DT9205多用表测量电容电路的改进
摘要：介绍一种改进测量电路中的振荡器，使数字万用表D T9205测量电容的误差由±(3%+3)减小到±1%的电路和实测结果。
关键词：多用表；电容；测量；误差
1对DT9205多用表电容测量电路的分析
DT9205多用表中的电容测量电路如图1。许多其他型号的多用表也用这个电路。该电路将电容值变换成频率约为400Hz的交流电压，再经多用表中的整流电路变换成直流电压，最后由3
位半A/D转换与显示驱动电路ICL7106将直流电压值变换成数字量送显示器。上述电路可分为四级，如图2。
第一级由C1，C2，R1，R2，R3，R4和运放N3A3组成，是典型的文氏桥振荡器。当R1=R2，C1=C2时，该电路输出波形的基频可估算为
其负反馈放大倍数
由于该电路没有由A1F＞3到A1F=3的自动调节能力，所以，在稳态，该电路输出为被限幅的“正弦波”，谐波失真较大，即除f1以外，还有f2=2f1≈812Hz，f3=3f1≈1218Hz等谐波分量。用EWB模拟得到的波形如图3，其峰值V01m≈V CC，V CC为运放的直流偏置电压。
第二级由R5，R6，R7和运放N3A4组成,为反向放大电路。本级的电压增益为
R7为可调电阻，调节R7可调节放大电路的增益，用于整个电容测量电路的校准。该级放大倍数为0.02～0.04，输出V02是幅值为几十毫伏的近似方波。
第三级由D1，D2，D3，D4，R8，R9，R10，R11，R12和N3A1组成有源微分电路。输出
R n为波段开关选中的电阻，Cx为待测电容。由式(4)可见，若V02为正弦波，则V03的有效值与Cx 成正比。所以对电容的测量就转化为对交流电压有效值的测量。而实际电路中，四个二极管使本级的输入波形进一步趋向于方波。这样做的好处是使整个电容测量电路有较好的热稳定性。
考虑到运放的频率特性，将运放看作一阶单元，则微分电路是一个二阶系统。由于运放的开环增益很大，所以闭环后电路的品质因数Q值很高，可达到几十，其幅频特性曲线有一个很大的峰。取Rn=1kΩ，Cx=1μF，用EWB仿真得到微分电路的幅频特性，在f=12.2kHz的地方有一尖峰，该尖峰处增益比理想的微分电路的幅频特性曲线的增益增加了约30dB，频率大于12.2kHz 后，增益急剧下降。而第一级文氏桥振荡器输出的被限幅的“正弦波”的频带很宽，经过微分后被限幅的“正弦波”中的高次谐波分量比基波有更大的增益，使波形严重失真，时域波形有明显的振荡。
第四级由C3，C4，R13，R14，R15和运放N3A2组成，为无限增益多路反馈型有源二阶带通滤波电路，中心频率
若该滤波器能滤除V03中的高次谐波，则从原理上该电容测量方法是没有误差的。但是，实际滤波器的品质因数
只能使V03中的高次谐波分量减小，而不能基本滤除，由此造成了电容测量的误差。
另外，这个电路测量电容的范围只能到2μF，由于普通运放的输出电流有限，使得200μF 档还存在其他问题，这里就不进行讨论了。
2改进方案
根据上述分析可知，改进该电容测量电路的途径有：使用正弦波为测量信号；改进微分电路，使其幅频特性近似为理想的微分电路的幅频特性；使用窄带滤波器等。根据多用表供电电源、制造成本、技术难度等因素综合考虑，选取用正弦波发生器代替方波发生器的方案对多用表中电容测量电路做改进，即将波形发生器输出波形由宽频带改为单频。改进后的电路如图4。此电路的第一部分改为正弦波振荡器。即在原电路上加了能够调节放大倍数的二极管。输出正弦波的频率不变。稳幅时A1F＝3，D1，D2和R5的并联等效电阻R′5＝3.9kΩ，若设二极管的导通电压为0.7V，则输出电压的幅值可估算为：
实验测得输出正弦波的二次谐波失真为0.5%。
由于在正弦波发生器中使用了非线性元件二极管，而二极管的温度特性大约为-2.5mV/℃，因此，必须对温度影响进行改进。温度对电路的影响如表1。
在R4变化不大的情况下，用EWB模拟V01m与R4的关系如表2。由表2可以看出，R4在8.2kΩ到 9.1kΩ，与V01m成近似线性关系。
根据式(7)求出
