模電課程設計--電容測試電路的設計

1、<p>　　2012 ~ 2013 學年 第 二 學期</p><p>　　《 模擬電子技術 》</p><p>　　課 程 設 計 報 告</p><p>　　題 目： 電容測量電路的設計 </p><p>　　專 業(yè)： 通信工程 </p><p&g

2、t;　　班 級： 11通信2班 </p><p><b>　　電氣工程系</b></p><p>　　2013年 6月 日</p><p><b>　　任務書</b></p><p><b>　　電容測量電路的設計</b></p>

3、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　五量程電容測試電路是以集成運放為核心用來測試多種電容范圍的電容測試電路。本測試電路有四個部分，包括RC正弦振蕩電路、電壓跟隨器、電容\交流電壓轉換電路和帶通濾波電路。RC正弦振蕩電路產生500Hz正弦波作用于被測電容，經過電壓跟隨器的隔離作用將此信號作用于被測電容，經過轉換電路將電容量轉換為交流電壓，實現通過測量電壓

4、來測量電容。</p><p>　　電容測量電路的設計是為了方便準確的測量電容性能。以便我們檢驗電容，當我們需要一個特定的電容時，這時我們就用我們設計的電路來測量它以便于我們選擇。本電路功能通過Multisim軟件實現。</p><p>　　關鍵詞：電容測試；RC正弦振蕩；轉換電路；帶通濾波；Multisim</p><p><b>　　目 錄</b&

5、gt;</p><p><b>　　摘 要3</b></p><p>　　第一章 題目分析、方案論證和總體設計5</p><p>　　1.1 題目分析5</p><p>　　1.2 方案論證5</p><p>　　1.3 總體設計5</p><p>　　第二

6、章 單元電路設計7</p><p>　　2.1 RC正弦振蕩電路7</p><p>　　2.2 電壓跟隨器8</p><p>　　2.3 電容\交流電壓轉換電路9</p><p>　　2.4 有源帶通濾波電路10</p><p>　　第三章 系統(tǒng)綜述13</p><p>　　3.1

7、總電路圖13</p><p><b>　　3.2 仿真14</b></p><p>　　3.3 結論：15</p><p>　　第四章 設計心得16</p><p><b>　　參考文獻17</b></p><p><b>　　附錄18</b>

8、;</p><p>　　第一章 題目分析、方案論證和總體設計</p><p><b>　　1.1 題目分析</b></p><p>　　設計電容測試電路，目的是通過現有的能測量的工具將不能測量的量轉換為能測量的量，電容量的測試可以將電容通過交流電可以產生容抗，通過轉換電路可以將其轉換為一定的交流電壓，利用電壓和電容量成正比的關系通過測試電壓即可

9、實現電容量的測量。不同量程的選擇可以通過不同檔電阻大小的改變實現。</p><p><b>　　1.2 方案論證</b></p><p>　　對于電容的測量，我們要有一個概括的了解，一般應借助于專門的測試儀器，通常用電橋。而用萬用表僅能粗略地檢查一下電容是否失效或漏電情況。測量電路如圖所示。</p><p>　　在直流穩(wěn)壓電源下，由文氏電路產生

10、信號，經過電容電壓轉換電路，輸出電壓和電容量成正比，通過測量電壓大小然后就可以知道電容兩大小。</p><p><b>　　1.3 總體設計</b></p><p>　　本電容測試電路分為四個部分，首先由RC正弦振蕩電路產生500Hz正弦波信號，然后將此信號通過電壓跟隨器將信號產生電路及被測電路進行隔離，信號通過電壓跟隨器后便作用于被測電容，通過電容\交流電壓轉換電路

11、將被測電容量轉換為交流電壓信號（電壓大小正比于電容量），通過二階帶通濾波電路濾出500Hz的正弦電壓，通過測量此電壓信號即可。</p><p>　　圖1.2 電容測試電路設計總體框圖</p><p>　　第二章 單元電路設計</p><p>　　2.1 RC正弦振蕩電路</p><p>　　又稱文氏橋震蕩電路，用來產生500Hz正弦信號作用于

12、被測電容。本電路設計中，RC串、并聯電路構成正反饋支路，同時兼作選頻網絡，R4、R5、R6及二極管等元件構成負反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調節(jié)電位器R6可改變負反饋深度，以滿足震蕩的振幅條件和改善波形。利用兩個反向并聯二極管D1、D2正向電阻的非線性特性來實現穩(wěn)幅。D1、D2采用硅管(溫度特性好)，且要求特性匹配，才能保證輸出波形征服半周對稱。R5的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。</p><p><

