課設論文 131806035

1、模擬電子技術基礎課程設計(論文) 電容測量電路的設計 院（系）名稱新能源學院 專業(yè)班級電氣132 學號131806035 學生姓名潘鈺介 指導教師起 止 時 間： 2015.7.62015.7.19課程設計（論文）任務及評語院（系）：電子與信息工程學院 教研室：電子信息工程 學 號131806035學生姓名潘鈺介專業(yè)班級電氣132課程設計（論文）題目電容測量電路的設計課程設計（論文）任務任務要求：電容測量電路用于測量電容的容量。當需要一個特定的電容時，可用電容測量電路來測量它以檢驗電容性能。電容測量電路是以集成運放為核心，可用來測試多種電容范圍的電容測試電路，由振蕩電路、電容/電壓轉(zhuǎn)換電路等部

2、分電路組成。利用電壓與電容量成比例的關系通過測試電壓即可實現(xiàn)電容量的測量。技術要求：1、電路具有判斷電容好壞的功能。2、設計中應含有信號產(chǎn)生電路。3、要求能測試的電容容量在100pF至100F范圍內(nèi)。4、設計本測試儀所需的直流穩(wěn)壓電源。5、至少設計兩個以上的測量量程。6、利用Multisim（或EWB）進行電路仿真與調(diào)試。指導教師評語及成績平時成績： 答辯成績： 論文成績： 作品成績： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：平時成績占20%，答辯成績占20%，論文成績占40%，作品成績20%。本科生課程設計（論文）摘 要電容測量電路是以集成運放為核心器件可將其分解為四部分?？煞纸鉃橹绷鞣€(wěn)壓電

3、源電路，文氏電橋電路，電容測量電路和差分電路。起始設計思想是:輸入220V，50Hz的正弦波信號，通過直流穩(wěn)壓電源輸出26v的直流電，再通過文氏橋振蕩電路產(chǎn)生正弦波電壓，經(jīng)過差分電路作為緩沖電路，作用于被測電容。 在直流穩(wěn)壓電源的作用下，由文氏電路產(chǎn)生信號，使電容測量電路和差分電路工作，可測量電容量并比較大小。本設計運放主要采用LM324，通過Multisim仿真軟件繪制原理圖并進行仿真實驗。關鍵詞：電容；穩(wěn)壓電源；文氏電橋電路；差分電路 目 錄第1章 緒論11.1電容測量電路設計的意義11.2本文研究內(nèi)容1第2章電容測量電路總體設計方案12.1電容測量電路設計方案論證12.2總體設計方案框圖

4、及分析2第3章 電容測量電路單元電路設計33.1電容測量電路具體電路設計33.1.1直流穩(wěn)壓電源設計電路設計33.1.2信號產(chǎn)生電路設計33.1.3電容測量電路設計53.2 元器件型號選擇63.3 參數(shù)計算63.4電容測量電路總體電路圖7第4章 電容測量電路仿真與調(diào)試84.1 Multisim仿真與調(diào)試84.2 仿真結果分析10第5章 電容測量電路實物制作105.1直流穩(wěn)壓電源電路焊接105.2信號產(chǎn)生電路焊接105.3 電容測量電路作品11第6章 作品測試與數(shù)據(jù)分析13第7章 總結13參考文獻15附 錄 I16附 錄 II17I第1章 緒論1.1電容測量電路設計的意義目前，隨著電子工業(yè)的發(fā)展

5、，電子元器件急劇增加，電子元器件的適用范圍也逐漸廣泛起來，在應用中我們常常要測定電容的大小。 在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)和維修中，電容測量這一環(huán)節(jié)至關重要，一個好的電子產(chǎn)品應具備一定規(guī)格年限的使用壽命。因此在生產(chǎn)這一環(huán)節(jié)中，對其產(chǎn)品的檢測至關重要，而檢測電子產(chǎn)品是否符合出產(chǎn)要求的關鍵在于檢測其內(nèi)部核心的電路，電路的好壞決定了電子產(chǎn)品的好與壞，而電容在基本的電子產(chǎn)品的集成電路部分有著其不可替代的作用。同樣，在維修人員在對電子產(chǎn)品的維修中，電路的檢測 是最基本的，有時需要檢測電路中各個部件是否工作正常，電容器是否工作正常。 因此，設計可靠，安全，便捷的電容測儀具有極大的現(xiàn)實必要性。1.2本文研究內(nèi)容本文研究

