模電課程設(shè)計--電容測試電路的設(shè)計

1、 2012 2013 學(xué)年 第 二 學(xué)期 模擬電子技術(shù) 課 程 設(shè) 計 報 告題 目： 電容測量電路的設(shè)計 專 業(yè)： 通信工程 班 級： 11通信2班 姓 名： 王來軍 劉俊偉 朱敏 汪輝 陶加男 何雨 楊小兵 王東晨 指導(dǎo)教師： 倪琳 電氣工程系 2013年 6月 日任務(wù)書課題名稱電容測量電路的設(shè)計指導(dǎo)教師（職稱）倪琳(講師) 執(zhí)行時間20122013學(xué)年第二學(xué)期 第 16 周學(xué)生姓名學(xué)號承擔(dān)任務(wù)王來軍rc正弦振蕩電路的設(shè)計朱敏rc正弦振蕩電路的設(shè)計劉俊偉電壓跟隨器的設(shè)計王東晨電壓跟隨器的設(shè)計陶加男電容交流電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計楊小兵電容交流電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計何雨有源帶通濾波電路的設(shè)計汪輝有源帶

2、通濾波電路的設(shè)計 設(shè)計目的1、學(xué)習(xí)電容測量電路的設(shè)計方法；2、研究電容測量電路的設(shè)計方案。 設(shè)計要求（1）設(shè)計一個五量程的電容測量電路；（2）擬定設(shè)計步驟； （3）根據(jù)設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo)設(shè)計好電路，選好元件及參數(shù)；（4）要求繪出原理圖； （5）撰寫設(shè)計報告。電容測量電路的設(shè)計摘 要 五量程電容測試電路是以集成運(yùn)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(zhuǎn)換電路和帶通濾波電路。rc正弦振蕩電路產(chǎn)生500hz正弦波作用于被測電容，經(jīng)過電壓跟隨器的隔離作用將此信號作用于被測電容，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路將電容量轉(zhuǎn)換為交流電壓，實(shí)現(xiàn)通過測量電壓

3、來測量電容。電容測量電路的設(shè)計是為了方便準(zhǔn)確的測量電容性能。以便我們檢驗(yàn)電容，當(dāng)我們需要一個特定的電容時，這時我們就用我們設(shè)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(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：電容測試；rc正弦振蕩；轉(zhuǎn)換電路；帶通濾波；multisim目 錄摘 要3第一章 題目分析、方案論證和總體設(shè)計51.1 題目分析51.2 方案論證51.3 總體設(shè)計5第二章 單元電路設(shè)計72.1 rc正弦振蕩電路72.2 電壓跟隨器82.3 電容交流電壓轉(zhuǎn)換電路92.4 有源帶通濾波電路10第三章 系統(tǒng)綜述133.1 總電路圖133.2 仿真143.3 結(jié)論：15第四章 設(shè)計心得16參考文獻(xiàn)

4、17附錄18第一章 題目分析、方案論證和總體設(shè)計1.1 題目分析 設(shè)計電容測試電路，目的是通過現(xiàn)有的能測量的工具將不能測量的量轉(zhuǎn)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(chǎn)生容抗，通過轉(zhuǎn)換電路可以將其轉(zhuǎn)換為一定的交流電壓，利用電壓和電容量成正比的關(guān)系通過測試電壓即可實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)。1.2 方案論證 對于電容的測量，我們要有一個概括的了解，一般應(yīng)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。在直流穩(wěn)壓電源下，由文氏電路產(chǎn)生信號，經(jīng)過電容電壓轉(zhuǎn)換電路，輸出電壓和電容量成正比，通過測

5、量電壓大小然后就可以知道電容兩大小。圖1.1 rc橋式振蕩電路1.3 總體設(shè)計 本電容測試電路分為四個部分，首先由rc正弦振蕩電路產(chǎn)生500hz正弦波信號，然后將此信號通過電壓跟隨器將信號產(chǎn)生電路及被測電路進(jìn)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(zhuǎn)換電路將被測電容量轉(zhuǎn)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。rc正弦振蕩電路cx電容電 壓轉(zhuǎn)換電路 帶通 濾波器 uo電壓跟隨器圖1.2 電容測試電路設(shè)計總體框圖 第二章 單元電路設(shè)計2.1 rc正弦振蕩電路 又稱文氏橋震蕩電路，用來產(chǎn)生500hz正弦信號

