电容测量电路

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。

第二章：题目分析和设计构思

2.1 题目分析

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，这是我们就用我们设计的电路来测量它以便于我们选择。另外它还有一个作用，它可以检验电容的好坏，对于我们对电容的判断和选用有重要意义。

2.2 设计构思

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。 在直流稳压电源下，由文氏电路产生信号，使电容测量和有源微分电路工作，然后就可以知道电容量大小。

2.3 整体构思：

整体构思对于电容的测量，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。在直流稳压电源下，由文氏电路产生信号，使电容测量和有源微分电路工作， 然后就可以知道电容量大小。

第三章:测量电路原理

3.1 工作原理：本电路由文氏桥振荡电路、反向比例运算电路、C/ACV转换电路、带通滤波器四个部分组成。由文氏桥振荡电路输出固定频率的正弦波，经过反向比例运算电路作为缓冲电路，作用于被测电容Cx ，通过C/ACV电路转换交流电压信号，再通过带通滤波器输出固定频率的交流信号，因此输出交流电压的幅值正比于电容Cx 容量。

第四章：硬件电路设计

图示的电路图为五量程测量电路，其输出电压通过AC/DC（交流转直流）转换器和A/D（模拟换数字）转换器，驱动液晶显示器，即获得测量值，方框图如图2，其中AC/DC转换器、A/D转换器和液晶显示器是DT890C+数字多用表中的公用电路。对图1的解析。

4.1 了解功能

在DT890+型数字多用表中，是利用容抗法测量电路。基本思想是：将400HZ 的正弦波信号作用于被测电容C 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。

测量范围分为2nF ，20nF,200nF,2μF,20F 五档，测量准确度为±2.5%。分辨率取决于A/D转换器的位数，当采用TSC106时，最高分辨率为1pF 。

五量程电容测量电路

电容测量电路及其输出电压转换电路方框图

4.2 化整为零

观察图所示电路，以集成运放为核心器件可将其分解为四个部分， A1,C8,C9,R11,R12,R13,R14 组成文氏桥振荡电路；A2 和 R65，R15，Rw1 组成 反向比例运算电路；A2 的输出电压在被测电容 Cx 上产生电流，通过 A3 及其有 关元件组成的电路将电容量转换成交流电压，故组成 C/ACV 电路；A4 和 R17， R18，R19，C10，C11 组成有源滤波电路，根据整个电路的功能，该滤波电路应 只允许 400Hz 正弦波信号通过，而滤掉其他频率的干扰，故为带通滤波电路。

4.3 功能分析

4.3.1 文氏桥振荡电路

振荡频率的表达式

4.3.2 反向比例运算电路

比例系数为 Au= --（R4+Rw）/ R3

式中Rw 为电容档的较准电位器，调节Rw 可以改变比例系数。该电路还起缓冲作用，隔离振荡电路和被测电容。

1

f 0=

2πR 11R 12C 8C

4.3.3 C/ACV转换电路

电路的输入电抗为被测电容的容抗，即

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。

X

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400Hz 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。

4.3.4 有源滤波电路

从测量的需要出发，该电路应为带通滤波电路。为了便于识别电路，将其变成一个多路反馈无限增益电路。 经推导可得中心频率为

有源滤波电路只允许U03中400Hz 信号通过，而滤去其他频率的干扰。可见，输出电压U04是幅值与被测电容Cx 容量成正比关系的400Hz 交流电压。

1f 0=

2πC 10111(+R 18R 17R 19

4.4 统观整体

根据上述四个部分的关系，可得下图所示的方框图：

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。

第五章：元件参数

第六章：仿真

6.1仿真截图

U0

Uo1

U02

U03

第七章：课程设计心得及体会

本次课程设计, 我通过图书与网上的关于此课题的资料，经过整理筛选后，取其中我需要的，建立了一个大概的模型，然后通过这个学期所学的模电知识逐步扩展, 形成了这个网络，由于毕竟学的知识不深 ,时间比较紧迫，难免会有漏洞。通过这次课程设计，我觉得它很好的把这学期所学的知识，有效的整合了起来，对所学的指导的初步应用有了大概的了解，这对于以后的工作有很大的帮助。 1、通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。

2、我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太 多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有 限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电 路中的使用有了更多的认识。

3、 平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。 比如一些电路的原理，平时看课本，这次看了， 下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践 是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个期末测试之前 的课程设计对我们的作用是非常大的。 4、经过五天的实习，从查找资料的过程中，在共同协作的努力时，我感受很深， 学到了在书本中学不到的知识，也认识到自己存在哪些方面的欠缺。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心 情，点点滴滴无不令我回味无长。我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。某个人的离群都可能导致导致整项工作的失败。实习中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识 是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论， 才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计 的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

5、这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！

附录一：参考文献

《电工学》电子工业出版社；

《电子线路设计·实验·测试》华中科技大学出版社 《模拟电子技术基础》高等教育出版社

7、答辩记录及评分表