6、內(nèi)容為電容測量電路的設計。使用電容，二極管，集成運算放大器等器件。設計合適的直流穩(wěn)壓電源電路等核心部件。通過對調(diào)節(jié)外圍分立元件的參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)可測量位置電容。設計要求1 .分析設計要求，明確性能指標。必須仔細分析課題要求、性能、指標及應用環(huán)境等，廣開思路，構思出各種總體方案，繪制結構框圖。 2 .確定合理的總體方案。對各種方案進行比較，以電路的先進性、結構的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。 3 .設計各單元電路。總體方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設計。 4.組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進右出的規(guī)

7、律擺放各電路，并標出必要的說明。16本科生課程設計（論文）第2章電容測量電路總體設計方案2.1電容測量電路設計方案論證方案一：直接根據(jù)充放電時間判斷電容值這種電容測量方法主要采用了電容的充放電特性,通過測量與被測電容相關電路的充放電時間來確定電容值。一般情況下,可設計電路使（T為振蕩周期或觸發(fā)時間；A為電路常數(shù)，與電路參數(shù)有關）。 這種方法中應用了555定時器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在秒脈沖的作用下產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，來控制門電路實現(xiàn)計數(shù)，從而確定脈沖時間，通過設計合理的電路參數(shù)，使計數(shù)值與被測電容相對應。圖2.1 根據(jù)充放電時間判斷電容值原理框圖誤差分析：這種電容測量方法的誤差主要有兩部分組成：一部分

8、是由555定時器構成的振蕩電路和觸發(fā)電路由于非線性造成的誤差，其中最重要的是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的非線性誤差,C/C=T/T(T由充放電時間決定；C是被測電容值)；另一部分是由數(shù)字電路的量化誤差引起的，是數(shù)字電路特有的誤差，該誤差相對影響較小，可忽律不計。這種方法硬件結構相對復雜，實際是通過犧牲硬件部分來減輕軟件部分的負擔，但在具體設計中會遇到很多的問題，而且硬件一旦設計好，可變性不大。由此，此方案舍棄。 方案二：運用模擬電路知識，設計直流穩(wěn)壓電源，由文氏電路產(chǎn)生信號，使電容測量和差分電路工作，由產(chǎn)生的電壓大小判斷電容的大小。 對于電容的測量，通常借助于專門的測試儀器，通常用電橋。 通過比較，方案二

9、既可以測量電容大小，又可以判斷電容的好壞，更加符合提議，所以，本設計選用方案二。2.2總體設計方案框圖及分析 本設計采用直流穩(wěn)壓電源，文氏電橋電路，測量電容，可以比較兩個電容的大小，并根據(jù)波形判斷好壞。圖2.2總體設計框圖第3章 電容測量電路單元電路設計3.1電容測量電路具體電路設計3.1.1直流穩(wěn)壓電源設計（1）壓器副邊電壓確定。 整流電路采用直流穩(wěn)壓電源設計思路 （2）電網(wǎng)供電電壓為交流220V（有效值），50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要的交流電壓。 （3）降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向的直流電，但其幅值變化大。 （4）脈動大的直流電壓須經(jīng)

