LC振荡电路电容和电感的测量设计
2011年02月26日 11:15 本站整理作者：译名用户评论（3）
关键字：电感(52)测量(95)电容(153)LC振荡电路(1)
文中针对电容和电感的测量，简单介绍了关于LC振荡电路测量电容和电感的设计原理。同时通过实验证明该方案能进行高频电感和电容的测量。测量的精度能达到应有要求。
1 测量原理
采用LC振荡器的振荡原理，LC振荡器选择L或是C参数为固定值。通过LC 的组合，振荡器起振，当测量电容时电感固定，测量电感时电容固定。通过LC 振荡器的频率计算公式
其中，
，可以计算出待测的电容或电感数值。
2 电路工作原理
2.1 电路框图设计
如图1所示。框图包括输入切换部分、振荡部分、分频部分、单片机部分、显示部分和键盘部分。此系统由STC89C51单片机作为控制核心，输入切换部分采用双刀双掷继电器完成待测电容或电感的线路切换，振荡电路工作在放大谐振状态，频率有高频管9018的集电极输出，由于频率较高，所以需经过信号分频，再者由于输出的电压幅度大，此处无需再加一级驱动，以74LS393数字分频芯片，把分频端级联实现100分频，最终信号进入单片机，由单片机计算出频率，经过算法设计，实现未知电容或电感参数的测定。图1给出了系统的总体框架图。
2.2 输入切换电路
输入切换电路使用双刀双掷继电器实现，主要负责电容和电感的输入切换，当连接上电容时系统通过继电器K2，如图2所示。连接单片机，K2的固定端直接连接单片机的引脚IO3和IO4，常开节点连接待测电容或电感的引脚两端，并且初始设置两个引脚一个为逻辑高电平5 V，一个为逻辑低电平0 V，当给K2
通电，固定端和常闭端连接，由于IO3和IO4分别为5 V和0 V。电容对直流是开路，所以IO3和IO4电平维持原来的状态。若为电感，由于电感对直流相当于导线，那么5 V的IO会被0 V的拉低。两个IO都为0 V。由此得出没有短路在一起时，单片机判断为电容，从而选择测量电容的方法，此时通过单片机对IO1脚的设置把另一个双刀双掷开关K1，开关拨到上，上为与电容C2并联，如图2所示。而短路在一起时，单片机判断为电感，单片机选择测量电感的方法，此时通过单片机对IO1脚的设置把另一个双刀双掷开关K1开关拨到下，即与电感L 并联。
2.3 振荡电路原理
振荡电路采用LC振荡电路，振荡的频率由L和C确定。振荡管采用9018，Rb1和Rb2为基极偏置，Rc为限流电阻，电容C1、C2和电感L构成正反馈选频
网络，反馈信号取自电容C2两端。该电路也称为电容3点式振荡电路。输入信号和反馈信号同相。在测量过程中，当测量电感时，输入电路自动把待测电感Lx并联到L的两端。当测量电容时，输入电路自动把要测量的电容Cx并联到C1的两端。
2.4 分频电路原理
分频电路采用74LS393数字分频芯片，分频端级联实现100分频，高频管9018的集电极输出振荡信号，之后把振荡器输出的信号100分频，频率将降到单片机测量的范围之内。
当把待测的电容或电感接入时，系统自动进行判断，根据判断结果确定算法。当判断到是电容时，系统计入电容的计算方式，电容的计算方式采用公式
根据测量得到频率和已知的L和C2，从而计算出Cx的值。当判断为电感时，系统进入电感的计算方式，电感的计算方式采用公式
根据测量到的频率和已知的C1、C2、L计算出Lx的值。
3 算法设计
系统上电初始化并且清屏，单片机初始化完成后，进入键盘扫描程序，当要进行电容或电感测量时，选择测量按键，系统进行自动判断并进行电容或电感的测量。当判断为电容时，系统选择电容的计算方法。当判断为电感时，系统选择电感的计算方法。计算完成后在液晶屏上显示测量结果。下面是具体的程序流程图，如图3所示。
4 实际测量数据及其分析
4.1 提高测量精度的方法
采用该系统进行电容和电感的测量，由于元器的热稳定性和外界对电路的干扰影响，测量的结果会有所跳动，是因为三极管的结电容随着温度的变化而变化，从而影响测量结果，这也是电容三点式振荡电路不稳定的关键原因。基于以上原因，在测量过程中可以采用多次测量求平均值的方法提高测量精度。
4.2 实际测量
电路的固定参数如下：Rb1=10 kΩ，Rb2=10 kΩ，Rc=4 kΩ，Re=4.7 kΩ，Cb=1μF，Ce=0.1μF，选择不同的电容分别测试3次，得到表1。选择不同的电感分别测试3次，得到表2。由表得出测量值与标称值几乎接近，表明系统设计方案的正确性，满足一般的实验室和工程设计用到的电子元器件参数测试精度要求。
5 结束语
本系统采用单片机和振荡器起振的组合，计算电容和电感值。系统拥有比较智能的测量方法和简易的操作方法。单片机进行全自动的判断和测量，通过单片机的IO口判断来确认所要测量的对象。然后进行频率的测量和测量结果的计算，最终计算出被测对象的真实值。该系统通过相应的实验和实际的测量，能准确地测量电容和电感的数值，测量范围为0.001～22μF和0.01～100 mH，测量精度在5%以内。
下面是[高频功率放大器电路原理图]的电路图
高频功率放大器电路原理图
为了在较宽的通带内使功率放大器增益相对稳定,电路由甲类、丙类两级功率放大器组成。甲类功率放大器的输出信号作为丙类功率放大器的输入信号,丙类功率放大器作为发射机末级功率放大器以获得较大的输出功率和较高的效率。电路原理如图1所示。
根据设计要求和晶体管实际参数,采用Philip s公司的NPN型高压晶体管2N5551作为放大管,三极管Q1、电感L1、电容C2组成甲类功率放大器,工作在线性放大状态。三极管Q2和由电感L3、电容C7、C6构成的负载回路组成丙类功率放大器。R1、R2、R3、R4 组成第1 级静态偏置电阻,调节R2、R3可改变放大器的增益。L1、C2组成一级调谐回路,L2、R5、C4组成的部分在丙类功率放大器基极处产生负偏压馈电, R7为射级反馈电阻,调整R7 可改变丙类功率放大器的增益。C6、C7、L3组成末级调谐回路, C6 用来微调谐振频率以获得最佳工作状态。C8、C9和L4 组成滤波回路,起到改善波形的作用。R9和C10、R11和C11以及R8和C12均为负载回路外接电阻。集电极可选择连接不同的负载。