13、b>　　電路的振蕩頻率</b></p><p><b>　　=500Hz</b></p><p><b>　　起振的幅值條件</b></p><p><b>　　Rf/R2>=2</b></p><p>　　式中：Rf=R6+R4+（R5//rD），rD

14、為二極管正向導通電阻。</p><p>　　調整反饋電阻Rf（調R6），使電路起振，切波形失真最小。R6的百分比至30%左右時，電路能夠振蕩。改變選頻網絡參數C或R，即可調節(jié)振蕩頻率。一般改變電容C作量程切換，而調節(jié)R做量程內的頻率細調。</p><p>　　圖2.1 產生500Hz正弦波信號的RC振蕩電路</p><p>　　圖2.2 RC正弦振蕩電路產生信號波

15、形</p><p>　　圖2.3 RC正弦振蕩電路產生信號電壓及頻率測試</p><p><b>　　2.2 電壓跟隨器</b></p><p>　　電壓跟隨器是在同相比例運算電路中，將輸出電壓的全部反饋到反相輸入端。反饋系數為1，輸入電壓等于輸出電壓。具有輸入阻抗高，輸出阻抗低的特點。電壓跟隨器起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用.共集電路的輸入

16、高阻抗，輸出低阻抗的特性，使得它在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級的放大電路更好的工作。</p><p>　　在本次設計中，電壓跟隨器起到隔離信號發(fā)生電路與被測電容的作用。本單元設計中用500Hz的交流電壓源代替RC正弦振蕩電路所產生的交流信號。R2為電容檔的較準電位器。通過Multisim軟件仿真可以出輸入波形和輸出波形重合這一特點。</p><p>　　圖2.4 電壓跟隨器

17、</p><p>　　圖2.5 電壓跟隨器輸入和輸出波形（重合）</p><p>　　2.3 電容\交流電壓轉換電路</p><p>　　此電路功能是將輸入信號作用于電容并將其轉換成電壓信號并輸出。 </p><p>　　電路的輸入電抗為被測電容的容抗，即</p><p>　　當電容量程不同時，電容的反饋電阻Rf將

18、不同，轉換關系也將不同。</p><p>　　表一 不同量程時電容/電壓轉換電路的反饋電阻Rf</p><p>　　從表中可以看出，電容量每增大10倍，反饋電阻阻值減小10倍。因此，不難發(fā)現，在各電容擋，電路的轉換系數的最大數值均相等，也就限制了A/D轉換電路的最大輸入電壓。</p><p>　　當500Hz正弦波信號Uo2幅值一定時，電容檔確定，因而Uo3與被測電

19、容容量Cx成正比。相當于反相比例運算電路：</p><p>　　Uo=-(Rf/Xcx)Ui=-2Rf*pi*f*Cx*Ui</p><p>　　圖2.6 電容\電壓轉換電路</p><p>　　此電路輸出端經Multisim仿真，得出不規(guī)則波形，因此需要進行濾波。</p><p>　　2.4 有源帶通濾波電路</p><

20、p>　　有源濾波器的優(yōu)點是：高輸入阻抗和低輸出阻抗，因此輸入與輸出之間具有良好的隔離性能，便于級聯。此外，有源濾波器體積小、重量輕、成本低且穩(wěn)定性好，方便調試和應用；有源濾波器的缺點是：需要提供直流電源才能工作、電阻產生熱噪聲且運算放大器等有源元件的高頻特性不太好。</p><p>　　帶通濾波電路能夠讓兩個頻率大小之間的頻率通過，高于或低于這個范圍的頻率將被衰減。用于載波通信或弱信號提取等場合，以提高信噪

21、比。</p><p>　　將低通濾波器和高通濾波器串聯，就可以得到帶通濾波器。設前者的截止頻率為f1,后者的截止頻率為f2，f2應小于f1，則通頻帶為（f1-f2）。</p><p>　　本單元設計一個二階無限增益多路反饋帶通濾波器。</p><p>　　二階無限增益多路反饋帶通濾波器的電路如圖所示。分析表明，滿足</p><p><b

22、>　　增益</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　帶通</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　角頻率</b></p><p>&l

23、t;b>　　（3）</b></p><p>　　電路滿足帶通濾波器的傳遞函數</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　帶通濾波器的技術指標：中心頻率為500Hz；通頻帶為490Hz～510Hz；通帶內起伏不大于1dB；通帶外在不大于450Hz 和不小于550Hz 處衰減不小于20 dB；增益G=2。&l

