有隔離振蕩電路和被測(cè)電容，使電路更加穩(wěn)定。3.1.3 C/ACV 轉(zhuǎn)

9、換電路電路輸入的電抗便為被測(cè)電容的容抗，公式如下:Xcx1jwCx1j2 fCx轉(zhuǎn)換系數(shù)為:=-2 碎"其中Rf可根據(jù)被測(cè)電容的不同值來(lái)選擇不同檔位的電阻來(lái)測(cè)量。當(dāng)Uo2的幅值一定的時(shí)候，Uo3與被測(cè)電容量 Cx成正比。這樣，電容量就轉(zhuǎn)換成電壓量，可以通過(guò)計(jì)算得出被 測(cè)電容的值了。電路如圖3-4所示：3.1.4 有源濾波電路能夠?yàn)V除輸入電壓中間夾雜的干擾頻率，得到想要的電根據(jù)需求將有源濾波電路加入, 壓頻率。電路如圖3-5所示：圖3-5有源濾波電路上圖中的中心頻率fo 11112 C2 R8 R7 R1所以，能過(guò)通過(guò) U4的頻率為U3中的頻率幅值與濾波電路中的fo相同頻率的交流電壓值

10、，根據(jù)U4的最后輸出來(lái)算得電容值。3.2 工作原理從整個(gè)電路來(lái)看可以得到，該電路最先通過(guò)文氏橋振蕩產(chǎn)生的正弦波作用于電容上，將電容量轉(zhuǎn)化為交流電壓量，再通過(guò)濾波電路出去干擾信號(hào)后得到電壓值U4,經(jīng)過(guò)公式就能夠計(jì)算出被測(cè)電容。整體電路如圖3-6所示：4電路詳細(xì)設(shè)計(jì)4.1 文氏橋振蕩電路分析其中在試驗(yàn)中 R10=R1仁39.2k，C5=C3=0.01uf可以得到的頻率 fo，根據(jù)公式fo 400Hz，實(shí)際試驗(yàn)中測(cè)得 fo 315Hz。2 、R10R11C5C3如圖4-1所示為XX電路:圖4-1 文氏橋振蕩電路 為保證空能夠產(chǎn)生自激振蕩，R5 2R9 。4.2 反向比例運(yùn)算以及C/ACV轉(zhuǎn)換電路分析

11、自激振蕩產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過(guò)反向比例運(yùn)算器后得到幅值的降低，再經(jīng)過(guò)被測(cè)電容以及 C/ACV轉(zhuǎn)換電路把電容的容抗轉(zhuǎn)換成電壓量。圖4-2反向比例運(yùn)算電路4.3有源濾波電路分析1I ii1U4通過(guò)fo 1111的選擇，把干擾頻率濾去。在實(shí)際試驗(yàn)中，測(cè)得2C2*R8 R7 R1的fo=315Hz,所以U4只允許U3中頻率約為315Hz的頻率通過(guò)。<300<U4：A32寸LM358R8 £1乞 TEXT；CO 16BK3 <TEXT>0.01 nF-<TIEXT>r0.01nFR7.11k J 農(nóng)TEKThR1圖4-3有源濾波電路5實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.1 文氏橋振蕩實(shí)驗(yàn)

12、Uo1產(chǎn)生的波形如下RIGOL T* D IM If 4削iriUH314.1Q2HhiU= 5 亠fr護(hù)=f IS.SHz毗LE3 2.06UTime lk00mi &*0 ,6000s電路產(chǎn)生的正弦波信號(hào)測(cè)試結(jié)果如表5-1所示。表5-1 Uo1測(cè)量結(jié)果平均Uo1/v5.325.385.405.365.37測(cè)量次數(shù)5.2 反向比例電路實(shí)驗(yàn)Uo2產(chǎn)生的波形如下KIGOL V D Hiif 0） 1 -60irfU Un）3（l）=55 卡m*Fre<i（l）=jfl 1 【町価西 + 血uTi（n ueesMf s>*0t0©003測(cè)試結(jié)果如表5-2所示。表5-2

13、 Uo2測(cè)量結(jié)果測(cè)量次數(shù)1234平均Uo2/mv55.352.356.154.654.65.3 有源濾波實(shí)驗(yàn)Uo4產(chǎn)生波形如下（Uo3與Uo4的波形一致），下圖為被測(cè)電容是 470nf的Uo4波形:RIGOL T° D i f O S0ZDT i| T n-? MU IU max(l)= S u 如*F re-<i(l> =| 12 5Hz【1 弭na 2*0ouTiiw re6tfii &*+e30s測(cè)試結(jié)果如表5-3所示。表5-3 Uo4測(cè)量結(jié)果被測(cè)電容CxRf值/Uo4/Vfo /Hz計(jì)算得Cx值470nf68 K3.68312.5488nf4.7uf10K

14、4.82313.44.5uf5.4 結(jié)果分析5.4.1文氏橋振蕩以及反向比例運(yùn)算電路分析當(dāng)橋式電路能夠產(chǎn)生自激振蕩以及自激振蕩產(chǎn)生了正弦波后，其是否失真與電路中的元器件參數(shù)有關(guān)。在剛開(kāi)始使用 =電路的時(shí)候可能要調(diào)節(jié) R9與R5的值的大小使Uo1產(chǎn)生穩(wěn)定 是輸出波形。另外，產(chǎn)生的振蕩在整個(gè)電路中應(yīng)該保持頻率不變。其中理想的自激振蕩頻率值與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的值存在一定的偏差，其中可能是因?yàn)橥饨珙l率干擾以及雙運(yùn)放芯片跟電路中元器件受溫度的影響導(dǎo)致的參數(shù)變化。在實(shí)驗(yàn)中，不同的運(yùn)算放大器芯片產(chǎn)生的效果不同，因?yàn)槊糠N芯片中的部參數(shù)各不一樣，所以在以后設(shè)計(jì)中要注意使用相應(yīng)的芯片，不能隨意用其他芯片替換。5.4

15、.2有源濾波以及C/ACV電路分析電容的容抗經(jīng)過(guò)電路轉(zhuǎn)換成交流電壓量，在C/ACV轉(zhuǎn)換電路中選擇適當(dāng)?shù)?Rf值來(lái)測(cè)量電容值，得到交合適的電壓輸出值，計(jì)算公式如下：5 =彳 = 2兀因?yàn)閁o3的波形在最后的濾波電路中能夠被其選擇濾出來(lái)，濾波選擇公式如下：fo 11112 C2 R8 R7 R1所以再通過(guò)濾波電路后的選頻得到最后需求的波形。6結(jié)論6.1 設(shè)計(jì)成果在本設(shè)計(jì)中將 Rf設(shè)置成多個(gè)可供選擇的電位器來(lái)適應(yīng)被測(cè)電容的圍，得到根偉理想的 Uo4輸出波形；在電路中很容易測(cè)量交流電壓量，而不是電容的容抗，所以根據(jù)換算公式， 將電容值換算出來(lái)，能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。6.2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，能夠測(cè)量的電容圍較廣，思路清晰。6.3 存在問(wèn)題及改進(jìn)方法不夠直因?yàn)殡娐沸枰鶕?jù)公式換算而不是直接將交流電壓量通過(guò)轉(zhuǎn)換直接顯示出數(shù)值，觀，相對(duì)麻煩一點(diǎn)；由于要靠示波器等