当基极输入的正弦信号频率取值在L1、C2 谐振频率附近时,集电极输出正弦信号电压增益最大。C5为射级旁路电容,有效地控制了可能由于射级电阻R3、R4过大而引起电压增益下降的问题。当甲类功率放大器输出信号大于丙类功率放大器三极管Q2的be间负偏压时, Q2才导通工作。当L3、C7处谐振频率与从甲类功率放大器集电极获得的放大输出正弦信号的频率一致时,丙类功率放大器工作于谐振状态,集电极将获得最大的电压增益,达到功率放大的目的。
(责任编辑：电路图)
第十三届“长通杯”大学生电子设计竞赛 电容测量仪（A题） 2016年5月14日
摘要 电容测量仪装置是一种精度高、测试范围宽、操作简便、功能完善的电容测量仪。随着科技的不断发展，电容在电路中有着越来越多的应用，其容量大小直接决定着电路的稳定性和准确性。因此，电容值的的测量在日常使用中不可避免。 为了深入了解和学习52单片机的功能，本设计采用STC89C52和555振荡器为主要元件对电容进行测量。先将555设计为多谐振荡器产生输入脉冲信号，然后利用单片机对脉冲进行中断计数，再使用公式计算出电容值。在多谐振荡器终端加一个HD74LS08（二输入与门）稳定输出波形，从而使测量中更精确。多谐振荡器会因为连接电阻值的不同而产生的方波的频率不同，从而可以变换档位测量容量差距较大的电容。如果在工程问题中想寻找出符合要求的电容，便可通过矩阵键盘输入相应的电容值的范围，以方便筛选。当电容测定完以后，其数值通过LCD1602显示出来，以便阅读。 关键词：STC89C52单片机；电容测量；555定时器；LCD1602；
目录 1系统方案...................................................................................................... 错误！未定义书签。 1.1 电容测量仪的论证与选择.............................................................. 错误！未定义书签。 1.2 控制系统的论证与选择.................................................................. 错误！未定义书签。2系统理论分析与计算.................................................................................. 错误！未定义书签。 2.1 设计方案的分析............................................................................ 错误！未定义书签。 2.1.1利用电容器放电测电容实验原理................................ 错误！未定义书签。 2.1.2利用放电时间比率来测电容......................................... 错误！未定义书签。 2.1.3利用单片机测脉冲来测时间常数RC再计算电容.错误！未定义书签。 2.2 电容的计算...................................................................................... 错误！未定义书签。 2.2.1 计算振荡周期....................................................................... 错误！未定义书签。 2.2.2 计算频率............................................................................... 错误！未定义书签。 2.2.3 计算Cx ................................................................................. 错误！未定义书签。3电路与程序设计.......................................................................................... 错误！未定义书签。 3.1电路的设计....................................................................................... 错误！未定义书签。 3.1.1系统总体框图........................................................................ 错误！未定义书签。 3.1.2系统框图................................................................................ 错误！未定义书签。 3.1.3总程序框图............................................................................ 错误！未定义书签。 3.1.4电源........................................................................................ 错误！未定义书签。 3.2程序的设计....................................................................................... 错误！未定义书签。 3.2.1程序功能描述与设计思路.................................................... 错误！未定义书签。 3.2.2程序流程图............................................................................ 错误！未定义书签。4测试方案与测试结果.................................................................................. 错误！未定义书签。 