24、t;/p><p>　　在實際的濾波器設計過程中， 通常選取C1 = C2 ，并記為C ，按照下面的步驟實現二階無限增益多路反饋帶通濾波器的設計：(a)選定電容C的一種標稱值，根據設計參數B，由式（2）可以計算得到電阻R3 的值；(b)根據濾波器設計參數（增益G），由式（1）計算得到電阻R1 的值；(c)根據設計參數（中心頻率f0）由式（3）計算得到電阻R2 的值。</p><p>　　表二

25、電路電阻理論參數</p><p>　　圖2.7 二階無限增益多路反饋帶通濾波器</p><p>　　（a） 幅度——頻率</p><p><b>　?。╞）相位——頻率</b></p><p>　　圖2.8 帶通濾波器波特圖</p><p>　　實際電路的幅頻特性曲線和相頻特性曲線與仿真得到的幅頻

26、特性曲線和相頻特性曲線的變化趨勢相同，不同之處恰好體現了理論計算與具體實現之間的差異。因此，電路特性的仿真對電路的具體設計有重要的指導意義。</p><p>　　通頻帶490Hz～510Hz 內起伏小于1 dB，在不大于450Hz 和不小于550Hz 處衰減大于20dB，滿足設計要求。</p><p>　　電路通過此帶通濾波器便可產生大約500Hz的電壓波形。</p><

27、;p><b>　　第三章 系統(tǒng)綜述</b></p><p>　　在測量電容量時，文氏橋振蕩電路所產生500Hz正弦波電壓，經過電壓跟隨器作為緩沖電路，作用于被測電容Cx；通過電容\電壓轉換電路將Cx轉換為交流電壓信號，再經二階帶通濾波電路濾掉其他頻率的干擾，輸出是幅值與Cx成比例的500Hz正弦波電壓。電容測量電路的輸出電壓作為AC/DC轉換電路的輸入信號，轉換為直流電壓；再由A/D轉

28、換電路轉換為數字信號，并驅動液晶顯示器，顯示出被測電容的容量值。</p><p>　　圖3.1 電容測量電路及其輸出電壓轉換電路方框圖</p><p><b>　　3.1 總電路圖</b></p><p><b>　　圖3.2 總電路圖</b></p><p><b>　　3.2 系統(tǒng)仿真

29、</b></p><p><b>　　圖3.3 仿真圖1</b></p><p>　　說明:當電容為10uF時用萬用表測得電壓為7.725V,的比值大小為X1=515000.</p><p><b>　　圖3.4 仿真圖2</b></p><p>　　說明:當電容為10uF時用萬用表測得

30、電壓如圖所示,比例X2=516300.</p><p><b>　　圖3.5 仿真圖3</b></p><p>　　說明:當輸入電容為5uF時，用萬用表測得輸出電壓如圖所示，與被測電容的比值為X3=509200.</p><p><b>　　3.3 結論：</b></p><p>　　輸入電容通過電

31、容測試電路，輸出電壓的大小與電容量的比值在大非常近似，即其電容量與輸出電壓成正比。</p><p><b>　　第四章 設計心得</b></p><p>　　通過本次課程設計，不僅加深了對模擬電子技術這們課程的學習，而且通過上網及到圖書館查找資料，拓寬了本課程的知識面。通過Multisim實現仿真，讓我感受到計算機的實用性。不斷通過文獻檢索讓我認識到知識的廣泛性，進一

32、步強化了文獻檢索技能。這次課程設計我們繼數電之后的第二門課程設計，所以已經有了一定的設計經驗和基礎，在本次設計中，我們八個人一起查找資料，分組設計，克服種種設計難關，加強了我們之間的團隊精神與合作意識。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.</p&

33、gt;<p>　　[2] 王艷春.電子技術實驗與Multisim仿真[M].合肥：合肥工業(yè)大學出版社，2011.</p><p>　　[3] 閻石.數字電子技術基礎[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.</p><p>　　[4] 邱關源.電路[M]. 5版.北京：高等教育出版社，2006.</p><p>　　[5] 畢滿清.電子技術基礎實驗

34、與課程設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2008.</p><p>　　[6] 李國麗,劉春,朱維勇.電子技術基礎實驗[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2007.</p><p>　　[7] 郭鎖利,劉延飛,李琪,等.基于Multisim9的電子系統(tǒng)設計、仿真與綜合應用[M].北京：人民郵電出版社，2008.</p><p>　　[8] 齊躍林，劉燕燕，畢衛(wèi)紅.電子

35、線路CAD[M].西安：西安電子科技大學出版社，2008.</p><p>　　[9] 聶典、丁偉.Multisim 10計算機仿真在電子電路設計中的應用[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.</p><p>　　[10] 黃培根，任清褒.Multisim 10 計算機虛擬仿真實驗室[M].4版. 北京：電子工業(yè)出版社,2008.</p><p><b>