课设论文 131806035

1、模拟电子技术基础课程设计(论文) 电容测量电路的设计 院（系）名称新能源学院 专业班级电气132 学号131806035 学生姓名潘钰介 指导教师起 止 时 间： 2015.7.62015.7.19课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息工程 学 号131806035学生姓名潘钰介专业班级电气132课程设计（论文）题目电容测量电路的设计课程设计（论文）任务任务要求：电容测量电路用于测量电容的容量。当需要一个特定的电容时，可用电容测量电路来测量它以检验电容性能。电容测量电路是以集成运放为核心，可用来测试多种电容范围的电容测试电路，由振荡电路、电容/电压转换电路等部

2、分电路组成。利用电压与电容量成比例的关系通过测试电压即可实现电容量的测量。技术要求：1、电路具有判断电容好坏的功能。2、设计中应含有信号产生电路。3、要求能测试的电容容量在100pF至100F范围内。4、设计本测试仪所需的直流稳压电源。5、至少设计两个以上的测量量程。6、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。指导教师评语及成绩平时成绩： 答辩成绩： 论文成绩： 作品成绩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：平时成绩占20%，答辩成绩占20%，论文成绩占40%，作品成绩20%。本科生课程设计（论文）摘 要电容测量电路是以集成运放为核心器件可将其分解为四部分。可分解为直流稳压电

3、源电路，文氏电桥电路，电容测量电路和差分电路。起始设计思想是:输入220V，50Hz的正弦波信号，通过直流稳压电源输出26v的直流电，再通过文氏桥振荡电路产生正弦波电压，经过差分电路作为缓冲电路，作用于被测电容。 在直流稳压电源的作用下，由文氏电路产生信号，使电容测量电路和差分电路工作，可测量电容量并比较大小。本设计运放主要采用LM324，通过Multisim仿真软件绘制原理图并进行仿真实验。关键词：电容；稳压电源；文氏电桥电路；差分电路 目 录第1章 绪论11.1电容测量电路设计的意义11.2本文研究内容1第2章电容测量电路总体设计方案12.1电容测量电路设计方案论证12.2总体设计方案框图

4、及分析2第3章 电容测量电路单元电路设计33.1电容测量电路具体电路设计33.1.1直流稳压电源设计电路设计33.1.2信号产生电路设计33.1.3电容测量电路设计53.2 元器件型号选择63.3 参数计算63.4电容测量电路总体电路图7第4章 电容测量电路仿真与调试84.1 Multisim仿真与调试84.2 仿真结果分析10第5章 电容测量电路实物制作105.1直流稳压电源电路焊接105.2信号产生电路焊接105.3 电容测量电路作品11第6章 作品测试与数据分析13第7章 总结13参考文献15附 录 I16附 录 II17I第1章 绪论1.1电容测量电路设计的意义目前，随着电子工业的发展

5、，电子元器件急剧增加，电子元器件的适用范围也逐渐广泛起来，在应用中我们常常要测定电容的大小。 在电子产品的生产和维修中，电容测量这一环节至关重要，一个好的电子产品应具备一定规格年限的使用寿命。因此在生产这一环节中，对其产品的检测至关重要，而检测电子产品是否符合出产要求的关键在于检测其内部核心的电路，电路的好坏决定了电子产品的好与坏，而电容在基本的电子产品的集成电路部分有着其不可替代的作用。同样，在维修人员在对电子产品的维修中，电路的检测 是最基本的，有时需要检测电路中各个部件是否工作正常，电容器是否工作正常。 因此，设计可靠，安全，便捷的电容测仪具有极大的现实必要性。1.2本文研究内容本文研究

6、内容为电容测量电路的设计。使用电容，二极管，集成运算放大器等器件。设计合适的直流稳压电源电路等核心部件。通过对调节外围分立元件的参数的调整，实现可测量位置电容。设计要求1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。 4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规

7、律摆放各电路，并标出必要的说明。16本科生课程设计（论文）第2章电容测量电路总体设计方案2.1电容测量电路设计方案论证方案一：直接根据充放电时间判断电容值这种电容测量方法主要采用了电容的充放电特性,通过测量与被测电容相关电路的充放电时间来确定电容值。一般情况下,可设计电路使（T为振荡周期或触发时间；A为电路常数，与电路参数有关）。 这种方法中应用了555定时器组成的单稳态触发器，在秒脉冲的作用下产生触发脉冲，来控制门电路实现计数，从而确定脉冲时间，通过设计合理的电路参数，使计数值与被测电容相对应。图2.1 根据充放电时间判断电容值原理框图误差分析：这种电容测量方法的误差主要有两部分组成：一部分

8、是由555定时器构成的振荡电路和触发电路由于非线性造成的误差，其中最重要的是单稳态触发电路的非线性误差,C/C=T/T(T由充放电时间决定；C是被测电容值)；另一部分是由数字电路的量化误差引起的，是数字电路特有的误差，该误差相对影响较小，可忽律不计。这种方法硬件结构相对复杂，实际是通过牺牲硬件部分来减轻软件部分的负担，但在具体设计中会遇到很多的问题，而且硬件一旦设计好，可变性不大。由此，此方案舍弃。 方案二：运用模拟电路知识，设计直流稳压电源，由文氏电路产生信号，使电容测量和差分电路工作，由产生的电压大小判断电容的大小。 对于电容的测量，通常借助于专门的测试仪器，通常用电桥。 通过比较，方案二