4.1测试方案........................................................................................... 错误！未定义书签。 4.2 测试条件与仪器.............................................................................. 错误！未定义书签。 4.3 测试结果及分析.............................................................................. 错误！未定义书签。 4.3.1测试结果(数据) ..................................................................... 错误！未定义书签。 4.3.2测试分析与结论.................................................................... 错误！未定义书签。附录1：电路原理图...................................................................................... 错误！未定义书签。
前言 (1) 1高频压控振荡器设计原理压控振荡器 (2) 1.1工作原理 (2) 1.2变容二极管压控振荡器的基本工作原理 (2) 2高频压控振荡器电路设计 (4) 2.1设计的资料及设备 (4) 2.2变容二极管压控振荡器电路的设计思路 (4) 2.3变容二极管压控振荡器的电路设计 (4) 2.4实验电路的基本参数 (5) 2.5实验电路原理图 (6) 3高频压控振荡器电路的仿真 (7) 3.1M ULTISIM软件简介 (7) 3.2M ULTISIM界面介绍 (8) 3.2.1电路仿真图 (9) 3.2.2压控振荡器的主要技术指标 (9) 3.3典型点的频谱图 (9) 4高频压控振荡器电路实现与分析 (16) 4.1实验电路连接 (16) 4.2实验步骤 (16) 4.3实验注意事项 (18) 4.4硬件测试 (19) 5心得体会 (21) 参考文献 (22)
压控振荡器广泛应用于通信系统和其他电子系统中，在LC振荡器决定振荡器的LC 回路中，使用电压控制电容器（变容管），可以在一定的频率范围内构成电调谐振荡器。这种包含有压控元件作为频率控制器件的振荡器就称为压控振荡器。它广泛应用与频率调制器、锁相环路以及无线电发射机和接收机中。 压控振荡器是锁相环频率合成器的重要组成单元，在很大程度上决定了锁相环的性能。在多种射频工艺中，COMS工艺以高集成度、低成本得到广泛的应用。 压控振荡器（VCO）在无线系统和其他必须在一个范围的频率内进行调谐的通信系统中是十分常见的组成部分。许多厂商都提供VCO产品，他们的封装形式和性能水平也是多种多样。现代表面的贴装的射频集成电路（RFIC）VCO继承了近百来工程研究成果。在这段历史当中。VCO技术一直在不断地改进中，产品外形越来越小而相位噪声和调谐线性度越来越好。 对压控振荡器的技术要求主要有：频率稳定度好，控制灵敏度高，调频范围宽，频偏与控制电压成线性关系并宜于集成等。晶体压控振荡器的频率稳定度高，但调频范围窄；RC压控振荡器的频率稳定度低而调频范围宽，LC压控振荡器居二者之间。 压控振荡器可分为环路振荡器和LC振荡器。环路振荡器易于集成，但其相位噪声性能比LC振荡器差。为了使相位噪声满足通信标准的要求，这里对负阻RC压控振荡器进行了分析。
北方民族大学课程设计报告 院（部、中心）电气信息工程学院 姓名郭佳学号 21000065 专业通信工程班级 1 同组人员 课程名称通信电路课程设计 设计题目名称 500KHz电容三点式LC正弦波振荡器的设计起止时间2013.3.4——2013.4.28 成绩 指导教师签名 北方民族大学教务处制
摘要 本次课设介绍了电容三点式高频振荡电路的设计方法，反馈振荡器的原理和分析以及电容三点式电路参数的计算，并利用其它相关电路为辅助工具来调试放大电路，解决了放大电路中经常出现的自激振荡问题和难以准确的调谐问题。同时也给出了具体的理论依据和调试方案，从而实现了快速、有效的分析和制作，振荡器电路。并以500KHz的振荡器为例，利用multisim制作仿真的模型。 关键字：电容三点式振荡仿真
目录 目录 (3) 1、概述 (4) 2、三点式电容振荡器 (5) 2.1 反馈振荡器的原理和分析 (5) 2.2 电容三点式参数 (6) 2.3设计要求 (8) 3、电路设计 (8) 4 、调试与总结 (10) 1 仿真 (10) 2、总结： (11) 5、心得体会 (11)
1、概述 振荡器是不需外信号激励、自身将直流电能转换为交流电能的装置。凡是可以完成这一目的的装置都可以作为振荡器。 一个振荡器必须包括三部分：放大器、正反馈电路和选频网络。放大器能对振荡器输入端所加的输入信号予以放大使输出信号保持恒定的数值。正反馈电路保证向振荡器输入端提供的反馈信号是相位相同的，只有这样才能使振荡维持下去。选频网络则只允许某个特定频率 f 能通过，使振荡器产生单一频率的输出。 振荡器能不能振荡起来并维持稳定的输出是由以下两个条件决定的；一个 是反馈电压 U f 和输入电压 U i 要相等，这是振幅平衡条件。二是U f 和U i 必 须相位相同，这是相位平衡条件，也就是说必须保证是正反馈。一般情况下，振幅平衡条件往往容易做到，所以在判断一个振荡电路能否振荡，主要是看它的相位平衡条件是否成立。 振荡器的用途十分广泛，它是无线电发送设备的心脏部分，也是超外差式接收机的主要部分各种电子测试仪器如信号发生器、数字式频率计等，其核心部分都离不开正弦波振荡器。功率振荡器在工业方面(例如感应加热、介质加热等)的用途也日益广阔。 正弦波是电子技术、通信和电子测量等领域中应用最广泛的波形之一。能够产生正弦波的电路称为正弦波振荡器。通常，按工作原理的不同，正弦振荡器分为反馈型和负载型两种，前者应用更为广泛。在没有外加输入信号的条件下，电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变振荡信号输出。
