简单的电容测量仪设计说明

1、电子技术课程设计评分标准项目子项目满分得分1 作品设计方案1050制作质量20完成效果202 设计报告方案论证1040电路、计算，或仿真10调试、测试数据10规性103其他工作态度510答辩5总分100电子技术课程设计任务书设计题目：电容测量仪学生： 学号： 专业班级： 09自动化一、设计条件1 可选元件(1) 双运放芯片()，二极晶体管；(2) 电阻、电容、电位器等；(3 )引脚插座，排针。2 可用仪器万用表，示波器，直流稳压电源。二、设计任务及要求1 设计任务根据电路技术要求的指标，制作一个简易电容测量装置，完成选题电路的设计、装配、焊接与调试。2 设计要求(1 )电容测量的围：1uf10

2、00uf , 100nf1uf ;(2)选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。包括：计算电路元件参数、选 择元件、画出总体电路原理图；(3 )用软件仿真整体或部分核心实验电路，得出适当结果；(4)装配、调试作品，按规定格式写出课程设计报告书。三、时间安排1第9周：布置设计任务，讲解设计要求、实施计划、设计报告等要求，完成选题。2.第1014周：完成资料查阅、作品设计、模拟仿真，领取元件、实际制作。3 .第1516周：制作并调试设计作品。4第17周：作品检查、评价、验收，撰写设计报告。5 第18周：抽选作品答辩，提交设计报告。指导教师签名:年月日摘要 1关键词 11 绪论 12 需求分析 12

3、.1 设计任务及要求 12.1.1 设计任务 12.1.2 设计要求 122 设计思想 13 设计方案 13.1 方案论证 13.1.1 文氏桥振荡电路 23.1.2 反向比例运算电路 33.1.3 C/ACV 转换电路 33.1.4 有源滤波电路 43.2 工作原理 54 电路详细设计 54.1 文氏桥振荡电路分析 54.2 反向比例运算以及C/ACV转换电路分析 64.3有源滤波电路分析 75 实验结果 75.1 文氏桥振荡实验 75.2 反向比例电路实验 85.3 有源滤波实验 85.4 结果分析 95.4.1 文氏桥振荡以及反向比例运算电路分析 95.4.2 有源滤波以及 C/ACV电

4、路分析 96 结论 106.1 设计成果 106.2 设计特点 106.3 存在问题及改进方法 10参考文献 10致谢 10附录A电路全图 11附录B元器件清单 11题目摘要本文主要通过用容抗法来完成一个电路对电容值的测量。根据参考文献可以得出其基本设计思想是：将一个频率一定的正弦波信号作用于被测电容Q，利用所产生的容抗 Xc实现C/ACA转换，将Xc转换为交流电压；再通过测量交流电压的值来获得C的电容量。利用此方法测量围可自己来调节，可以测量从100nf1uf，1uf1000uf的电容值，得到最后输出的正弦波来算得电容 C的值，且测量结果较为准确。关键词电容测量电路；文氏桥振荡电路；反向比例

5、运算电路；C/ACV转换电路；有源滤波电路。1 绪论储存电荷的容器，是我们在实验中常见的元器件。它是由两片靠得较近的金属片，中间再隔以绝缘物质而组成的。绝缘材料不同，可制成各种各样的电容。：云母、瓷介、纸介，电解电容等。在构造上，又分为固定电容和可变电容。容器对直流电阻力无穷大，即电容器 具有隔直流作用。电容对交流电的阻力受交流电频率影响，即相同容量的电容对不同频率的交流电呈现不同的容抗。电容不像电阻那样容易测量其值的大小，有些时候我们就希望通过某种仪器来测量的值。目前测量电容的几种基本方法有：1、电容式传感器测量；2、振荡频率法；3、电抗电桥测量；4、恒流充电振荡法等，本设计采用容抗法测量电

6、容值。本设计电路图简单，清晰 明了且元器件容易得到。2需求分析2.1 设计任务及要求2.1.1 设计任务根据题目说给的要求设计一个电容测量装置，能够借用万用表，示波器与直流稳压装置来准确地测量一定围的电容值。2.1.2 设计要求根据题目的要求采用直流稳压源供电，运用运算放大器、晶体管。电位器电阻等元器件设计电路装置测量 100nf1000uf的电容值。2.2 设计思想在电路中接入待测电容， 将电容所产生的电流量转化为电压量，再根据容抗法和最后电路输出的正弦电压计算出电容值。3设计方案采用容抗法将正弦波信号作用与被测电容利用所产生的容抗Xc实现C/ACV转换，将Xc转换为交流电压来获得 Cx的电

7、容量。3.1 方案论证本设计先通过一个文氏桥电路自激振荡产生一个频率一定的正弦波，再通过反向比例电路来减小正弦波的幅值，然后经过被测电容再过一个有源滤波电路，将最先产生的正弦波信号从干扰信号滤出来，得到电压U04是幅值与被测电容 Cx容量称正比关系的一定频率的交流 电压，根据换算就可以算得电容的值。方案图如3-1所示：图3-1 方案框图3.1.1文氏桥振荡电路文氏桥振荡电路是最常见及最典型的RC桥式正弦波振荡电路，其主要由三部分构成:RC串并联选频网络，运算放大器及反馈网络。其产生的频率为：fo12、 R10R11C5C3电路如图3-2所示:5C.O.OInF <TEXT>R11i