9、既可以测量电容大小，又可以判断电容的好坏，更加符合提议，所以，本设计选用方案二。2.2总体设计方案框图及分析 本设计采用直流稳压电源，文氏电桥电路，测量电容，可以比较两个电容的大小，并根据波形判断好坏。图2.2总体设计框图第3章 电容测量电路单元电路设计3.1电容测量电路具体电路设计3.1.1直流稳压电源设计（1）压器副边电压确定。 整流电路采用直流稳压电源设计思路 （2）电网供电电压为交流220V（有效值），50Hz，要获得低压直流输出，首先须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。 （3）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向的直流电，但其幅值变化大。 （4）脉动大的直流电压须经

10、过滤波电路变成平滑的，脉动小的直流电，即将交流成分滤掉，保留其直流成分。 （5）滤波后的直流电压再通过稳压电路，便可得到基本上不受外界影响的稳定的直流电压输出，供给负载Rl。图3.1 直流稳压电源原理框图采用电源变压器将电网220V，50Hz交流电降压后送整流电路，变压器的变化电单文式整流电路，整流桥选用的二极管需要考虑允许承受的电压和电流值。 （1）滤波器常采用无源元件R，L，C构成的不同类型滤波电路。由于本电路为小功率电源，故可用电容输入式滤波电路。 （2）稳压电路采用串联反馈式稳压电路。比较放大单元采用分立三极管组成的差动放大器或者集成运算放大器，可提高电路的稳定性。 （3）过流保护器：

11、串联稳压电路中，调整管与负载串联，当输出电流过大或者输出短路时，调整管会因电流过大或电压过高使管耗过大而损坏，所以须对调整管采取保护措施。保护电路在教材和有关文献中均有介绍。 采用集成稳压器构成直流稳压电源，具有使用方便，结构简单及性能优良等许多特点，因而得到广泛应用。目前在国际上已有数百个品种集成稳压器，国内也有几十个品种，主要有多端式与三端式和可调式与固定式之分。品种较多，较全的是串联负反馈调整式电路，功率一般为0.520W。也有开关式集成稳压电路。 这种电路其输出电压灵活可变，所以在各种电路中被广泛应用。 图3.2直流稳压电源3.1.2信号产生电路设计图中2.2和R1，R5组成电压串联负

12、反馈放大器，RC串-并联电路为具有选频特征的正反馈网络。实际上运算放大器的开环放大倍数是有限的，为了满足幅值条件使电路易于起振，应使R5略大于2R1。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=R3，C1=C2时，该电路输出波形的基频可估算为 965.1HZ其负反馈放大倍数 3.103 由于该电路没有由A1F3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=2f1812Hz，f3=3f11218Hz等谐波分量。其峰值V01mVCC，VCC为运放的直流偏置电压。图3.3信号产生电路3.

13、1.3电容测量电路设计下图为差分式电容大小比较的原理图。根据上图我们可以通过两端的电压差来判断电路中电容的大小。 由于两个运放中的电容的大小不同，所以最后输出的电压也将不同，由此可以判断两个电容的大小。图3.4 电容测量电路3.2 元器件型号选择在直流稳压电源部分，为了得到稳定的电压输出为运算放大器供电。C5、C6、C7、C8用来实现频率补偿，防止稳压产生高频自己振荡和抑制电路引入的高频干扰。考虑到输出电压的幅值和市电10%的波动范围，整流桥由四只1N4007整流二极管组成。滤波电容采用470F电解电容。在积分电路部分，选择LM324构成核心的积分电路。满足电路电流的限制。所以固定的电阻R5选

14、择510是合适的。可变电阻R6的阻值调节上限是100k远远大于510可以在误差允许的范围内产生一定幅度、频率的锯齿波。考虑到电路输出信号的频率范围，可以选择0.1nF独石电容作为积分电路的充电电容。 3.3 参数计算第一级由C1，C2，R1，R2，R3，R4和运放N3A3组成，是典型的文氏桥振荡器。当R1=R3，C1=C2时，该电路输出波形的基频可估算为 965.1HZ其负反馈放大倍数为 由于该电路没有由A1F3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=2f1812Hz，f3=3f11218Hz等谐波分量。其峰值V01mVC

15、C，VCC为运放的直流偏置电压。 第三级由R14，R15，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12，和运放组成差分电路。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=1k，Cx=1F，用multisim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12.2k

16、Hz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。3.4电容测量电路总体电路图 图3.5电容测量电路总体电路图第4章 电容测量电路仿真与调试4.1 Multisim仿真与调试 应用Multisim 12.0仿真软件对各部分电路进行仿真测试，便于在电路实物制作之前及时发现设计问题，改正设计错误、调试电路。利用仿真软件对直流稳压电源部分进行仿真。直流稳压电源仿真电路如图 直流稳压电源仿真当在输入端通入220V，50Hz的电压时，经过电源变压器，整流电路，滤波电路后，输出