常微分方程知识的应用 1 研究电容器的充电和放电规律，应用一阶微分方程知识 此问题主要出现在机电一体化专业的《电工学》、《电工电子技术》等课程中，主要应用于研究电工电子技术中电容器充电及放电时电容电压U c、电流i c、电阻元件的端电压U R分别随时间t的变化规律。所谓电容器是指电学中能储存电荷的装置，电容器是常见的电路元件和电工设备。它的品种和规格很多，但是，就其基本原理而言，都是由两片金属板被绝缘物质隔离而成，并在金属板上引出两根端线。若在电容器二端接上直流电源E，就在金属板上分别聚集等量的正、负电荷Q.当电源撤除之后，电荷仍然积聚在极板上，此时电容器两端有电压Uc.因此，电容器有储存电荷的作用。同时在两极板之间建立电场、并储存电场能量。若电容元件储存的电荷量为Q，其两端电压为Uc，则Q与Uc之比称为电容元件的电容量C，即C=Q/Uc（F）.电容器能反复的充电与放电，电容器的充电与放电有着重要的实用意义，如电子电路中的滤波电路、振荡电路、微分及积分电路等都是以电容的充、放电为基础进行工作的（如图所示）。
〔实例1〕如图所示的RC 电路，已知在开关K 合上前电容C 上没有电荷，电容C 两端的电场为零，电源的电动势为E 。把开关K 合上，电源对电容C 充电，电容C 上的电压Uc 逐渐升高，求电压Uc 随时间t 变化的规律。 分析：首先建立微分方程。根据回路电压定律可知，电容C 上的电压Uc 与电阻R 上的电压U R 之和等于电源电动势E ，即Uc+U R =E.电容充电时，电容上电量Q 逐渐增加，根据电容性质，Q 与U C 有关系式Q=CU C .于是，i= dt dU C CU dt d dt dQ C C ==)(,代入U C +Ri=E 中，得到U C （t ）所满足的微分方程为RC E U dt dU C C =+.然后，求此微分方程的通解与特解，便可得出电容器的充电规律。 解答：（计算过程略） )1(RC t C e E U - -=. 〔实例2〕已知如图所示的RC 电路中，电容C 的初始电压为U 0，当开关K 闭合时电容就开始放电，求开关K 闭合后电路中的电流强度i 的变化规律。
高频电子线路课程设计报告设计题目：LC正弦波振荡器的设计 2014年1月10日
目录 一、设计任务与要求 (1) 二、设计方案 (1) 2.1电感反馈式三端振荡器 (1) 2.2电容反馈式三端振荡器 (2) 2.3克拉波电路振荡器 (3) 2.4西勒电路振荡器 (4) 三、设计内容 (5) 3.1LC振荡器的基本工作原理................................................ . (5) 3.2西勒电路原理图及分析 (6) 3.2.1振荡原理 (7) 3.2.2静态工作点的设置 (7) 3.3西勒振荡器原理图 (8) 3.4 仿真结果与分析 (8) 3.4.1软件简介 (8) 3.4.2进行仿真 (9) 3.4.3仿真结果分析 (11) 四、总结 (11) 五、主要参考文献 (13)
一、设计任务与要求 在本课程设计中，为了熟悉《高频电子线路》课程，着眼于LC正弦波振荡器的分析和研究。通过对电感反馈式三端振荡器（哈特莱振荡器）、电容反馈式三端振荡器（考毕兹振荡器）以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒电路）的分析、对比和讨论，以达到课程设计的目的和要求。在课程设计中，为了学习Multisim软件的使用，以及锻炼电子仿真的能力，我选用的仿真软件是Multisim11.0版本，该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。 本课程设计中要求设计的正弦波振荡器能够输出稳定正弦波信号，输出频率可调范围为10~20MHz。本设计中所涉及的仿真电路是比较简单的。但通过仿真得到的结论在实际的类似电路中有很普遍的意义。 二、设计方案 通过对高频电子线路相关知识的学习，我们知道LC正弦波振荡器主要有电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路和西勒电路）等。其中互感反馈易于起振，但稳定性差，适用于低频，而电容反馈三点式振荡器稳定性好，输出波形理想，振荡频率可以做得较高。由所学知识可知，西勒电路具有该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，频率调节方便，适合做波段振荡器等优点。所以在本设计中拟采用并联改进型的西勒电路振荡器。 下面对几种振荡器进行分析论证： 2.1电感反馈式三端振荡器 电感三点式振荡器又称哈特莱振荡器，其原理电路如图所示:
5.3.2 三点式振荡电路 定义：三点式振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的反馈型振荡器。 三点式振荡电路用电感耦合或电容耦合代替变压器耦合，可以克服变压器耦合振荡器只适宜于低频振荡的缺点，是一种广泛应用的振荡电路，其工作频率可从几兆赫到几百兆赫。 1、三点式振荡器的构成原则 图5 —20 三点式振荡器的原理图 图5 —20是三点式振荡器的原理电路（交流通路）为了便于分析，图中忽略了回路损耗，三个电抗元件
be ce bc X X X 、和构成了决定振荡频率的并联谐振回路。 要产生振荡，对谐振网络的要求：？ 必须满足谐振回路的总电抗0be ce bc X X X ++=，回路呈现纯阻 性。 反馈电压f u 作为输入加在晶体管的b 、e 极，输出o u 加在晶体管的c 、e 之间，共射组态为反相放大器，放大 器的的输出电压o u 与输入电压i u （即f u ）反相，而反馈 电压f u 又是o u 在bc X 、be X 支路中分配在be X 上的电压。 要满足正反馈，必须有 ()be be f o o be bc ce X X X X X u u u ==-+ （5.3.1） 为了满足相位平衡条件，f u 和o u 必须反相，由式（5.3.1）可知必有0be ce X X >成立，即 be X 和ce X 必须是同性质电抗，而 ()bc be ce X X X =-+必为异性电抗。 综上所述，三点式振荡器构成的一般原则： （1） 为满足相位平衡条件，与晶体管发射极相连
