1、遼寧工業(yè)大學模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計（論文）題目：電容測量電路院（系）:電氣工程學院專業(yè)班級：學 號：學生：指導教師：教師職稱：副教授起止時間：2013070120130714課程設(shè)計（論文）任務及評語院（系）：電子信息工程學院教研室：學號學生專業(yè)班級課程設(shè)計題目電容測量電路的設(shè)計課程設(shè)計論文任務設(shè)計任務：設(shè)計一種電容測量電路，能用于測量電容量并電容判斷的好壞。設(shè)計本測試儀所需的直流穩(wěn)壓電源。功能要求：設(shè)計中應含有信號產(chǎn)生電路。電路具有判斷電容功能好壞的功能。設(shè)計要求：1.分析設(shè)計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標 及應用環(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。對各種方案進行比較，以電路的先進性、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。.設(shè)計各單元電路?？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。4.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 用左進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。進度計劃1、布置任務，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)進行仿真，分析系統(tǒng)性能。（2天）6、撰寫、打印設(shè)計說明書。

3、（1天）指導教普語及成績成績： 指導教師簽字：摘要本文介紹了電容測量電路的設(shè)計，可以測量電容量大小。對幾種電容檢測的 方法進行了分析之后，本文詳細地闡述了電橋法電容檢測的原理;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現(xiàn)，電路中沒有影響測量穩(wěn)定性和產(chǎn) 生零點漂移的元器件，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，對被測電容只進行一次充放電即可完成電容的測量。該系統(tǒng)具有設(shè)計簡單, 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，分辨率高等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：微小電容電橋充放電穩(wěn)定可靠 TOC o 1-5 h z HYPERLINK

4、l bookmark7 o Current Document 摘要IV HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第1章電容測量電路的設(shè)計方案論證1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.1電容測量電路的應用意義1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.2電子溫度控制器的設(shè)計要求及設(shè)計參數(shù)11.2.1設(shè)計要求11.2.2 設(shè)計參數(shù)1 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 1.3設(shè)計方案的論證2 HYPERLI

5、NK l bookmark31 o Current Document 1.4總體設(shè)計方案框圖及分析3 HYPERLINK l bookmark37 o Current Document 第2章電容測量電路各單元電路的設(shè)計4 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 2.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計4 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 2.2信號產(chǎn)生電路的設(shè)計5 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 2.3電容測量電路的設(shè)計7 HYPERLINK l bookmark

6、59 o Current Document 第3章電容測量電路的整體設(shè)計9 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 3.1整體電路圖及原理圖93.2電路的工作原理9 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 3.3整體電路性能分析10 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 第4章課程設(shè)計總結(jié)10 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document 參考文獻11 HYPERLINK l bookmark84 o Current Doc

7、ument 附錄器件清單12第1章電容測量電路的設(shè)計方案論證1.1電容測量電路的應用意義在電子產(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) 品應具備一定規(guī)格年限的使用壽命。因此在生產(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

8、電容測量的實現(xiàn)，本設(shè)計能夠?qū)ξ⑿‰娙葸M行測量。1.2電子溫度控制器的設(shè)計要求及設(shè)計參數(shù)1.2.1設(shè)計要求設(shè)計一種電容測量電路，能用于測量電容量并判斷電容的好壞。設(shè)計本測試儀所需要的直流穩(wěn)壓電源。.分析設(shè)計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應 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。.確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、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。.設(shè)計各單元電路?？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。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，

9、采用左 進右出的規(guī)律擺放各電路，并標出必要的說明。1.2.2設(shè)計參數(shù)能用來測量電容電路中含有直流穩(wěn)壓電源。含有信號產(chǎn)生電路。電路具有判斷電容功能好壞的功能1.3設(shè)計方案的論證電容器作為非常重要的一個電學元件在現(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： f。這種原始的方法必須通過測量兩個物理量來計算電容的大小，而其中的 Q是比較難以測量的量。目前常用的兩種測量電容的實現(xiàn)方法：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 電壓實現(xiàn)，此方案硬件設(shè)計簡單但是軟件實現(xiàn)相對復雜。方案二利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)裝置產(chǎn)生于電