如果采用8.2kΩ热敏电阻，温度系数为0.00113。改进后用EWB模拟结果如表3。= 0.000758V/℃，即使温度从-13℃变到37℃，V01m误差在0.7%(变化10℃)以内，完全可以达到要求。实际上，R4可以用一个热敏电阻和普通电阻并联代替，并根据热敏电阻的温度系数选取合适的并联电阻阻值。也可以将R3改为热敏电阻与普通电阻的并联，阻值与温度系数的计算与上述方法相同。
第二部分为电压跟随器。其输入输出关系为：
R7用于调节放大倍数。电压被衰减了10～20倍。
第三部分为微分电路，第四部分为二阶带通滤波电路，不进行改动。
3模拟与测量数据分析
用EWB模拟图4得到表4数据。用改进后的电路测量实际电容的数据如表5，其中电容值是用TH7128RLC电桥测得的。表格第二行是用200nF档测量的，第四行是用不同档测量的。
对改进后的电路测量发现，输出V04的失真很小。上述测量表明，改进后电路的测量精度大大提高，误差在1％以下。波段开关选择电阻的精度对测量精度影响较大。所以，这些电阻要选取阻值精确的电阻。
参考文献
［1］陈孝桢，等.模拟电路实验［M］.南京：南京大学出版社，2005.
数字万用表测量电容功能的扩展
通用的三位半或四位半数字万用表都设有电容测量功能，但测量范围较窄及测量的准确度较低，而且一般没有在线测量功能。本文讨论如何扩展这些功能。
1 在线测量电容
根据微分积分电路性质，可将电容的测量转换成电压测量。测量原理和转换电路图如图1。
电路的核心部分CX/V采用简单的有源RC反相微分和积分电路。文氏振荡器产生一固定频率的交流信号Vr，它激励CX/V 转换电路，得到一个与CX成正比的交流电压V0(V1)，经二阶带通滤波器滤波，滤除固定频率以外的杂波后，再经AC/DC后得到与CX成正比的直流输出电压V。当交流信号Vr激励CX/V电路时，反相积分器的输出电压
即，被测电容CX与输出电压C
0成正比，从而实现了CX→V转换。为了使电容基本档与数字万用表2V档对应，选文氏振荡器振荡频率为400Hz，电压有效值为1V，R1取20kΩ，C1取0．1μF。R2从200Ω－2kΩ－20kΩ－200kΩ－2MΩ变化，对应的测量电容量程为20μF－2μF －200nF－20nF－2nF。
2 测量小电容
一般的三位半数字万用表测量电容的量程为2000pF～20μF，它对1pF以下微小电容的测量显得无能为力。根据容抗法并采用高频信号可以实现对微小电容的测量，测量电路图如图2。CX为被测电容，RF为反相端反馈电阻。当输入频率为f的正弦信
号Vi时，CX上呈现的阻抗，运算放大器的增益为：当A、Rf一定时，正弦信号频率f与被测电容CX成反比。为测量较小的电容，使用高频信号测量。
实现测量的电路原理方框图如图2(b)。测量过程为：高频信号发生器产生的高频正弦信号施加于被测电容上，将CX变换成容抗Xc，再通过C/ACV转换把Xc变成交流电压信号由放大器放大，隔离变压器输出送至相敏解调器解调；相敏解调器另一输入是高频正弦波通过波形变换器产生的方波(即解调信号)，两路输入信号同频同相。解调后的信号经过低通滤波器加以滤波得到一与被测电容CX值成正比例的直流电压，送至直流电压表直接显示测量结果。波形变换器由反相输入的过零比较器构成，它将来自文氏振荡器的标准1MHz高频正弦波变成标准的反相方波。由于相敏解调器的输出是一个含有高频谐波的脉动直流电压，所以，为了得到一个稳定的、恒定的直流电压输出，采用了一级π型滤波器以滤除谐波成分。最后将对应的电压平均值送至直流电压表。为了使电容基本档与数字万用表2V档对应，高频正弦信号的频率选为1MHz(频率太高要考虑分布参数)，电压的有
效值为1V，电路放大倍数与反馈电阻Rf的乘积为，这样数字万用表直流电压档200mV对应电容档为0．2pF，200V对应电容档为200pF，测量范围为10－4～102pF，分辨率为10－4pF，测量准确度为±5％。
3 测量大电容