的两个电抗元件be X 、ce X 必须为同性， 而不与发射极相连的电抗元件bc X 的电 抗性质与前者相反，概括起来“射同基 反”。此构成原则同样适用于场效应管电路，对应 的有“源同栅反”。 （2） 振荡器的振荡频率可利用谐振回路的谐振频率来估 算。 若与发射极相连的两个电抗元件be X 、ce X 为容性的，称为电容三点式振荡器，也称为考比兹振荡器(Colpitts)，如图5 —21（a ）所示； 若与发射极相连的两个电抗元件be X 、ce X 为 感性的，称为电感三点式振荡器，也称为哈特莱振荡器(Hartley)，如图5 —21（b ）所示。 图5 —21 电容三点式与电感三点式振荡器电路原理图
第一部分引言 本设计是应用于电容传感器微小电容的测量电路。 传感器是一种以一定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器在发展经济、推动社会进步方面有着重要作用。 电容式传感器是将被测量转换成电容量变化的一种装置，可分为三种类型：变极距（间隙）型、变面积型和变介电常数型。 二、电容式传感器的性能 和其它传感器相比，电容式传感器具有温度稳定性好、结构简单、适应性强、动态响应好、分辨力高、工作可靠、可非接触测量、具有平均效应等优点，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中[1]。 电容式传感器也存在不足之处，比如输出阻抗高、负载能力差、寄生电容影响大等。上述不足直接导致其测量电路复杂的缺点。但随着材料、工艺、电子技术，特别是集成电路的高速发展，电容式传感器的优点得到发扬，而它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服。电容式传感器成为一种大有发展前途的传感器[2]。 第二部分正文 一、电容式传感器测量电路 由于体积或测量环境的制约，电容式传感器的电容量一般都较小，须借助于测量电路检出这一微小电容的增量，并将其转换成与其成正比的电压、电流或者电频率[3],[4]。电容式传感器的转换电路就是将电容式传感器看成一个电容并转换成电压或其他电量的电路。电容传感器性能很大程度上取决于其测量电路的性能。
由于电容传感器的电容变化量往往很小，电缆杂散电容的影响非常明显，系统中总的杂散电容远大于系统的电容变化值[5]。与被测物理量无关的几何尺寸变化和温度、湿度等环境噪声引起的传感器电容平均值和寄生电容也不可避免的变化，使电容式传感器调理电路设计相当复杂[6]。分立元件过多也将影响电容的测量精度[3]。 微小电容测量电路必须满足动态范围大、测量灵敏度高、低噪声、抗杂散性等要求。测量仪器应该有飞法（fF）数量级的分辨率[6]。 二、常用电容式传感器测量电路 1、调频电路 这种电路的优点在于：频率输出易得到数字量输出，不需A/D转换；灵敏度较高；输出信号大，可获得伏特级的直流信号，便于实现计算机连接；抗干扰能力强，可实现远距离测量[7]。不足之处主要是稳定性差。在使用中要求元件参数稳定、直流电源电压稳定，并要消除温度和电缆电容的影响。其输出非线性大，需误差补偿[8]。 2、交流电桥电路 电桥电路灵敏度和稳定性较高，适合做精密电容测量；寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作。但电桥输出电压幅值小，输出阻抗高，其后必须接高输入阻抗放大器才能工作，而且电路不具备自动平衡措施，构成较复杂[9]。此电路从原理上没有消除杂散电容影响的问题，为此采取屏蔽电缆等措施，效果不一定理想[10]。 3、双T型充放电网络 这种电路线路简单，减小了分布电容的影响，克服了电容式传感器高内阻的缺点，适用
高频电子线路课程设计报告设计题目：高频正弦信号发生器 2015年 1月 6 日
目录 一、设计任务与要求 (1) 二、设计方案 (1) 2.1电感反馈式三端振荡器 (2) 2.2电容反馈式三端振荡器 (2) 2.3克拉波电路振荡器 (6) 三、设计内容 (8) 3.1LC振荡器的基本工作原理 (8) 3.2克拉泼电路原理图 (9) 3.2.1振荡原理 (9) 3.3克拉泼振荡器仿真 (10) 3.4.1软件简介 (10) 3.4.2进行仿真 (10) 3.4.3电容参数改变对波形的影响 (11) 四、总结 (17) 五、主要参考文献 (18) 六、附录.................................................................................... .. (18)
一、设计任务与要求 为了熟悉《高频电子线路》课程中所学到的知识，在本课程设计中，我和队友（石鹏涛、甘文鹏）对LC正弦波振荡器进行了分析和研究。通过对几种常见的振荡器（电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器、改进型电容反馈式振荡器）进行分析论证，我们最终选择了克拉泼振荡器。 在本次课程设计中，设计要求产生10～20Mhz的振荡频率。振荡器的种类很多，适用的范围也不相同，但它们的基本原理都是相同的，都由放大器和选频网络组成，都要满足起振，平衡和稳定条件。然后通过所学的高频知识进行初步设计，由于受实践条件的限制，在设计好后，我利用了模拟软件进行了仿真与分析。为了学习Multisim软件的使用，以及锻炼电子仿真的能力，我们选用的仿真软件是Multisim11.0版本，该软件提供了功能强大的电子仿真设计界面和方便的电路图和文件管理功能。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。 最后我们利用了仿真软件对电路进行了一写的仿真分析，如改变电容的参数，分析对电路产生的影响等，再考虑输出频率和振幅的稳定性，得到了与理论值比较相近的结果，这表明电路的原理设计是比较成功的，本次课程设计也是比较成功的。 二：设计方案 通过学习高频电子线路的相关知识，我们知道LC正弦波振荡器主要有电感反馈式三端振荡器、电容反馈式三端振荡器以及改进型电容反馈式振荡器（克拉波电路）等。通过老师所讲和查阅相关资料可知，克拉泼振荡电路具有该电路频率稳定性非常高，振幅稳定，适合做波段振荡器等优点。所以在本设计中拟采用改进型电容反馈式--克拉泼电路振荡器。 下面对几种振荡器进行分析论证： 2.1电感反馈式三端振荡器