8、39.2k <TEXT>U1:AR1039.2k <TEM>:C3 0,01 -<TE312fibTL062叮匚3.6k 占 “ ：<TEXT>i ：R91.5kJ <TEXT> -图3-2文氏桥振荡电路3.1.2反向比例运算电路振荡输出的波形经过 R2与反向比例运算电路的输出端并联输入其放大器的反向输入 端，可得到其比例系数如下：AuR4 R3R2稳定Uo2输出的波形,上式中R4为201电位器，可以调节阻值的大小来改变比例系数,般波形稳定后就不再调动R4 了。同时该电路还有隔离振荡电路和被测电容，使电路更加稳定。3.1.3 C/ACV 转

9、换电路电路输入的电抗便为被测电容的容抗，公式如下:Xcx1jwCx1j2 fCx转换系数为:=-2 碎"其中Rf可根据被测电容的不同值来选择不同档位的电阻来测量。当Uo2的幅值一定的时候，Uo3与被测电容量 Cx成正比。这样，电容量就转换成电压量，可以通过计算得出被 测电容的值了。电路如图3-4所示：3.1.4 有源滤波电路能够滤除输入电压中间夹杂的干扰频率，得到想要的电根据需求将有源滤波电路加入, 压频率。电路如图3-5所示：图3-5有源滤波电路上图中的中心频率fo 11112 C2 R8 R7 R1所以，能过通过 U4的频率为U3中的频率幅值与滤波电路中的fo相同频率的交流电压值

10、，根据U4的最后输出来算得电容值。3.2 工作原理从整个电路来看可以得到，该电路最先通过文氏桥振荡产生的正弦波作用于电容上，将电容量转化为交流电压量，再通过滤波电路出去干扰信号后得到电压值U4,经过公式就能够计算出被测电容。整体电路如图3-6所示：4电路详细设计4.1 文氏桥振荡电路分析其中在试验中 R10=R1仁39.2k，C5=C3=0.01uf可以得到的频率 fo，根据公式fo 400Hz，实际试验中测得 fo 315Hz。2 、R10R11C5C3如图4-1所示为XX电路:图4-1 文氏桥振荡电路 为保证空能够产生自激振荡，R5 2R9 。4.2 反向比例运算以及C/ACV转换电路分析

11、自激振荡产生的正弦波经过反向比例运算器后得到幅值的降低，再经过被测电容以及 C/ACV转换电路把电容的容抗转换成电压量。图4-2反向比例运算电路4.3有源滤波电路分析1I ii1U4通过fo 1111的选择，把干扰频率滤去。在实际试验中，测得2C2*R8 R7 R1的fo=315Hz,所以U4只允许U3中频率约为315Hz的频率通过。<300<U4：A32寸LM358R8 £1乞 TEXT；CO 16BK3 <TEXT>0.01 nF-<TIEXT>r0.01nFR7.11k J 农TEKThR1图4-3有源滤波电路5实验结果5.1 文氏桥振荡实验

12、Uo1产生的波形如下RIGOL T* D IM If 4削iriUH314.1Q2HhiU= 5 亠fr护=f IS.SHz毗LE3 2.06UTime lk00mi &*0 ,6000s电路产生的正弦波信号测试结果如表5-1所示。表5-1 Uo1测量结果平均Uo1/v5.325.385.405.365.37测量次数5.2 反向比例电路实验Uo2产生的波形如下KIGOL V D Hiif 0） 1 -60irfU Un）3（l）=55 卡m*Fre<i（l）=jfl 1 【町価西 + 血uTi（n ueesMf s>*0t0©003测试结果如表5-2所示。表5-2

13、 Uo2测量结果测量次数1234平均Uo2/mv55.352.356.154.654.65.3 有源滤波实验Uo4产生波形如下（Uo3与Uo4的波形一致），下图为被测电容是 470nf的Uo4波形:RIGOL T° D i f O S0ZDT i| T n-? MU IU max(l)= S u 如*F re-<i(l> =| 12 5Hz【1 弭na 2*0ouTiiw re6tfii &*+e30s测试结果如表5-3所示。表5-3 Uo4测量结果被测电容CxRf值/Uo4/Vfo /Hz计算得Cx值470nf68 K3.68312.5488nf4.7uf10K

14、4.82313.44.5uf5.4 结果分析5.4.1文氏桥振荡以及反向比例运算电路分析当桥式电路能够产生自激振荡以及自激振荡产生了正弦波后，其是否失真与电路中的元器件参数有关。在刚开始使用 =电路的时候可能要调节 R9与R5的值的大小使Uo1产生稳定 是输出波形。另外，产生的振荡在整个电路中应该保持频率不变。其中理想的自激振荡频率值与实际实验中测量的值存在一定的偏差，其中可能是因为外界频率干扰以及双运放芯片跟电路中元器件受温度的影响导致的参数变化。在实验中，不同的运算放大器芯片产生的效果不同，因为每种芯片中的部参数各不一样，所以在以后设计中要注意使用相应的芯片，不能随意用其他芯片替换。5.4

15、.2有源滤波以及C/ACV电路分析电容的容抗经过电路转换成交流电压量，在C/ACV转换电路中选择适当的 Rf值来测量电容值，得到交合适的电压输出值，计算公式如下：5 =彳 = 2兀因为Uo3的波形在最后的滤波电路中能够被其选择滤出来，滤波选择公式如下：fo 11112 C2 R8 R7 R1所以再通过滤波电路后的选频得到最后需求的波形。6结论6.1 设计成果在本设计中将 Rf设置成多个可供选择的电位器来适应被测电容的围，得到根伟理想的 Uo4输出波形；在电路中很容易测量交流电压量，而不是电容的容抗，所以根据换算公式， 将电容值换算出来，能够达到实验要求。6.2 设计特点设计方法简单，能够测量的电容围较广，思路清晰。6.3 存在问题及改进方法不够直因为电路需要根据公式换算而不是直接将交流电压量通过转换直接显示出数值，观，相对麻烦一点；由于要靠示波器等