大电容的测量根据电容的串联特性进行。将被测的大电容CX与一已知标准的高精度小电容C1串联，串联的结果为C2。被测的大电容值CX＝C2 C1/(C1－C2)。从理论上讲，被测的大电容可为无穷大，但考虑测量的范围、准确度及分辨率，能测量的大电容只可以达到几千法拉。根据误差传递公式，即使不考虑标准电容C1的误差，当C1与C2非常接近的时候，数字表测量极限的半个字误差的作用非常明显。例如，标准的小电容C1为1μF，若串联的结果C2为0．998μF，从理论上计算可得CX为499μF，但由于数字表的半个字误差(最末显示字有半个字误差)，C2的结果在0．9975～0．9985μF之间，CX在399～666μF 之间，这时误差可能高达30％，结果可信度太低；若串联的结果C2为0．990μF，从理论上计算可得CX为99μF，同样考虑半个字误差，C2在0． 9895～0．9905μF之间，CX在94～104μF之间，这时误差为5％左右，结果可信度较高。由此可见，被测的大电容为串联的小电容几十倍时，测量的准确度较高，误差较小。所以，串联10μF电容时测量几百μF的结果是可靠的，但若为几千μF时，其值只能作为参考，误差较大。
4 结论
通过简单的电路设计，数字万用表的直流电压档就能对电容进行在线测量，并能准确测量出10－4pF～几百μF电容，电容的测量由6个数量级扩展到12个数量级(在线测量也能达到6个数量级)。电路的改变只在前级进行，不涉及数字万用表的内部，所以，实现起来简单易行。
参考文献
［1］谢嘉奎．电子线路(线性部分)［M］．高等教育出版社，1999．
［2］沙占友．新型数字万用表原理与维修［M］．电子工业出版社，1994．
9205数字万用表工作原理电路及其测量电路- 全文 数字万用表由数字电压表（DVM）配上各种变换器所构成的，因而具有交直流电压、交直流电流、电阻和电容等多种测量功能。 下图是数字万用表的结构框图，它分为输入与变换部分、A/D转换器部分、显示部分。输入与变换部分，主要通过电流一电压转换器（w）、交一直流转换器（AC/DC）、电阻一电压转换器（R/V）；电容一电压转换器（CN）将各测量转换成直流电压量，再通过量程旋转开关，经放大或衰减电路送入A/D转换器后进行测量。 A/D转换器电路与显示部分由ICL7106和LCD构成。
我们可以看出数字万用表是以直流200mV作基本量程，配接与之成线性变换的直流电压、电流；交流电压、电流，欧姆、电容变换器即能将各自对应的电参量用数字显示出来。 功能电路及工作原理 1．电阻测量电路及小数点显示电路（见下图） ①采用比例法测量电阻，被测电阻Rx和基准电阻串联起来接在V+和COM之间，Uin=V+RX/（R+RX）。测量档位确定后，R确定，则Rx越大，Uin也越大；档位从200Ω~20MΩ变化时，相应的R也增大，通过计算可以看出能保证Rx上的分压不会超出一定值，使各个量程保持平衡。 ②ICL7106只有液晶笔端和背电极驱动端，为了显示小数点，利用运放OP1构成反相放大器形成小数点显示电路，使得ICL7106去LCD的背电极BP点的脉冲信号（50Hz的方波，占空比位50%，保证交流电压有效值为0，延长LCD的使用时间）和相应去每个小数点BP2、BP20、BP200的脉冲信号反向，根据液晶的显示原理，此时正好点亮相应的小数点。
2．直流电压测量电路及交流电压测量电路（见下图） ①直流电压测量采用电阻分压器法测量电压，输入的直流电压通过分压和转换开关将各个量程电压均变成为0～200mV直流电压，最后送入A/D 转换电路去显示。 测量值越大，则分压送入ICL7106的输入端的电压越大；档位从 200mV～1000V变化时，相应的档位电阻减少，通过计算可以看出能保证
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。
用示波器测电容 摘要：电容在交流电路中电压发生了变化，相位也发生了变化，而通过示波器可以清楚的观察到这些变化，本实验利用示波器和电容的交流特性，通过实验得出谐振频率的特殊值进而通过公式计算，得出电容器的电容值大小。 关键词：电容RLC谐振频率阻抗相位差电流峰值 一、引言 电容是电容器的参数之一，对于解决生活及实验中的实际问题，有着很重要的作用，不同电容的电容器因所需不同而被应用在不同的地方，在实验中测电容器的电容，已成为大学物理实验中很重要的一个环节，在此实验中，我们用示波器测量电容的容量，该方法操作简单，且能加深我们对电容和电容性质的理解，巩固我们所学的知识。 二、实验任务利用示波器测量电容器的电容量C。 三、实验仪器 200欧姆电阻一个，10mH电感一个，信号发生器一台， 双踪示波器一台，面包板一个， 电容一个，导线若干。 四、实验原理 测RLC谐振频率 RLC串联电路如图1所示： 所加交流电压U（有效值）的角频率为w，则电路的的复阻抗 为: 复阻抗模为: 复阻抗的幅角: 即该电路电流滞后于总电压的位差值。回路中的电流I（有效值）为 上面三式中Z﹑﹑I均为频率f（或角频率，）的函数，当回路中其他元件参数取确定值的情况下，它们的特性完全取决于频率。 图2（a）（b）（c）分别为RLC串联电路的阻抗，相位差，电流随频率的变化曲线。