6、作用于被測電容。本電路設(shè)計中，rc串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，r4、r5、r6及二極管等元件構(gòu)成負(fù)反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器r6可改變負(fù)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(lián)二極管d1、d2正向電阻的非線性特性來實(shí)現(xiàn)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。電路的振蕩頻率=500hz起振的幅值條件rf/r2>=2式中：rf=r6+r4+（r5/rd），rd為二極管正向?qū)娮琛Ｕ{(diào)整反饋電阻rf（調(diào)r6），使電路起振，切波形失真最小。r6的百分比至30%

7、左右時，電路能夠振蕩。改變選頻網(wǎng)絡(luò)參數(shù)c或r，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般改變電容c作量程切換，而調(diào)節(jié)r做量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。圖2.1 產(chǎn)生500hz正弦波信號的rc振蕩電路 圖2.2 rc正弦振蕩電路產(chǎn)生信號波形 圖2.3 rc正弦振蕩電路產(chǎn)生信號電壓及頻率測試2.2 電壓跟隨器 電壓跟隨器是在同相比例運(yùn)算電路中，將輸出電壓的全部反饋到反相輸入端。反饋系數(shù)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(diǎn)。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。 在本次設(shè)計中，電壓跟隨器起

8、到隔離信號發(fā)生電路與被測電容的作用。本單元設(shè)計中用500hz的交流電壓源代替rc正弦振蕩電路所產(chǎn)生的交流信號。r2為電容檔的較準(zhǔn)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(diǎn)。圖2.4 電壓跟隨器圖2.5 電壓跟隨器輸入和輸出波形（重合）2.3 電容交流電壓轉(zhuǎn)換電路 此電路功能是將輸入信號作用于電容并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號并輸出。 電路的輸入電抗為被測電容的容抗，即 當(dāng)電容量程不同時，電容的反饋電阻rf將不同，轉(zhuǎn)換關(guān)系也將不同。 表一 不同量程時電容/電壓轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻rf電容量程rf表達(dá)式 rf值2n r5+r9+r8+r7+r6 1m 20nr5+r9+r8+r7

9、100k200nr5+r9+r810k2ur5+r91k20ur5100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(xiàn)，在各電容擋，電路的轉(zhuǎn)換系數(shù)的最大數(shù)值均相等，也就限制了a/d轉(zhuǎn)換電路的最大輸入電壓。 當(dāng)500hz正弦波信號uo2幅值一定時，電容檔確定，因而uo3與被測電容容量cx成正比。相當(dāng)于反相比例運(yùn)算電路：uo=-(rf/xcx)ui=-2rf*pi*f*cx*ui圖2.6 電容電壓轉(zhuǎn)換電路 此電路輸出端經(jīng)multisim仿真，得出不規(guī)則波形，因此需要進(jìn)行濾波。2.4 有源帶通濾波電路 有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)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

10、的隔離性能，便于級聯(lián)。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(diào)試和應(yīng)用；有源濾波器的缺點(diǎn)是：需要提供直流電源才能工作、電阻產(chǎn)生熱噪聲且運(yùn)算放大器等有源元件的高頻特性不太好。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，以提高信噪比。將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)，就可以得到帶通濾波器。設(shè)前者的截止頻率為f1,后者的截止頻率為f2，f2應(yīng)小于f1，則通頻帶為（f1-f2）。本單元設(shè)計一個二階無限增益多路反饋帶通濾波器。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，滿足增益 （1）帶通 （2）角頻率 （3）電