10、容值成正比門脈沖來控制通過計數(shù)器的標準技 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，需使用濾波器及考慮相位補償，電路結(jié)構(gòu)相對復 雜，成本也較高。本文提出的電容測量電路，對被測電容只進行一次充放電即可 完成電容的測量，且電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好。1.4總體設(shè)計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。圖1.4總體設(shè)計框圖本設(shè)計采用直流穩(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)壓三個部分使傳輸給信號產(chǎn)

11、生電路的電壓保持不變。文氏電橋電路在設(shè)計中作為信號產(chǎn)生電路。電路中引入Rw來改變負反饋的 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。對被測電容只進行一次充放電即 可完成電容的測量。第2章電容測量電路各單元電路的設(shè)計2.1直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計串聯(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。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。串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源的構(gòu)思1電網(wǎng)供電電壓為交流220V （有效值），50HZ,要獲得

12、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。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。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。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 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。串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源適用于小功率的電路。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?，整流電路把正負交變?0HZ電網(wǎng)電壓變成單 方向脈沖的直流電壓。濾波器常用RLC構(gòu)成的濾波電路。電路為小功率

13、直流穩(wěn)壓電源，所以也可 以稱為電容輸入式濾波電路。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。穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與負載串聯(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)整管進行保護。保護電路比較放大電 路取樣電路R保護電路比較放大電 路取樣電路R基準電壓電 路Q0圖2.1穩(wěn)壓電源總體框圖串聯(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是一個可變電阻器，調(diào)整它就可改變A點的電 位，進

14、而調(diào)整輸出電壓的值。DZ2 113VR1 kOhmDZ2 113VR1 kOhm圖2.1穩(wěn)壓電源電路2.2信號產(chǎn)生電路的設(shè)計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組成負反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)RW可以改變負反饋的反饋系數(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反饋回路里加入非線性元件來自動調(diào)整負反饋 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)計中利用兩個反向并聯(lián) 二極管D1、D2正向電阻的非線性特性來實

15、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。D1R374 |R374 |5.1 k Ohm溥W” -R2 3、二 0.01 uF，)k OhmWv圖2.2 RC橋式正弦波產(chǎn)生電路為了維持振蕩輸出，必須讓1+Rf/R3=3為了保證電路起振，必須讓1+Rf/R33Rf=Rw+（R4/rd）當：R1=R2=R,C1=C2=C 時電路的政黨頻率：f=1/2nRC起振的幅值條件：Rf/R3N2調(diào)整電阻RW,使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負反饋 太強，應適當加大Rf,如波形失真嚴重，則應適當減少Rf

16、。改變選聘網(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作量程的切換（細調(diào)）。信號產(chǎn)生電路仿真實驗中，電路輸入電壓15V,通過軟件EWB進行仿真, 輸出正弦波型，輸出波形如圖2.2（a）。圖2.2（a） Vo輸出的仿真波形2.3電容測量電路的設(shè)計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重復進行，因而平均電流Im=VeCxf,該電流被轉(zhuǎn)換成電壓并被

17、 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, 它們不影響電容Cx的測量）o 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=2KRfVeCx.f （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)過補償后電路穩(wěn)定性較高，獲取數(shù)據(jù)速 度快。CT圖2.3電容測量電路的設(shè)計第3章電容測量電路的整體設(shè)計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

18、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?，由于兩個運放中負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。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， 可以用于精度不高的測試中。本設(shè)計通過電路的仿真，

19、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)計總結(jié)本次課程設(shè)計我通過圖書與網(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)計想法，建立了一個大概的模型。然后運用了本學期所學的電子電 路的知識逐步的擴展并查漏補缺，最終形成了這個設(shè)計網(wǎng)絡(luò)。由于現(xiàn)在所學習的 知識有限，此次課程設(shè)計中也有不少不足的地方。通過本次的課程設(shè)計，我把本學期學到的知識最大化的運用到了本次課程設(shè) 計中，對電子電路知識的運用也有了初步的了解，把書本上所學到的運用到了設(shè) 計實踐中，這對以后的工作也會有很大的幫助。參考文獻康華光 主編電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）（第5版）高等教育2006.01