电容测量电路.doc

本科生课程设计（论文）

辽 宁 工 业 大 学

模拟电子技术基础 课程设计（论文）

题目：电容测量电路

院（系）： 电气工程学院
专业班级：
学 号：
学生姓名：
指导教师： 王景利
教师职称： 副教授
起止时间：2013.07.01—2013.07.14

课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电子信息工程学院 教研室：
学 号

学生姓名

专业班级

课程设计题目
电容测量电路的设计
课程设计（论文）任务
设计任务：
1.设计一种电容测量电路，能用于测量电容量并电容判断的好坏。
2.设计本测试仪所需的直流稳压电源。
功能要求：
1.设计中应含有信号产生电路。
2.电路具有判断电容功能好坏的功能。
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，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。
进度计划
1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（1天）
2、确定测量方案，设计电容测量电路接线图。（2天）
3、建立电容测量电路各个环节的传递函数及框图。（2天）
4、绘制测量电路电路图。（2天）
5、对系统进行仿真，分析系统性能。（2天）
6、撰写、打印设计说明书。（1天）
指导教师评语及成绩

成绩： 指导教师签字：

年 月 日
摘要
本文介绍了电容测量电路的设计，可以测量电容量大小。对几种电容检测的方法进行了分析之后，本文详细地阐述了电桥法电容检测的原理;提出了一种交流型电容测量电路,本系统采用直流稳压电源、RC桥式正弦波产生电路、充/放电电容测量电路和差分电路来完成电容测量的实现，电路中没有影响测量稳定性和产生零点漂移的元器件，大幅度地降低了测量过程中的噪声。本文提出的电容测量电路，对被测电容只进行一次充放电即可完成电容的测量。该系统具有设计简单，系统稳定可靠，分辨率高等优点。

关键词： 微小电容 电桥 充放电 稳定可靠

目 录
摘 要 IV
第1章 电容测量电路的设计方案论证 1
1.1 电容测量电路的应用意义 1
1.2 电子温度控制器的设计要求及设计参数 1
1.2.1 设计要求 1
1.2.2 设计参数 2
1.3 设计方案的论证 2
1.4 总体设计方案框图及分析 3
第2章 电容测量电路各单元电路的设计 4
2.1 直流稳压电源的设计 4
2.2信号产生电路的设计 6
2.3电容测量电路的设计 7
第3章 电容测量电路的整体设计 9
3.1 整体电路图及原理图 9
3.2 电路的工作原理 9
3.3 整体电路性能分析 10
第4章 课程设计总结 10
参考文献 11
附录 器件清单 12

第1章 电容测量电路的设计方案论证
1.1 电容测量电路的应用意义
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。
本设计采用直流稳压电源、RC桥式正弦波产生电路、充/放电电容测量电路和差分电路来完成电容测量的实现，本设计能够对微小电容进行测量。

1.2 电子温度控制器的设计要求及设计参数
1.2.1 设计要求
1.设计一种电容测量电路，能用于测量电容量并判断电容的好坏。
2.设计本测试仪所需要的直流稳压电源。
3 .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。
4 .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。
5 .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。
6.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，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

1.2.2 设计参数
1.能用来测量电容
2.电路中含有直流稳压电源。
3.含有信号产生电路。
4.电路具有判断电容功能好坏的功能

1.3 设计方案的论证
电容器作为非常重要的一个电学元件在现代电子技术中有着非常广泛的用途，电容器定义为：电容器所带的电荷量Q与电容器两极板间的电势差U的比值，即：。这种原始的方法必须通过测量两个物理量来计算电容的大小，而其中的Q是比较难以测量的量。目前常用的两种测量电容的实现方法：
方案一
利用多谐振荡产生脉冲宽度与电容值成正比信号，通过低通滤波后测量输出电压实现，此方案硬件设计简单但是软件实现相对复杂。

输出电压
低通滤波电路
多谐振荡脉冲产生器

方案二
利用单稳态触发装置产生于电容值成正比门脉冲来控制通过计数器的标准技术脉冲的通断，即直接根据充放电时间判断电容值。

记录时间
单稳态触发装置
计数器

以上两种方案脉动噪声大，需使用滤波器及考虑相位补偿，电路结构相对复杂，成本也较高。本文提出的电容测量电路，对被测电容只进行一次充放电即可完成电容的测量，且电路结构简单，稳定性好。