11、路滿足帶通濾波器的傳遞函數(shù) （4）帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)：中心頻率為500hz；通頻帶為490hz510hz；通帶內(nèi)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。在實(shí)際的濾波器設(shè)計過程中， 通常選取c1 = c2 ，并記為c ，按照下面的步驟實(shí)現(xiàn)二階無限增益多路反饋帶通濾波器的設(shè)計：(a)選定電容c的一種標(biāo)稱值，根據(jù)設(shè)計參數(shù)b，由式（2）可以計算得到電阻r3 的值；(b)根據(jù)濾波器設(shè)計參數(shù)（增益g），由式（1）計算得到電阻r1 的值；(c)根據(jù)設(shè)計參數(shù)（中心頻率f0）由式（3）計算得到電阻r2 的值。表二 電路電阻理論參數(shù)cr1r2r31uf

12、25k0.86100k圖2.7 二階無限增益多路反饋帶通濾波器（a） 幅度頻率（b）相位頻率圖2.8 帶通濾波器波特圖實(shí)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(xiàn)了理論計算與具體實(shí)現(xiàn)之間的差異。因此，電路特性的仿真對電路的具體設(shè)計有重要的指導(dǎo)意義。 通頻帶490hz510hz 內(nèi)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(shè)計要求。 電路通過此帶通濾波器便可產(chǎn)生大約500hz的電壓波形。第三章 系統(tǒng)綜述 在測量電容量時，文氏橋振蕩電路所產(chǎn)生500hz正弦波電壓，經(jīng)過電壓跟隨器作為緩沖電路，作用于

13、被測電容cx；通過電容電壓轉(zhuǎn)換電路將cx轉(zhuǎn)換為交流電壓信號，再經(jīng)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(zhuǎn)換電路的輸入信號，轉(zhuǎn)換為直流電壓；再由a/d轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并驅(qū)動液晶顯示器，顯示出被測電容的容量值。圖3.1 電容測量電路及其輸出電壓轉(zhuǎn)換電路方框圖3.1 總電路圖圖3.2 總電路圖3.2 系統(tǒng)仿真圖3.3 仿真圖1 說明:當(dāng)電容為10uf時用萬用表測得電壓為7.725v,的比值大小為x1=515000.圖3.4 仿真圖2 說明:當(dāng)電容為10uf時用萬用表測得電壓如圖所示,比例x2=516300.圖3.

14、5 仿真圖3 說明:當(dāng)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=509200.3.3 結(jié)論： 輸入電容通過電容測試電路，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。第四章 設(shè)計心得 通過本次課程設(shè)計，不僅加深了對模擬電子技術(shù)這們課程的學(xué)習(xí)，而且通過上網(wǎng)及到圖書館查找資料，拓寬了本課程的知識面。通過multisim實(shí)現(xiàn)仿真，讓我感受到計算機(jī)的實(shí)用性。不斷通過文獻(xiàn)檢索讓我認(rèn)識到知識的廣泛性，進(jìn)一步強(qiáng)化了文獻(xiàn)檢索技能。這次課程設(shè)計我們繼數(shù)電之后的第二門課程設(shè)計，所以已經(jīng)有了一定的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)，在本次設(shè)計中，我們八個人一起查找資料，分組設(shè)計，

15、克服種種設(shè)計難關(guān)，加強(qiáng)了我們之間的團(tuán)隊(duì)精神與合作意識。參考文獻(xiàn)1 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)m.4版.北京：高等教育出版社，2006.2 王艷春.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與multisim仿真m.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2011.3 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)m.5版.北京：高等教育出版社，2006.4 邱關(guān)源.電路m. 5版.北京：高等教育出版社，2006.5 畢滿清.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計m. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.6 李國麗,劉春,朱維勇.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)m. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.7 郭鎖利,劉延飛,李琪,等.基于multisim9的電子系統(tǒng)設(shè)計、仿真與綜合應(yīng)用m.北京：人民郵電出版社，2008.8 齊躍林，劉燕燕，畢衛(wèi)紅.電子線路cadm.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.9 聶典、丁偉.multisim 10計算機(jī)仿真在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用m.北京：電子工業(yè)出版社,2009.10 黃培根，