其中（b）图-f曲线称为相频特性曲线；（c）图i-f曲线称为幅频特性曲线。由曲线图 可以看出，存在一个特殊的频率特点为 （1）当f<时，<0,电流相位超前于电压，整个电路 呈电容性。 （2）当f>时，>0,电流相位滞后于电压，整个电路 呈电感性。 （3）当时，即或 时，=0，表明电路中电流I和电压 U同相位，整个电路呈纯电阻性。 这就是串联电路谐振现象，此时电路总阻抗的模最小，电流达到极大值，易知只要调节f﹑L﹑C中任意一个量，电路就能达到谐振。 根据LC谐振回路的谐振频率或可求得。 五、实验内容（或步骤） 1.电路连接如图1，其中L=10mH,R=,U=2V。 2．用万用电表测出待测电容。 3．调节信号发生器的频率同时观察两端电压变化，当调至某一频率时，电压最大，测得这个最大值及信号的周期（或频率）。 4.由这个最大值的周期（或频率）计算出电容的值。 六、数据处理和分析 测RLC谐振频率数据记录表 5.9 6.9 7.9 8.910.911.912.913.914.915.916.917.9 f (KHZ) 331362393412434442431421402390381372 (mv)
常用数字万用表的基本原理和维修 看到经常有人问万用表烧了怎么修，就写了这个帖子，希望对大家能有所帮助．有什么疑问的话也可以共同研究． 我们常用的万用表基本都是用７１０６为核心做的，例如８３０，９２０５，９２０８等等这些表． 很多厂家在设计电路时会考虑对7106做适当的保护措施,例如在图中的IN+与地之间接一个三极管,将电压限制在1V以内.如果出现误操作导致高压进入,这个三极管被击穿短路,使得7106不会损坏.如果发现万用表在电压档一直显示0V的话,就检查这部分电路.芯片损坏的几率还是比较小的,大部分都是外围元件坏了. 7106是个典型的3位半AD转换器,基本原理如下: 2008-4-7 16:48 7106 750V,是因为元器件耐压的问题,而且通常也不需要太大的量程). 直流电压测量原理 前面几个是分压电阻,分别对应个量程.如果表坏了根据这个图可以很快的判断出故障部位.这种表的刀盘很复杂,拆的时候一定要注意刀盘弹簧片的位置,查找走线方向时一定要仔细,一不小心就看错了. 2008-4-7 16:57 830-DCV.JPG
交流电压测量:前端电路与支流电压完全相同,只是多了个整流电路.与普通指针表二极管整流不同,数字表都用运放整流,精度会高很多. 如果你的表在直流电压和电流档都正常,就是在交流电压和交流电流档有问题的话,不用怀疑,肯定是这部分出了问题.这里的整流一般都用TL062和2个1N4148,在电路板上很好找. 新加一张实际图,图中的TL062就是整流用的(不同的表所在的位置可能会不一样).这部分损坏的话交流就会出问题. 2008-4-7 17:07 830-ACV.JPG
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
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
整流滤波电路实验报告 姓名：XXX 学号：5702112116 座号：11 时间：第六周星期4 一、实验目的 1、研究半波整流电路、全波桥式整流电路。 2、电容滤波电路，观察滤波器在半波和全波整流电路中的滤波效果。 3、整流滤波电路输出脉动电压的峰值。 4、初步掌握示波器显示与测量的技能。 二、实验仪器 示波器、6v交流电源、面包板、电容（10μF*1，470μF*1）、变阻箱、二极管*4、导线若干。 三、实验原理 1、利用二极管的单向导电作用，可将交流电变为直流电。常用的二极管整 流电路有单相半波整流电路和桥式整流电路等。 2、在桥式整流电路输出端与负载电阻RL并联一个较大电容C，构成电容滤 波电路。整流电路接入滤波电容后，不仅使输出电压变得平滑、纹波显著成小，同时输出电压的平均值也增大了。 四、实验步骤 1、连接好示波器，将信号输入线与6V交流电源连接，校准图形基准线。 2、如图，在面包板上连接好半波整流电路，将信号连接线与电阻并联。