10、過濾波電路變成平滑的，脈動小的直流電，即將交流成分濾掉，保留其直流成分。 （5）濾波后的直流電壓再通過穩(wěn)壓電路，便可得到基本上不受外界影響的穩(wěn)定的直流電壓輸出，供給負載Rl。圖3.1 直流穩(wěn)壓電源原理框圖采用電源變壓器將電網(wǎng)220V，50Hz交流電降壓后送整流電路，變壓器的變化電單文式整流電路，整流橋選用的二極管需要考慮允許承受的電壓和電流值。 （1）濾波器常采用無源元件R，L，C構成的不同類型濾波電路。由于本電路為小功率電源，故可用電容輸入式濾波電路。 （2）穩(wěn)壓電路采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。比較放大單元采用分立三極管組成的差動放大器或者集成運算放大器，可提高電路的穩(wěn)定性。 （3）過流保護器：

11、串聯(lián)穩(wěn)壓電路中，調(diào)整管與負載串聯(lián)，當輸出電流過大或者輸出短路時，調(diào)整管會因電流過大或電壓過高使管耗過大而損壞，所以須對調(diào)整管采取保護措施。保護電路在教材和有關文獻中均有介紹。 采用集成穩(wěn)壓器構成直流穩(wěn)壓電源，具有使用方便，結構簡單及性能優(yōu)良等許多特點，因而得到廣泛應用。目前在國際上已有數(shù)百個品種集成穩(wěn)壓器，國內(nèi)也有幾十個品種，主要有多端式與三端式和可調(diào)式與固定式之分。品種較多，較全的是串聯(lián)負反饋調(diào)整式電路，功率一般為0.520W。也有開關式集成穩(wěn)壓電路。 這種電路其輸出電壓靈活可變，所以在各種電路中被廣泛應用。 圖3.2直流穩(wěn)壓電源3.1.2信號產(chǎn)生電路設計圖中2.2和R1，R5組成電壓串聯(lián)負

12、反饋放大器，RC串-并聯(lián)電路為具有選頻特征的正反饋網(wǎng)絡。實際上運算放大器的開環(huán)放大倍數(shù)是有限的，為了滿足幅值條件使電路易于起振，應使R5略大于2R1。第一級由C1，C2，R1，R2，R3，R4和運放N3A3組成，是典型的文氏橋振蕩器。當R1=R3，C1=C2時，該電路輸出波形的基頻可估算為 965.1HZ其負反饋放大倍數(shù) 3.103 由于該電路沒有由A1F3到A1F=3的自動調(diào)節(jié)能力，所以，在穩(wěn)態(tài)，該電路輸出為被限幅的“正弦波”，諧波失真較大，即除f1以外，還有f2=2f1812Hz，f3=3f11218Hz等諧波分量。其峰值V01mVCC，VCC為運放的直流偏置電壓。圖3.3信號產(chǎn)生電路3.

13、1.3電容測量電路設計下圖為差分式電容大小比較的原理圖。根據(jù)上圖我們可以通過兩端的電壓差來判斷電路中電容的大小。 由于兩個運放中的電容的大小不同，所以最后輸出的電壓也將不同，由此可以判斷兩個電容的大小。圖3.4 電容測量電路3.2 元器件型號選擇在直流穩(wěn)壓電源部分，為了得到穩(wěn)定的電壓輸出為運算放大器供電。C5、C6、C7、C8用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓產(chǎn)生高頻自己振蕩和抑制電路引入的高頻干擾?？紤]到輸出電壓的幅值和市電10%的波動范圍，整流橋由四只1N4007整流二極管組成。濾波電容采用470F電解電容。在積分電路部分，選擇LM324構成核心的積分電路。滿足電路電流的限制。所以固定的電阻R5選

14、擇510是合適的。可變電阻R6的阻值調(diào)節(jié)上限是100k遠遠大于510可以在誤差允許的范圍內(nèi)產(chǎn)生一定幅度、頻率的鋸齒波?？紤]到電路輸出信號的頻率范圍，可以選擇0.1nF獨石電容作為積分電路的充電電容。 3.3 參數(shù)計算第一級由C1，C2，R1，R2，R3，R4和運放N3A3組成，是典型的文氏橋振蕩器。當R1=R3，C1=C2時，該電路輸出波形的基頻可估算為 965.1HZ其負反饋放大倍數(shù)為 由于該電路沒有由A1F3到A1F=3的自動調(diào)節(jié)能力，所以，在穩(wěn)態(tài)，該電路輸出為被限幅的“正弦波”，諧波失真較大，即除f1以外，還有f2=2f1812Hz，f3=3f11218Hz等諧波分量。其峰值V01mVC