17、大约在2V6V的电压，输出结果如图所示 图4.1 直流稳压电源仿真结果信号产生电路仿真图4.2 信号产生电路仿真结果4.2 仿真结果分析流源的温度漂移及噪声误差,4DH1型恒流管的温度系数在2010-5左右,当环境温度变化范围比较大时,由它引起的误差将影响测量结果,另外,电流源在电子开关接通瞬间,因电流不能突变也会引入误差。过零比较器的重复性误差。当电容电压下降到0伏左右时,比较器翻转,如果每次翻转电平相同,则在程序中可将它补偿掉,但实际应用中总是有微小差别,我们所选用的LM211翻转电平大约在10毫伏左右,重复误差应在几个毫伏,适当提高放电电容的初始电压(即基准电压Us)可有效降低它对测量结

18、果的影响。单片机内部计数器的1误差,这是所有数字化仪器的固有误差,它引起的时间测量误差为2S,可忽略不计。第5章 电容测量电路实物制作具体电路的布线与焊接，为了防止电路分布参数影响工作状态产生误差，应该尽量避免飞线，尽量缩短导线长度。为防止测试操作过程中将运放芯片的电源反接导致芯片烧毁导致安全事故。应该合理布置电源接口，并予以标注各接地电应该牢固连接并接出接口。信号输出接口应予以符号标出。5.1直流稳压电源电路焊接 图5.1 直流稳压电源电路实物为缩小版面尺寸，应合理紧密选择器件位置，并考虑到电位器在实际使用中需要频繁的调节，应安放在方便调节的位置，各输出端应合理布置测试点，电源和接地线应留出

19、接口。为方便测试，应用图示标出各测试接口的功能。尤其是正负电源接口，测试过程中一旦反接会导致芯片击穿烧毁造成安全事故。5.2信号产生电路焊接图5.2 信号产生电路实物5.3 电容测量电路作品图5.3 电容测量电路作品 第6章 作品测试与数据分析本次测试采用实验台提供的更加稳定的12V双电源供电便于更好的测试、调试作品。采用双通道数字示波器同时观测锯齿波和矩形波的波形。示波器各通道的接地线应与电源接地线良好连接避免干扰。如图6.1所示，将示波器的通道一正极接入锯齿波信号输出端 通道二的正极接入方波信号的输入端。两通道的接地线接入公共地端，接通双12V电源和电源地线。为确保安全在通电测试前应仔细检

20、查电源线是否短接、反接，避免烧坏电源或击穿集成芯片造成事故。检查确定后接通双12V稳压电源进行全电路的测试。在测试过程中出现了信号被严重干扰 无法输出波形的情况。经过分析，应该是稳压电源纹波过大在测试电路中产生寄生振荡导致的。在测试时 采取了更换直流稳压电源重新测试的方法发现并排除了故障。这一故障时仿真元件无法显示出来的。暴露出来设计上的不周全。可以在电源端与接地端串接电源旁路电容来彻底解决这一问题。排除故障后通过使用示波器对矩形波、锯齿波波形的观测两种波形干扰较小。输出幅值频率稳定。锯齿波和矩形波的频率调节范围达到0.023Hz 1.424kHz范围内连续可调。锯齿波、矩形波的幅值010.3

21、7V范围内连续可调。虽完全满足设计要求。但仍然暴露出顶调电位器灵敏度过低调节十分不方便的问题。在实际使用电路中可以换用其他封装的电位器避免这一问题。第7章 总结电容是一个重要的电磁学概念。它反映了电场的能量与边界上的能量（或电压）关系的物理量，它是导体的一个非常重要的特性，不同导体的物理性质就是用 “电容”的物理量来描述。而电容则反映了电容量的大小，它是利用小体积储藏大量电荷和电能的电学器件，是电子设备中广泛应用的电路基本元件。所以，精确测量电容的大小，显得尤为重要。开发设计的初级阶段，由于对Multisim电路仿真软件使用不够熟练，通过上网查阅相关教程和查阅相关书籍，我对Multisim电路

22、仿真软件的使用有了进一步的认识。随着设计的深入，逐步加深对该软件的认识和对修改元件库内元件参数的熟悉和理解。同时，我也阅读大量的资料了解振荡电路设计工作的一些特点。课程设计是对所学知识的应用，理论联系实际让我对学过的知识有了更加深刻的理解。通过电路的设计、仿真、修改、制作、测试。调试的过程，不但掌握了基本的电子设计制作调试技术，也掌握了相关仿真软件的操作。通过这段时间里的学习，我学习到了很多新知识，也对电子设备开发的过程有了更深的了解，并且对电路设计的基本思路有了较深的认识，学会并掌握了仿真软件的使用与调整电气参数的技术，加深了对仿真软件使用的熟练程度，对晶体管器件的参数理解和使用有了更深的认识，对电路的