1.4 总体设计方案框图及分析
首先使用万用表粗略地检查一下电容是否失效或漏电的情况。在直流稳压电源下，由文氏电路产生信号，经过充放电电容测量电路工作，再经过差分电路。然后就可以知道电容量的大小，并判断电容的好坏。

直流稳压电源
文氏电桥电路
电容测试电路
差分电路

图1.4总体设计框图
本设计采用直流稳压电源，根据稳压二极管两端电压不变，通过整流、滤波、稳压三个部分使传输给信号产生电路的电压保持不变。
文氏电桥电路在设计中作为信号产生电路。电路中引入Rw来改变负反馈的反馈系数，从而调节电压的增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。
电容测量电路采用差动式充/放电电容测量。对被测电容只进行一次充放电即可完成电容的测量。

第2章 电容测量电路各单元电路的设计
2.1 直流稳压电源的设计
串联型稳压电源
为克服稳压管稳压电路输出电流小，输出电压不可调的缺点。本方案引入串联型稳压电路。串联型稳压电源的工作原理在输入电压存在波动时，输出电压保持恒定的装置，利用稳压二极管两端电压不变的原理，使输出电压保持不变。

一．串联型直流稳压电源的构思
1.电网供电电压为交流220V（有效值）,50HZ,要获得低压直流输出，首先采用电源变压器将电网电压降低获得所需要的交流电压。
2.整流电路：通过整流电路将交流电压变成脉动的直流电压，但其幅值变化大。
3.滤波电路：脉动大的直流电压需要经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。
4.稳压电路：这样的电压还随着电网电压波动（一般有10%左右的波动），负载和温度的变化而变化。因此还需要稳压电路，其作用是维持输出直流电压的稳定。
5.串联型直流稳压电源适用于小功率的电路。

二．串联型直流稳压电源的工作原理分析
1．利用二极管的单向导电性，整流电路把正负交变的50HZ电网电压变成单方向脉冲的直流电压。
2.滤波器常用RLC构成的滤波电路。电路为小功率直流稳压电源，所以也可以称为电容输入式滤波电路。
3.稳压电路由比较放大部分由两个三极管组成，可以提高电路的稳定性。
4.稳压电路中，调整管与负载串联，输出电流过大或者输出短路时，调整管会由于电流过大或电压过高二损坏，所以需要对调整管进行保护。

图2.1 稳压电源总体框图

调整管
保护电路
基准电压电路
比较放大电路
取样电路
R
R

三．串联型稳压电源的具体构成
四个二极管与电容C1构成桥式整流、电容滤波电路。R、DZ2为基准电压。T2、T3为调整管。T1、R1构成启动电路，为调整管提供正向偏执电流。R3、R4、RW组成了输出电压取样支路RW是一个可变电阻器，调整它就可改变A点的电位，进而调整输出电压的值。

图2.1稳压电源电路

2.2信号产生电路的设计
RC桥式正弦振荡电路如图所示。其中R2、C2和R1、C1串并联构成正反馈支路，同时兼作选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，以产生正弦自激振荡。R3、R4、RW组成负反馈网络，调节RW可以改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。在本设计中利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管，且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周的对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。

图2.2 RC桥式正弦波产生电路

为了维持振荡输出，必须让 1+Rf/R3=3
为了保证电路起振，必须让 1+Rf/R3>3 Rf=Rw+(R4//rd)
当：R1=R2=R,C1=C2=C时
电路的政党频率：f=1/2πRC
起振的幅值条件：Rf/R3≥2
调整电阻RW，使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf，如波形失真严重，则应适当减少Rf。改变选聘网络的参数C或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程的切换（粗调），而调节R作量程内的切换（细调）。
信号产生电路仿真实验中，电路输入电压±15V，通过软件EWB进行仿真，输出正弦波型，输出波形如图2.2(a)。