电容三点式振荡电路的分析与仿真 摘要：自激式振荡器是在无需外加激励信号的情况下，能将直流电能转换成具有一定波形、一定频率和一定幅值的交变能量电路。正弦波振荡器的作用是产生频率稳定、幅度不变的正弦波输出。基于频率稳定度、反馈系数、输出波形、起振等因素的综合考虑，本设计采用的是电容三点式振荡器。 关键词：电容三点式、multisim、振荡器 引言：不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路称为振荡器。按照产生的波形，振荡器可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。按照产生振荡的工作原理，振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器。所谓反馈式振荡器，就是利用正反馈原理构成的振荡器，是目前用的最广泛的一类振荡器。所谓负阻式振荡器，就是利用正反馈有负阻特性的器件构成的振荡器，在这种电路中，负阻所起的作用，是将振荡器回路的正阻抵消以维持等幅振荡。反馈式振荡电路，有变压器反馈式振荡电路，电感三点式振荡电路，电容三点式振荡电路和石英晶体振荡电路等。本次设计我们采用的是电容三点式振荡电路。
设计原理： 1、电容三点式振荡电路 （1）线路特点 电容三点式振荡器的基本电路如图（1）所示。与发射极连接的两个电抗元件为同性质的容抗元件C2和C3；与基极和集电极连接的为异性质的电抗元件L。它的反馈电压是由电容C3上获得，晶体管的三个电极分别与回路电容的三个端点相连接，故称之为电容反馈三端式振荡器。电路中集电极和基极均采取并联馈电方式。C7为隔直电容。 图（1） （2）起振条件和振荡频率 由图可以看出，反馈电压与输入电压同相，满足相位起振条件，这时可以调整反馈系数F，使之满足A0F>1就可以起振。
电容的充放电过程及其应用 一、实验目的 1．观察RC 电路的矩形脉冲响应。 2．了解RC 微分电路、积分电路及耦合电路的作用及特点。 3．学习双踪示波器的使用方法。 二、实验原理 1． RC 串联电路的充放电过程 在由电阻R 及电容C 组成的直流串联电路中，暂态过程即是电容器的充放电过程（图1），当开关K 打向位置1时，电源对电容器C 充电，直到其两端电压等于电源E 。这个暂态变化的具体数学描述为q ＝CUc ，而I = dq / dt ，故 dt dUc C dt dq i == （1） E iR Uc =+ （2） 将式(1)代人式(2)，得 E RC Uc RC dt dUc 11=+ 考虑到初始条件t=0时，u C =0，得到方程的解： []()() ?? ?? ?? ?-=-=-==RC t E U E U RC t R E i RC t E U C R /exp /exp ）/-（exp -1C 上式表示电容器两端的充电电压是按指数增长的一条曲线，稳态时电容两端的电压等于电 源电压E ，如图2(a) 所示。式中RC=具有时间量纲，称为电路的时间常数，是表征暂态过程进 行得快慢的一个重要的物理量，由电压u 上升到，1/e ≈，所对应的时间即为。 当把开关k 1打向位置2时，电容C 通过电阻R 放电，放电过程的数学描述为 图2 RC 电路的充放电曲线 （a ）电容器充电过程 （b ）电容器放电过程 U R Uc K 1 2 V E R C 图1 RC 串联电路
将dt dUc C i =，代人上式得01 =+Uc RC dt dUc 由初始条件t ＝0时，Uc ＝E ，解方程得 ? ??? ?--=--=-=) /exp()/exp() /exp(RC t E U RC t R E i RC t E Uc R 表示电容器两端的放电电压按指数律衰减到零，也可由此曲线衰减到所对应的时间 来确定。充放电曲线如图2所示。 2. 半衰期T 1/2 与时间常数τ有关的另一个在实验中较容易测定的特征值，称为半衰期T 1/2，即当U C （t ）下降到初值（或上升至终值）一半时所需要的时间，它同样反映了暂态过程的快慢程度，与t 的关系为：T 1/2 =τln2 = τ（或τ= 2） 3. RC 电路的矩形脉冲响应。 若将矩形脉冲序列信号加在电压初值为零的RC 串联电路上，电路的瞬变过程就周期性地发生了。显然，RC 电路的脉冲响应就是连续的电容充放电过程。如图3所示。 图3 RC 电路及各元件上电压的变化规律 若矩形脉冲的幅度为U ，脉宽为t p 。电容上的电压可表示为： ?? ??? ≤≤?≤≤-=- -211 0)1()(t t t e U t t e U t u t t c τ τ ) (t u i )(t u R ) (t C R C ) (t u i (t u R (t u C u u u -t t t 1t 2 t 2t p t 1t 1 t 3 t 2t 3 t 3 t
精心整理 一、概述 随着科学技术的不断发展，人类社会进入高科技时代，而以电子元件组成的电器在生活中被运用的越来越广泛，大至航空航天技术，小到手机、电子手表等等。而这些电器都是由一些电容、电阻等元器件组成。特别是电容在这些电路中的作用，因此电容的大小的测量在电容使用过程中必不可少，测量电容的大小的办法也越来越多，并且多样化、高科技化。当然，测量的结果应该保持较高的精确度和稳定性，不仅如此，还应兼顾测量速度快等要求。 目前应用比较普遍的方法有电桥法测电容、容抗法测电容、基于NE555的RC 充放电原理等等，在这个脉（0.2uF —20uF 杂。 路、确的脉冲个数N ，而准确的数值大小为显示稳定后的数值。
由于本方案大多采用的是数字元器件，因此对外界的干扰信号有着很强的抵抗能力，而用容抗法测电容由于采用许多模拟元器件，只要外界存在有一定强度的干扰信号，就会使测量结果发生较 大的改变。不仅 如此，外界的温 度也会对模拟 元器件产生很 大的影响，而在 实际生活中的 多外界环境不 5V直流
首先是测量电路部分，电路图如图3所示，此部分由2片555定时器连成的单稳态触发器和多谐振荡器 定时器为单稳态振荡器。端输出 的单位脉发器2端2C 为待测电器中。由单稳 态触发器电容大小这个信号经存器的时的输出单产生的脉后作为计计数。 图3 单稳号的脉宽 当R 与2C 的 2C 与4 C 出信号、单稳态触发器输出信号、非门输出信号、与门输出信号如图4所示。