3、如图，在面包板上连接好全波整流电路，将信号输入线与电阻连接。
4、在全波整流电路中将电阻换成470μF的电容，将信号接入线与电容并联。 5、如图，选择470μF的电容，连接好整流滤波电路，将信号接入线与电阻并联。 改变电阻大小（200Ω、100Ω、50Ω、25Ω）
200Ω100Ω50Ω
25Ω 6、更换10μF的电容，改变电阻（200Ω、100Ω、50Ω、25Ω）200Ω 100Ω
50Ω 25Ω 五、数据处理 1、当C 不变时，输出电压与电阻的关系。 输出电压与输入交流电压、纹波电压的关系如下： avg)r m V V V （输+= 又有i avg R C V ??=输89.2V )(r 所以当C 一定时，R 越大 就越小 )(r V avg 越大 输V
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)
数字万用表 ：XXX 学号：XXXXXX 专业：08电子信息工程X班 数字万用表DMM(Dital MultiMeter)采用大规模集成电路和液晶数字显示技术，具有结构简单、测量精度高、输入阻抗高、显示直观、过载能力强、功能全、耗电省、自动量程转换等优点，许多数字万用表还带有测电容、频率、温度等功能。 本课题的主要容是理解DT-830型数字万用表的基本结构和原理，通过数字万用表的组装与调试，培养电子产品安装测试技能。 万用表的概述 数字万用表是采用集成电路模/数转换器和液晶显示器，将被测量的数值直接以数字形式显示出来的一种电子测量仪表。 1.数字万用表的组成 数字万用表是在直流数字电压表的基础上扩展而成的。为了能测量交流电压、电流、电阻、电容、二极管正向压降、晶体管放大系数等电量，必须增加相应的转换器，将被测电量转换成直流电压信号，再由A/D转换器转换成数字量，并以数字形式显示出来。它由功能转换器、A/D转换器、LCD显示器、电源和功能/量程转换开关等构成。 常用的数字万用表显示数字位数有三位半、四位半和五位半之分。对应的数字显示最大值分别为1999，19999和199999，并由此构成不同型号的数字万用表。 2.数字万用表的面板 (1)液晶显示器:显示位数为四位，最大显示数为±1999，若超过此数值，则显示1或-1。 (2)量程开关:用来转换测量种类和量程。 (3)电源开关:开关拨至"ON"时，表电源接通，可以正常工作；"OFF"时则关闭电源。 (4)输入插座:黑表笔始终插在"COM"孔。红表笔可以根据测量种类和测量围分别插入"V·Ω "、"mA"、"10A"插孔中。 1模数转换与数字显示电路 常见的物理量都是幅值连续变化的所谓模拟量。指针式仪表可以直接对模拟
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。
数字万用表设计性实验 [概述] 随着数字测量技术的日趋普及，指针式仪表已经逐渐被淘汰，我厂对“指针式改装电表实验”进行了改进，现采用了“数字万用表设计性实验”，使学生对数字电表的原理和使用方法有了深入的理解和应用，深得广大院校师生的好评。 一、实验目的 1.掌握数字万用表的工作原理、组成和特性 2.掌握数字万用表的校准方法和使用方法 3.掌握分压及分流电路的连接和计算 4.了解整流滤波电路和过压过流保护电路的功用 二、实验仪器 1.DM-Ⅰ数字万用表设计性实验仪一台 2.三位半或四位半数字万用表一台（另配） 三、实验原理 1.数字万用表的特性 与指针式万用表相比较，数字万用表有如下优良特性： ⑴高准确度和高分辨力 三位半数字式电压表头的准确度为±0.5％，四位半的表头可达±0.03％，而指针式万用表中使用的磁电系表头的准确度通常仅为±2.5％。 分辨力即表头最低位上一个字所代表的被测量数值，它代表了仪表的灵敏度。通常三位半数字万用表的分辨力可达到电压0.1mV、电流（指电流强度，下同）0.1μA、电阻0.1Ω，远高于一般的指针式万用表。 ⑵电压表具有高的输入阻抗 电压表的输入阻抗越高，对被测电路影响越小，测量准确性也越高。 三位半数字万用表电压挡的输入阻抗一般为10MΩ，四位半的则大于100MΩ。而指针式万用表电压挡输入阻抗的典型值是20～100kΩ/V。 ⑶测量速率快 数字表的速率指每秒钟能完成测量并显示的次数，它主要取决于A/D转换的速率。三位半和四位半数字万用表的测量速率通常为每秒2～4次，高的可达每秒几十次。 ⑷自动判别极性 指针式万用表通常采用单向偏转的表头，被测量极性反向时指针会反打，极易损坏。而数字万用表能自动判别并显示被测量的极性，使用起来格外方便。 ⑸全部测量实现数字式直读 指针式万用表尽管刻画了多条刻度线，也不能对所有挡进行直接读数，需要使用者进行换算、小数点定位，易出差错。特别是电阻挡的刻度，既反向读数（由大到小）又是非线性刻度，还要考虑挡的倍乘。而数字万用表则没有这些问题，换挡时小数点自动显示，所有测量挡都可以直接读数，不用换算、倍乘。 ⑹自动调零 由于采用了自动调零电路，数字万用表校准好以后使用时无需调校，比指针式万用表方便许多。 ⑺抗过载能力强 数字万用表具备比较完善的保护电路，具有较强的抗过压过流的能力。 当然，数字万用表也有一些弱点，如： ⑴测量时不象指针式仪表那样能清楚直观地观察到指针偏转的过程，在观察充放电等过程时不够方便。不过有些新型数字表增加了液晶显示条，能模拟指针偏转，弥补这一不足。 ⑵数字万用表的量程转换开关通常与电路板是一体的，触点容量小，耐压不很高，有的机械强度不够高，寿命不够长，导致用旧以后换挡不可靠。 ⑶一般数字万用表的V/Ω挡公用一个表笔插孔，而A挡单独用一个插孔。使用时应注意根据被测量调换插孔，否则可能造成测量错误或仪表损坏。
示波器测电容设计性实验 一、 实验项目名称 示波器测电容 二、 实验目的 1.研究当方波电源加于RC 串联电路时产生的暂态放电曲线及用示波器测量电路半衰期的方法，加深对电容充放电规律特性的认识。 2.进一步熟悉数字示波器的主要技术性能与使用并学会利用示波器测电容的容值。 三、 实验原理（阐明实验的研究意义、实验依据原理、测量 电路等） 1.RC 串联电路暂态过程 RC E U U C =+dt d c 在由R.C 组成的电路中，暂态过程是 电容的充放电的过程。其中信号源用方波信号。在上半个周期内，方波电源（+E ）对电容充电；在下半个周期内，方波电压为零，电容对地放电。充电过程中的回路方程为 由初始条件t=0时，U c =0，得解为 RC t R RC C Ee iR U E U - ==-=) e 1(t - 从 按指数函数规律衰减 随时间而电压按指数函数规律增长，是随时间二式可见，、t t c c R R U U U U
在放电过程中的回路方程为 0dt d c =+c U U RC 由初始条件t=0时，U c =E ，得解为 RC t R RC C Ee iR U E U -===-e t - 从上式可见，他们都是随时间t 按指数函数规律衰减。式中的RC=τ.具有时间函数的量纲，称为时间常量（或犹豫时间），是表示暂态过程中进行的快慢的一个重要物理量。与时间常量τ有关的另一个实验中较容易测定的特征值，称为半衰期 2 1 T ，即当下降到初值)t (C U （或上升到终值）一半所需要的时间， 它同样反映了暂态过程的快慢程度，与τ的关系为 ττ693.02ln 2 1==T 2.用RC 法测电容，分别用示波器测出电阻和电容两端的电压，串联电路中电流相等，所以电压之比等于电阻之比，容抗等于 wc 1 ，所以：r c U U = f cr 21π，由此可算出示波器的电容。 四、 实验仪器 面包板，示波器，导线，电容，电阻。 五、 实验内容及步骤 半衰期法测电容；选取一个电阻和一个电容，将它们串联并接在示波器上，另用两根线接在电容两侧，在示波器上可看到电容两端电压随时间变化的图像，读出半衰期，就能用公式算出电容的电压值。
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)。