15、C，VCC為運放的直流偏置電壓。 第三級由R14，R15，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12，和運放組成差分電路。而實際電路中，四個二極管使本級的輸入波形進一步趨向于方波。這樣做的好處是使整個電容測量電路有較好的熱穩(wěn)定性?？紤]到運放的頻率特性，將運放看作一階單元，則微分電路是一個二階系統(tǒng)。由于運放的開環(huán)增益很大，所以閉環(huán)后電路的品質(zhì)因數(shù)Q值很高，可達到幾十，其幅頻特性曲線有一個很大的峰。取Rn=1k，Cx=1F，用multisim仿真得到微分電路的幅頻特性，在f=12.2kHz的地方有一尖峰，該尖峰處增益比理想的微分電路的幅頻特性曲線的增益增加了約30dB，頻率大于12.2k

16、Hz后，增益急劇下降。而第一級文氏橋振蕩器輸出的被限幅的“正弦波”的頻帶很寬，經(jīng)過微分后被限幅的“正弦波”中的高次諧波分量比基波有更大的增益，使波形嚴重失真，時域波形有明顯的振蕩。3.4電容測量電路總體電路圖 圖3.5電容測量電路總體電路圖第4章 電容測量電路仿真與調(diào)試4.1 Multisim仿真與調(diào)試 應用Multisim 12.0仿真軟件對各部分電路進行仿真測試，便于在電路實物制作之前及時發(fā)現(xiàn)設計問題，改正設計錯誤、調(diào)試電路。利用仿真軟件對直流穩(wěn)壓電源部分進行仿真。直流穩(wěn)壓電源仿真電路如圖 直流穩(wěn)壓電源仿真當在輸入端通入220V，50Hz的電壓時，經(jīng)過電源變壓器，整流電路，濾波電路后，輸出

17、大約在2V6V的電壓，輸出結果如圖所示 圖4.1 直流穩(wěn)壓電源仿真結果信號產(chǎn)生電路仿真圖4.2 信號產(chǎn)生電路仿真結果4.2 仿真結果分析流源的溫度漂移及噪聲誤差,4DH1型恒流管的溫度系數(shù)在2010-5左右,當環(huán)境溫度變化范圍比較大時,由它引起的誤差將影響測量結果,另外,電流源在電子開關接通瞬間,因電流不能突變也會引入誤差。過零比較器的重復性誤差。當電容電壓下降到0伏左右時,比較器翻轉(zhuǎn),如果每次翻轉(zhuǎn)電平相同,則在程序中可將它補償?shù)?但實際應用中總是有微小差別,我們所選用的LM211翻轉(zhuǎn)電平大約在10毫伏左右,重復誤差應在幾個毫伏,適當提高放電電容的初始電壓(即基準電壓Us)可有效降低它對測量結

18、果的影響。單片機內(nèi)部計數(shù)器的1誤差,這是所有數(shù)字化儀器的固有誤差,它引起的時間測量誤差為2S,可忽略不計。第5章 電容測量電路實物制作具體電路的布線與焊接，為了防止電路分布參數(shù)影響工作狀態(tài)產(chǎn)生誤差，應該盡量避免飛線，盡量縮短導線長度。為防止測試操作過程中將運放芯片的電源反接導致芯片燒毀導致安全事故。應該合理布置電源接口，并予以標注各接地電應該牢固連接并接出接口。信號輸出接口應予以符號標出。5.1直流穩(wěn)壓電源電路焊接 圖5.1 直流穩(wěn)壓電源電路實物為縮小版面尺寸，應合理緊密選擇器件位置，并考慮到電位器在實際使用中需要頻繁的調(diào)節(jié)，應安放在方便調(diào)節(jié)的位置，各輸出端應合理布置測試點，電源和接地線應留出