图4待测电容为1uF 时各输出信号波形 上图中的波形自上至下分别为单稳态输出信号、非门输出信号、多谐振荡器输出信号、与门 74L S 160N
毕业设计题目微弱电容测量电路设计 学生姓名 学号 院系电子与信息工程学院 专业电子科学与技术 指导教师 二Ｏ一四年四月一日
目录 1绪论 (6) 1.1 目前的研究现状 (6) 1.2 常见的电容检测设计 (6) 1.3 设计任务与要求 (7) 2电容检测系统 (7) 2.1 设计框架 (8) 2.2检测系统基本原理 (8) 2.3电容检测系统的杂散性分析 (9) 2.4 T形电阻网络 (9) 2.5 电容检测电路Multisim仿真 (11) 3交流信号发生器电路设计 (12) 3.1信号发生电路 (12) 3.1.1 信号波形选择 (12) 3.1.2 常见的信号产生电路 (12) 3.2 晶体振荡电路 (13) 4 全波整流电路设计 (15) 4.1 全波整流电路 (15) 4.2 全波整流电路的Multisim仿真 (16) 5 低通滤波电路设计 (18) 5.1 低通滤波器的选择 (18) 5.1.1低通滤波器的类型选择 (18) 5.2.2低通滤波器级数的选择 (18) 5.2 低通滤波电路及其仿真 (18) 6 AD转换电路及MCU控制电路 (20) 6.1 AD转换电路 (20) 6.2 MCU控制电路 (22) 6.2.1 MSP430超低功耗单片机 (22) 6.2.2 电源电路 (23) 6.2.3 晶振电路 (23)
6.2.4 复位电路和JTAG接口电路 (24) 6.2.5 串口通信电路 (25) 6.3电源电路 (25) 6.4 硬件电路的抗杂散设计 (26) 7电容检测系统的性能分析 (27) 7.1 性能指标 (27) 7.2 信号发生器的波形测试 (27) 7.3 检测电路的性能检测分析 (28) 7.3.1 检测分析的目的 (28) 7.3.2 检测内容 (28) 7.4 附图 (30) 8 总结与体会 (30) 8.1 本系统存在的问题及改进措施 (30) 8.2 心得体会 (31) 参考文献 (31) 致谢 (32)
大电容测量仪模拟信号部分电路设计 1.方案论述 方案一：把待测电容量转化成脉冲的宽窄，图一为其组成框图。根据电容放电规律，利用充放电开关、电压比较器和与门构成的电路可以把待测电容量转化为脉冲的宽窄。只要把此脉冲和频率固定不变的方波相遇，便可得到计数脉冲，将它送给计数器，便可实现对电容的测量。设计包括方波发生电路、充放电开关电路、电压比较器及衰减整形电路。这样的电路设计使得电容的测量更加精确，更方便后续电路的测量。 方案二：把电容量转化为直流电压量，图二为其族正框图。把三角波输入给微分电路（把电容作为微分电路的一部分），在电路参数合适的条件下，输出幅度与Cx成正比，再经过峰值检测电路或精密整流电路及滤波电路，可得到与Cx成正比的直流电压Vx，这样电容量就被转化为直流电压量，从而很容易被后续电路测量。 据以上所示，综合考虑以上两方案，虽然方案一比较简单，但是所用到的原理和其中使用的电子元件涉及到梳子电路所学课程，目前还很难将其涉及到的知识全面掌握。方案二所用知识均为本学期模拟电路所学内容，实验结果简单直观，方便后续电路测量，因此我选择方案二。 2.电路工作原理及说明 此电路由三部分组成：三角波发生器、含被测电容的微分电路、整流电路、滤波电路。 电路框图如图二所示。 2.1三角波发生器 在方波电路中，将方波电压作为积分运算电路的输入，其输出就得到三角波电路如图三所示：
图三三角波发生器 2.2含被测电容的微分电路 微分电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输出的尖脉冲波形的宽度与R*C 有关（即电路的时间常数），R*C越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。电容C上的电压开始因充电而增加。而流过电容C的电流则随着充电电压的上升而下降。电路如图四所示： 图四含被测电容的微分电路 2.3整流电路 整流电路将交流电转换为直流电。本次课设电路我用的是精密整流电路。
标 签：电容充放电公式 电容充电放电时间计算公式设，V0 为电容上的初始电压值； V1 为电容最终可充到或放到的电压值； Vt 为t时刻电容上的电压值。 则， Vt="V0"+（V1-V0）* [1-exp(-t/RC)] 或， t = RC*Ln[(V1-V0)/(V1-Vt)] 例如，电压为E的电池通过R向初值为0的电容C充电 V0=0，V1=E，故充到t时刻电容上的电压为： Vt="E"*[1-exp(-t/RC)]
再如，初始电压为E的电容C通过R放电 V0=E，V1=0，故放到t时刻电容上的电压为： Vt="E"*exp(-t/RC) 又如，初值为1/3Vcc的电容C通过R充电，充电终值为 Vcc，问充到2/3Vcc需要的时间是多少？ V0=Vcc/3，V1=Vcc,Vt=2*Vcc/3，故 t="RC"*Ln[(1-1/3)/(1-2/3)]=RC*Ln2 = 注：以上exp()表示以e为底的指数函数；Ln()是e为底的对数函 解读电感和电容在交流电路中的作用 山东司友毓 一、电感 1．电感对交变电流的阻碍作用 交变电流通过电感线圈时，由于电流时刻都在变化，因此在线圈中就会产生自感电动势，而自感电动势总是阻碍原电流的变化，故电感线圈对交变电流会起阻碍作用，前面我们已经学习过，自感电动势的大小与线圈的自感系数及电流变化的快慢有关，自感系数越大，交变电流的频率越高，产生的自感电动势就越大，对交变电流的阻碍作用就越大，电感对交流的阻碍作用大小的物理量叫做感抗，用X L表示，且X L=2πfL。感抗的大小由线圈的自感系数L和交变电流的频率f共同决定。 2．电感线圈在电路中的作用 （1）通直流、阻交流，这是对两种不同类型的电流而言的，因为恒定电流的电流不变化，不能引起自感现象，所以对恒定电流没有阻碍作用，交流电的电流时刻改变，必有自感