本次课程设计主要讲解电容式传感器的使用中的一部分，传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。传感器是将能够感受到的及规定的被测量按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成，其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和测量的电信号的部分。电容式传感器不但广泛应用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量而且还逐步地扩大应用于压力、差压、液面、料面、成分含量等方面的测量。根据δ εεS r o =C 可以把电容传感器分为极距变化型电容传感器、面积变化型电容传感器、介质变化型电容传感器。根据实际不同的需求，可以利用不同的电路来实现所需要的功能。 电容式传感器的特点：（1）小功率、高阻抗。电容传感器的电容量很小，一般为几十到几百微微法，因此具有高阻抗输出；（2）小的静电引力和良好的动态特性。电容传感器极板间的静电引力很小，工作时需要的作用能量极小和它有很小的可动质量，因而具有较高的固有频率和良好的动态响应特性；（3）本身发热影响小（4）可进行非接触测量。 布料厚度测量是基于变介电常数电容传感器的一种精密测量，它可以实现简单的厚度测量，根据电容电路的特性分析可以知道所测布料的厚度。 关键词：厚度测量装置，电容传感器，运算放大电路，仿真
第一章对布料厚度测量装置所做的调研 (3) 厚度测量装置在工业环境下的意义 (3) 厚度测量装置的研究现状 (3) 简述设计的整体思路 (4) 第二章电容测厚装置的介绍 (6) 详细介绍电容测厚装置 (6) 设计匹配电路 (8) 第三章仿真设计及分析 (9) 仿真电路的建立 (9) 仿真结果的分析 (13) 第四章对课程设计进行试验 (15) 实验过程 (15) 分析仿真与试验结果的差异 (15) 第五章设计体会 (16)
2011 ~ 2012 学年第二学期 《电容测量电路》 课程设计报告 题目：电容测量电路 专业：通信工程 班级： 10通信(2)班 组员：吴悦肖梦奇方克文胡勇 吴冬冬徐磊付文涛卢大卫指导教师：王银花 电气工程系 2012年5月20日
1、任务书
目录 第一章:摘要 (4) 第二章:题目分析和设计构思 (5) 2.1题目分析 (5) 2.2设计构思 (5) 第三章:测量电路原理 (5) 3.1工作原理 (5) 第四章:硬件电路设计 (6) 4.1了解功能 (6) 4.2化整为零 (7) 4.3功能分析 (7) 4.4统观整体 (11) 第五章:元件参数 (12) 第六章:调试 (12) 6.1仿真截图 (12) 第七章:课程设计心得体会 (15) 附录一：参考文献 (16)
第一章:摘要 五量程电容测量电路是以集成运放为核心器件可将其分解为四个部分。可分解为文氏桥振荡电路、反相比例运算电路、C/ACV电路、有源滤波电路。该电路是利用容抗法测量电容量的。起基本设计思想是：将400Hz的正弦波信号作用于被测电容Cx,利用所产生的容抗Xc实现C/ACV转换，将Xc转换为交流电压；再通过测量交流电压来获得Cx的电容量。本课题小组通过小组分工到图书馆、网上查找课题参数资料；了解电容测量电路应用及其工作原理，运用Multisim仿真软件绘制电路图并进行仿真实验；分析仿真实验数据和记录课题实验过程；制作打印课题实验报告。 综上所述，在测量电容量时，文氏桥振荡电路所产生400Hz正弦波电压，经过反相比例运算电路作为缓冲电路，作用于被测电容Cx；通过C/ACV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400Hz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。 电路有如下特点： （1）在C\ACV转换电路中，电容挡愈大，反馈电阻值愈小，使得各挡转换系数的最大数值均相等，从而限制了整个电路的最大输出电压幅值，也就限制 了A\D转换电路的最大输入电压，其值为200mV； （2）电路中所有集成运放的输入均为交流信号，因而其温漂不会影响电路的测量精度，也就需要对电容挡手动调零。电路中仅有一个电位器Rw1用于校准电容挡，一般一经调好就不再变动。 （3）二极管D9和D10用于A2输出电压的限幅，二极管D11和D12用于限制A3净输入电压幅值，以保护运放。此外，尽管电容挡不允许带电测量，但是若发生误操作，则二极管可为被测电容提供放电回路，从而在一定程 度上保护壳测量电路。 重点：电容测量电路；Multisim仿真软件。