图2.2(a) Vo输出的仿真波形

2.3电容测量电路的设计
电容测量电路采用差动式充/放电电容检测电路。COMS开关S1，将未知电容Cx充电至Ve，再由第二个CMOS开关S2放电至电荷检测器。在一个信号充/放电周期内从Cx传输到检波器的电荷量Q=Ve·Cx，在时钟脉冲控制下，充/放电过程以频率f=1/T重复进行，因而平均电流Im=Ve·Cx·f，该电流被转换成电压并被平滑，最后给出一个直流输出电压Vo=Rf·Im=Rf·Ve·Cx·f（Rf为检波器的反馈电阻）。
Cs1和Cs2分别为源极板和检测极板与地间的等效杂散电容（通过分析可知，它们不影响电容Cx的测量）。S1-S4是CMOS开关，S1和S3同步，它们的通断受频率f 的时钟信号控制，每个工作周期由充/放电组成。分析可得电路输出为
Vo=2K·Rf·Ve·Cx·f （K为差分放大器D3的放大倍数）。该电路的能有效地抑制杂散电容，而且电路结构简单，成本很低，经过补偿后电路稳定性较高，获取数据速度快。

图2.3 电容测量电路的设计

第3章 电容测量电路的整体设计
3.1 整体电路图及原理图

3.2 电路的工作原理
本电路图有直流稳压电源，信号发生器，电容测量电路组成，由直流稳压电源提供一个稳定的电压到信号发生器，给它提供一个直流偏置，让其不失真的稳定的工作。然后将信号传输到充/放电电容测量电路中，能够测量出电容的数值，再将信号传输到差分电路，由于两个运放中负反馈的电容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。

以上为粗略的对电路工作的原理叙述，单元电路的具体工作可见子电路的分析。
3.3 整体电路性能分析
这个电路能够用于比较两个电容的大小，但是具体的电容参数不能直观的测试出来，所以可以成为一个简单的测试系统。电路的稳定性较好，可调性能强，可以用于精度不高的测试中。
本设计通过电路的仿真，信号产生电路能够在不失真的情况下正确地输出正弦波形，为电容测量电路提供稳定的电压。

第4章 课程设计总结
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，在融入自己的设计想法，建立了一个大概的模型。然后运用了本学期所学的电子电路的知识逐步的扩展并查漏补缺，最终形成了这个设计网络。由于现在所学习的知识有限，此次课程设计中也有不少不足的地方。
通过本次的课程设计，我把本学期学到的知识最大化的运用到了本次课程设计中，对电子电路知识的运用也有了初步的了解，把书本上所学到的运用到了设计实践中，这对以后的工作也会有很大的帮助。

参考文献
[1] 康华光 主编 《电子技术基础（模拟部分）》（第5版） 高等教育出版社2006.01
[2] 杨宝清等 编著《实用电路手册》机械工业出版社，2003.06
[3] 黄永定等 编著《电子线路实验与课程设计》 机械工业出版社，2002.03
[4] 杨君玲 编著 《实践教程》人民邮电出版社2011.09
[5] 鲁宝春等 编著《电子技术基础实验》 东北大学出版社 2011.08
[6] 刘君华 编著《现代检测技术与测量系统设计》西安交通大学出版社 1999.04
[7] Jim McLucas 编著 《测量电容或电感的电路》电子设计技术期刊 2011.07
[8]薛鹏等 编著《杂散电容对交流法微电容测量电路影响的分析》仪器仪表学报 2011.02
[9] 李新娥等 编著《基于充放电原理的小电容测量电路》探测与控制学报 2012.02
[10] 邵学涛等 编著《一种高精度测量微小电容的电路》 山西电子技术报刊 2011.01

附录 器件清单
直流稳压电源

元件序号
元件名称
器件名称
型号/标称值
备注
1
R1
电阻
1khom

2
R2
电解电容
1khom

3
R3
电阻
1khom

4
R4
电阻
1khom

5
R
电阻
4khom

6
RW
滑动变阻器
1khom/50%

7
RL
电阻
1khom

8
C
电解电容
1μF

9
C1
电解电容
2000μF

信号产生电路

元件序号
元件名称
器件名称
型号/标称值
备注
1
R1
电阻
10kohm

2
R2
电阻
10kohm

3
RW
电阻
20kohm/50%

4
R3
电阻
5.1kohm

5
R4
电阻
2.2kohm

6
C1
电解电容
0.01μF

7
C2
电解电容
0.01μF

8
A
五端运算放大器
741

电容测量电路

元件序号
元件名称
器件名称
型号/标称值
备注
1
Cs
电解电容
未知

2
CS1
电解电容
1μF

3
CS2
电解电容
1μF

4
Cf
电解电容
0.01μF

5
C
电解电容
0.01μF

6
Rf
电阻
1khom

7
D
三端运算放大器
741

8
S
开关

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