New S mall Capacitance M easur i n g C i rcuit for Capacitance Sen sor W A N G L ei,W A N G B aoliang,J I H aif eng,H UA N G Z h iy ao,L I H aiqing (N ational K ey L aboratory of Ind ustrial Control T echnolog y,Institute of A uto m ation Instrum entation, D ep art m ent of Control S cience and E ng ineering,Z hej iang U niversity,H ang zhou310027,P.R.China) Abstract: A ne w s m all capacitance m easuring circuit based on charge a mp lifier p rinci p le w as devel oped for ca2 pacitance sen s o r.T he advantages of th is circuit are stray2i m m une,h igh res oluti on because of no effect of charge in jecti on and h igh data acquisiti on rate because of no filter in th is circuit.T est results show that the linearity of th is circuit is good,the sensitivity of4.8mV fF and res oluti on of0.5fF can be ach ieved. Key words: capacitance;m easure m ent;sen s or;circuit 电容传感器新型微弱电容测量电路① 王 雷,王保良,冀海峰,黄志尧,李海青 (工业控制技术国家重点实验室 浙江大学控制系自动化仪表研究所,杭州,310027) 摘要:基于电荷放大原理提出了一种新型的用于电容传感器的微弱电容测量电路。该电路具有较强的抗杂散电容性能;较好的解决了电子开关的电荷注入效应对测量分辨率的影响问题;该电路无需滤波器,基于该新型电路的电容数据采集系统可以达到很高的数据采集速度。试验测试表明该电路线性度好,灵敏度为4.8mV fF,分辨率可达到0.5fF。 关键词:电容;测量;传感器;电路 中图分类号:T P212 文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2002)04-0273-05 1 引 言 电容传感器广泛的应用于多种检测系统中,用以测量诸如液位、压力、位移、加速度等物理量。在某些场合,例如电容层析成像系统中,传感电容的变化量小至fF级,这就对电容测量电路提出了更高的要求。在现阶段测量飞法级的电容主要有以下几方面的困难:①杂散电容往往要比被测电容高的多,被测量常被淹没在干扰信号中;②测量电路一般要使用一定量的电子开关,但电子开关的电荷注入效应对测量系统的影响难以消除;③由于测量对象的快速多变性,需要较高的数据采集速度,但采集速度和降低噪声的矛盾难以解决,滤波器存在成为提高数据采集速度的瓶颈等问题[1,2]。 目前,用于解决测量微弱电容的方法主要有电荷转移法和交流法。这两种电路的基本测量原理是通过激励信号连续对被测电容进行充放电,形成与被测电容成比例的电流或电压信号,从而测量出被测电容值。但是由于连续充放电测量信号中具有脉动噪声,需要先进行滤波除去其中的脉动成分,但滤波器的引入却成为提高数据采集速度的一个瓶颈。另外,电荷转移法是利用电子开关网络控制电路的充放电,电了开关的电荷注入效应对测量结果的影响还难以完全消除;交流法需要考虑相位补偿,电路结构相对复杂,成本也较高[3～5]. 2002年12月 传 感 技 术 学 报 第4期 ①来稿日期:2002207204 基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(600094);国家自然科学基金重大资助项目(59995460-5);国家“八六三”计划专项经费资助项目(2001AA413210)。
实验报告 专业: 实验日期: 2016、5、16 班级: 授课教师: 学号: 指导教师: 姓名: 成绩评定: 实验2 电容与电感的充放电实验 一、实验目的 1.熟悉电感与电容的充放电过程,掌握充放电过程中电流、电压的计算公式; 2.明确时间常数τ对电感与电容充放电时间的影响; 3.掌握信号发生器与示波器的使用方法; 4.学习分析充放电过程中电压、电流波形的变化规律,比较当τ改变时对波形的影 响。 二、实验电路 将一个0、22μF 的电容器、一个4、7kΩ的电阻与函数发生器按图1(a)实验电 路联接。设定函数发生器,使其输出6V/100Hz,占空比为50%的方波。输出6V时模拟 电容器充电; 输出OV时,模拟电容器放电。联接示波器,接通函数发生器的电源开关, 用A通道观察方波,用B通道观察电容器上的电压。 U=6V f=100Hz 方波 A 示波器 Y1 Y2 图1(a) 将一个100mH的电感与一个1 kΩ的电阻串联,然后联接到电压为6V 、频率为1 kHz 的方波上,如图1(b)所示。用示波器观察电感上电压的变化规律。
、U=6V f=1KHz 方波 A B C 示波器 Y 1 Y2 图1(b) 三、实验设备 1.Multisim电路仿真软件(机房上机运行); 2.函数发生器、电阻、电容、电感; 3.示波器。 四、电路联接 通过实验1的学习在掌握Multisim电路仿真软件放置电源、电阻、开关等原件, 以及连线的基础上,学习函数发生器、示波器的使用方法。 1、函数发生器 函数发生器位于仿真菜单下的仪器选项中,可以产生不同频率、占空比、振幅、 以及偏置的正弦波、三角波、方波。 2、示波器 示波器的位置与函数发生器相同。利用示波器能观察各种 不同信号幅度随时间变化的波形曲线,还可以用它测试各种 不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。 五、仿真测试 1、电容的充放电实验 按照图1(a)在Multisim电路仿真软件中连接电路,并进行仿真。 将上述电路中的4、7kΩ固定电阻换成10kΩ的电阻,观察充放电曲线的变化。 实验结论: 将电阻值固定为4、7kΩ, 将电容器换成10μF,观察充放电曲线的变化。