实验报告 实验名称：电容C的测量学生姓名：卢春雨 学号：1228403018 专业：12 传感
电容C的测量 一、实验目的 设计一个能够测量电容器件参数的测量电路，该测量电路应具有如下功能： 1.电容C测量仪的量程范围为1nF~1μF. 2.电容C测量仪的量程范围为10pF~1000μF. 二、实验器件和仪器 1.555定时器一个。 2.30KΩ电阻2个，1KΩ电阻一个。 3.电容10nF一个，待测电容100nF一个。 4.VDD5V一台直流源 5.示波器一台 三、实验设计 图1. 555组成多谐振荡器 由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，触发tri脚与阈值thr脚直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C2充电，以及C2通过R2向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在2/3Vcc和1/3Vcc之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波。 当Uc因电源接通对C充电而上升到2/3Ucc时，比较器A1输出为低电平，
使R-S触发器输出置0，T导通，电容C通过T放电；当Uc因电容放电而减小到略低于1/3Ucc时，比较器A2输出为低电平，使R-S触发器输出置1，T截止，电容C继续充电直到Uc略高于2/3Ucc时，触发器又翻转到0，从而完成一个周期振荡。 电容C2充电时间： T1=(R1+R2)Cln((V CC-V T-)/(V CC-V T+))=(R1+R2)Cln2 电容C2放电时间： T2=R2Cln((0-V T-)/(0-V T+))=R2Cln2 电路的振荡周期： T=(R1+2R2)Cln2 f=1/T 即可通过观察示波器的周期即可得出待测电容C的值。 四、实验仿真图及、实验图及实验分析 实物仿真图（C1为待测电容）
500型万用表电路图说明看图可以理解万用表内部原理，知道万用表为什么能够测量高电压，什么情况下测量高电压会炸表。看图可以修理万用表。看图可以制做万用表。 1、直流2.5V。左开关置2.5V，右开关置V档。+孔—右开关—V档，35 k7电阻—12k 电阻—左开关--表头右侧，表头—660电阻—1400电位器—公用孔。 2、直流10V。左开关置10V，右开关置V档。+孔—右开关—V档，35k7电阻—12k 电阻—150k电阻—左开关--表头右侧，表头—660电阻—1400电位器—公用孔。 3、直流50V。左开关置50V，右开关置V档。+孔—右开关—V档，35k7电阻—12k 电阻—150k电阻—800k电阻—左开关--表头右侧，表头—660电阻—1400电位器—公用孔。 4、直流250V。左开关置250V，右开关置V档。+孔—右开关—V档，35k7电阻—12k 电阻—150k电阻—800k电阻—3k+1M电阻—左开关--表头右侧，表头—660电阻—1400电位器—公用孔。
5、直流500V。左开关置500V，右开关置V档。+孔—右开关—V档，35k7电阻—12k 电阻—150k电阻—800k电阻—3k+1M电阻—5k电阻—左开关--表头右侧，表头—660电阻—1400电位器—公用孔。 6、交流10V。左开关置交流10V，右开关置V档。+孔—右开关—V档，35k7电阻，左开关第5刀—660电阻，分两路，其中一路（正半波）—右二极管—2k电阻—左开关第4刀—表头右端，表头—660电阻—1400电位器—公用孔；另一路（负半波）—左侧二极管—公用孔。 7、交流50V。左开关置交流50V，右开关置V档。+孔—右开关—V档，35k7电阻、12k、150k电阻，左开关第5刀—660电阻，分两路，其中一路（正半波）—右二极管—2k 电阻—左开关第4刀—表头右端，表头—660电阻—1400电位器—公用孔；另一路（负半波）—左侧二极管—公用孔。