19、接口。為方便測試，應用圖示標出各測試接口的功能。尤其是正負電源接口，測試過程中一旦反接會導致芯片擊穿燒毀造成安全事故。5.2信號產(chǎn)生電路焊接圖5.2 信號產(chǎn)生電路實物5.3 電容測量電路作品圖5.3 電容測量電路作品 第6章 作品測試與數(shù)據(jù)分析本次測試采用實驗臺提供的更加穩(wěn)定的12V雙電源供電便于更好的測試、調(diào)試作品。采用雙通道數(shù)字示波器同時觀測鋸齒波和矩形波的波形。示波器各通道的接地線應與電源接地線良好連接避免干擾。如圖6.1所示，將示波器的通道一正極接入鋸齒波信號輸出端 通道二的正極接入方波信號的輸入端。兩通道的接地線接入公共地端，接通雙12V電源和電源地線。為確保安全在通電測試前應仔細檢

20、查電源線是否短接、反接，避免燒壞電源或擊穿集成芯片造成事故。檢查確定后接通雙12V穩(wěn)壓電源進行全電路的測試。在測試過程中出現(xiàn)了信號被嚴重干擾 無法輸出波形的情況。經(jīng)過分析，應該是穩(wěn)壓電源紋波過大在測試電路中產(chǎn)生寄生振蕩導致的。在測試時 采取了更換直流穩(wěn)壓電源重新測試的方法發(fā)現(xiàn)并排除了故障。這一故障時仿真元件無法顯示出來的。暴露出來設計上的不周全?？梢栽陔娫炊伺c接地端串接電源旁路電容來徹底解決這一問題。排除故障后通過使用示波器對矩形波、鋸齒波波形的觀測兩種波形干擾較小。輸出幅值頻率穩(wěn)定。鋸齒波和矩形波的頻率調(diào)節(jié)范圍達到0.023Hz 1.424kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。鋸齒波、矩形波的幅值010.3

21、7V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。雖完全滿足設計要求。但仍然暴露出頂調(diào)電位器靈敏度過低調(diào)節(jié)十分不方便的問題。在實際使用電路中可以換用其他封裝的電位器避免這一問題。第7章 總結電容是一個重要的電磁學概念。它反映了電場的能量與邊界上的能量（或電壓）關系的物理量，它是導體的一個非常重要的特性，不同導體的物理性質(zhì)就是用 “電容”的物理量來描述。而電容則反映了電容量的大小，它是利用小體積儲藏大量電荷和電能的電學器件，是電子設備中廣泛應用的電路基本元件。所以，精確測量電容的大小，顯得尤為重要。開發(fā)設計的初級階段，由于對Multisim電路仿真軟件使用不夠熟練，通過上網(wǎng)查閱相關教程和查閱相關書籍，我對Multisim電路

22、仿真軟件的使用有了進一步的認識。隨著設計的深入，逐步加深對該軟件的認識和對修改元件庫內(nèi)元件參數(shù)的熟悉和理解。同時，我也閱讀大量的資料了解振蕩電路設計工作的一些特點。課程設計是對所學知識的應用，理論聯(lián)系實際讓我對學過的知識有了更加深刻的理解。通過電路的設計、仿真、修改、制作、測試。調(diào)試的過程，不但掌握了基本的電子設計制作調(diào)試技術，也掌握了相關仿真軟件的操作。通過這段時間里的學習，我學習到了很多新知識，也對電子設備開發(fā)的過程有了更深的了解，并且對電路設計的基本思路有了較深的認識，學會并掌握了仿真軟件的使用與調(diào)整電氣參數(shù)的技術，加深了對仿真軟件使用的熟練程度，對晶體管器件的參數(shù)理解和使用有了更深的認識，對電路的