2012 ~ 2013 学年第二学期
《模拟电子技术》
课程设计报告
题目：电容测量电路的设计
专业：通信工程
班级：11通信2班
姓名：王来军刘俊伟朱敏汪辉
陶加男何雨杨小兵王东晨
指导教师：倪琳
电气工程系
2013年6月19 日
任务书
电容测量电路的设计
摘要
五量程电容测试电路是以集成运放为核心用来测试多种电容范围的电容测试电路。本测试电路有四个部分，包括RC正弦振荡电路、电压跟随器、电容\交流电压转换电路和带通滤波电路。RC正弦振荡电路产生500Hz正弦波作用于被测电容，经过电压跟随器的隔离作用将此信号作用于被测电容，经过转换电路将电容量转换为交流电压，实现通过测量电压来测量电容。
电容测量电路的设计是为了方便准确的测量电容性能。以便我们检验电容，当我们需要一个特定的电容时，这时我们就用我们设计的电路来测量它以便于我们选择。本电路功能通过Multisim软件实现。
关键词：电容测试；RC正弦振荡；转换电路；带通滤波；Multisim
目录
摘要 (3)
第一章题目分析、方案论证和总体设计 (5)
1.1 题目分析 (5)
1.2 方案论证 (5)
1.3 总体设计 (5)
第二章单元电路设计 (7)
2.1 RC正弦振荡电路 (7)
2.2 电压跟随器 (8)
2.3 电容\交流电压转换电路 (9)
2.4 有源带通滤波电路 (10)
第三章系统综述 (13)
3.1 总电路图 (13)
3.2 仿真 (14)
3.3 结论： (15)
第四章设计心得 (16)
参考文献 (17)
附录 (18)
第一章 题目分析、方案论证和总体设计
1.1 题目分析
设计电容测试电路，目的是通过现有的能测量的工具将不能测量的量转换为能测量的量，电容量的测试可以将电容通过交流电可以产生容抗，通过转换电路可以将其转换为一定的交流电压，利用电压和电容量成正比的关系通过测试电压即可实现电容量的测量。不同量程的选择可以通过不同档电阻大小的改变实现。 1.2 方案论证
对于电容的测量，我们要有一个概括的了解，一般应借助于专门的测试仪器，通常用电桥。而用万用表仅能粗略地检查一下电容是否失效或漏电情况。测量电路如图所示。
在直流稳压电源下，由文氏电路产生信号，经过电容电压转换电路，输出电压和电容量成正比，通过测量电压大小然后就可以知道电容两大小。
1.3 总体设计
本电容测试电路分为四个部分，首先由RC 正弦振荡电路产生500Hz 正弦波信号，然后将此信号通过电压跟随器将信号产生电路及被测电路进行隔离，信号通过电压跟随器后便作用于被测电容，通过电容\
交流电压转换电路将被测电容量转换为交流电压信号（电
图1.1 RC 桥式振荡电路
压大小正比于电容量），通过二阶带通滤波电路滤出500Hz的正弦电压，通过测量此电压信号即可测出被测电容的电容量。
图1.2 电容测试电路设计总体框图
第二章 单元电路设计
2.1 RC 正弦振荡电路
又称文氏桥震荡电路，用来产生
500Hz 正弦信号作用于被测电容。本电路设计中，
RC 串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R4、R5、R6及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器R6可改变负反馈深度，以满足震荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管(温度特性好)，且要求特性匹配，才能保证输出波形征服半周对称。R5的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。 电路的振荡频率
1
1121
C R f π
=500Hz
起振的幅值条件
Rf/R2>=2
式中：Rf=R6+R4+（R5//rD ），rD 为二极管正向导通电阻。
调整反馈电阻Rf （调R6），使电路起振，切波形失真最小。R6的百分比至30%左右时，电路能够振荡。改变选频网络参数C 或R ，即可调节振荡频率。一般改变电容C 作量程切换，而调节R 做量程内的频率细调。
图2.1 产生500Hz 正弦波信号的RC 振荡电路
图2.2 RC正弦振荡电路产生信号波形
图2.3 RC正弦振荡电路产生信号电压及频率测试
2.2 电压跟随器
电压跟随器是在同相比例运算电路中，将输出电压的全部反馈到反相输入端。反馈系数为1，输入电压等于输出电压。具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。共集电路的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。
在本次设计中，电压跟随器起到隔离信号发生电路与被测电容的作用。本单元设计中用500Hz的交流电压源代替RC正弦振荡电路所产生的交流信号。R2为电容档的较准电位器。通过Multisim软件仿真可以出输入波形和输出波形重合这一特点。
图2.4 电压跟随器
图2.5 电压跟随器输入和输出波形（重合）
2.3 电容\交流电压转换电路
此电路功能是将输入信号作用于电容并将其转换成电压信号并输出。 电路的输入电抗为被测电容的容抗，即
X
X C fC j C j X X
πω211==
当电容量程不同时，电容的反馈电阻Rf 将不同，转换关系也将不同。
从表中可以看出，电容量每增大10倍，反馈电阻阻值减小10倍。因此，不难发现，在各电容挡，电路的转换系数的最大数值均相等，也就限制了A/D转换电路的最大输入电压。
当500Hz正弦波信号Uo2幅值一定时，电容档确定，因而Uo3与被测电容容量Cx成正比。相当于反相比例运算电路：
Uo=-(Rf/Xcx)Ui=-2Rf*pi*f*Cx*Ui
图2.6 电容\电压转换电路
此电路输出端经Multisim仿真，得出不规则波形，因此需要进行滤波。
2.4 有源带通滤波电路
有源滤波器的优点是：高输入阻抗和低输出阻抗，因此输入与输出之间具有良好的隔离性能，便于级联。此外，有源滤波器体积小、重量轻、成本低且稳定性好，方便调试和应用；有源滤波器的缺点是：需要提供直流电源才能工作、电阻产生热噪声且运算放大器等有源元件的高频特性不太好。
带通滤波电路能够让两个频率大小之间的频率通过，高于或低于这个范围的频率将被衰减。用于载波通信或弱信号提取等场合，以提高信噪比。
将低通滤波器和高通滤波器串联，就可以得到带通滤波器。设前者的截止频率为f1,
后者的截止频率为f2，f2应小于f1，则通频带为（f1-f2）。
本单元设计一个二阶无限增益多路反馈带通滤波器。
二阶无限增益多路反馈带通滤波器的电路如图所示。分析表明，满足
增益
（1）带通
（2）角频率
（3）电路满足带通滤波器的传递函数
（4）
带通滤波器的技术指标：中心频率为500Hz；通频带为490Hz～510Hz；通带内起伏不大于1dB；通带外在不大于450Hz和不小于550Hz 处衰减不小于20 dB；增益G=2。
在实际的滤波器设计过程中，通常选取C1= C2，并记为C，按照下面的步骤实现二阶无限增益多路反馈带通滤波器的设计：(a)选定电容C的一种标称值，根据设计参数B，由式（2）可以计算得到电阻R3的值；(b)根据滤波器设计参数（增益G），由式（1）计算得到电阻R1 的值；(c)根据设计参数（中心频率f0）由式（3）计算得到电阻R2的值。
图2.7二阶无限增益多路反馈带通滤波器
（a）幅度——频率
（b）相位——频率
图2.8 带通滤波器波特图
实际电路的幅频特性曲线和相频特性曲线与仿真得到的幅频特性曲线和相频特性曲线的变化趋势相同，不同之处恰好体现了理论计算与具体实现之间的差异。因此，电路特性的仿真对电路的具体设计有重要的指导意义。
通频带490Hz～510Hz 内起伏小于1 dB，在不大于450Hz和不小于550Hz处衰减大于20dB，满足设计要求。
电路通过此带通滤波器便可产生大约500Hz的电压波形。
第三章系统综述
在测量电容量时，文氏桥振荡电路所产生500Hz正弦波电压，经过电压跟随器作为缓冲电路，作用于被测电容Cx；通过电容\电压转换电路将Cx转换为交流电压信号，再经二阶带通滤波电路滤掉其他频率的干扰，输出是幅值与Cx成比例的500Hz正弦波电压。电容测量电路的输出电压作为AC/DC转换电路的输入信号，转换为直流电压；再由A/D 转换电路转换为数字信号，并驱动液晶显示器，显示出被测电容的容量值。
图3.1 电容测量电路及其输出电压转换电路方框图
3.1 总电路图
图3.2 总电路图
3.2 系统仿真
图3.3 仿真图1
说明:当电容为10uF时用万用表测得电压为7.725V,的比值大小为X1=515000.
图3.4 仿真图2
说明:当电容为10uF时用万用表测得电压如图所示,比例X2=516300.
图3.5 仿真图3
说明:当输入电容为5uF时，用万用表测得输出电压如图所示，与被测电容的比值为X3=509200.
3.3 结论：
输入电容通过电容测试电路，输出电压的大小与电容量的比值在大非常近似，即其电
容量与输出电压成正比。
第四章设计心得
通过本次课程设计，不仅加深了对模拟电子技术这们课程的学习，而且通过上网及到图书馆查找资料，拓宽了本课程的知识面。通过Multisim实现仿真，让我感受到计算机的实用性。不断通过文献检索让我认识到知识的广泛性，进一步强化了文献检索技能。这次课程设计我们继数电之后的第二门课程设计，所以已经有了一定的设计经验和基础，在本次设计中，我们八个人一起查找资料，分组设计，克服种种设计难关，加强了我们之间的团队精神与合作意识。
参考文献
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[6] 李国丽,刘春,朱维勇.电子技术基础实验[M]. 北京：机械工业出版社,2007.
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[8] 齐跃林，刘燕燕，毕卫红.电子线路CAD[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.
[9] 聂典、丁伟.Multisim 10计算机仿真在电子电路设计中的应用[M].北京：电子工业出版社,2009.
[10] 黄培根，任清褒.Multisim 10 计算机虚拟仿真实验室[M].4版. 北京：电子工业出版社,2008.
附录元器件清单
答辩记录及评分表