电容测量电路的设计

2021年2月20日发(作者：帕金森病)






辽

宁

工

业

大

学




模拟电子技术基础

课程设计（论文）


题目：电容测量电路的设计








院（系）
：

专业班级：

学

号：

学生姓名：

指导教师：

（签字）

起止时间：
2013.7.1
—
2013.7.12


本科生课程设计（论文）

课程设计（论文）任务及评语

院（系）
：

教研室

学

号

课程设计
题目


学生姓名


专业班级


电容测量电路的设计

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。

课
程
设
计
（
论
文
）
任
务
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。












指

导


教

师

评
平时：

论文质量：

答辩：

语
及

成
总成绩：

指导教师签字：

绩



年

月

日

注：成绩：平时
20%
论文质量
60%
答辩
20%
以百分制计算


II

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个部分。可分为解为
直流稳压电源电路，
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
22 0V
，
50Hz
的正弦波信号，
通过直流稳压电源输出
2
—
6v
的直流电，
再通过
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。

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。

关键词：
电容；稳压电源；文氏电桥电路；差分电路。


III

本科生课程设计（论文）

目录

第
1
章

电容测量电路设计方案论证

.....................................
1

1.1

电容测量电路设计的意义

.......................................
1

1.2

电容测量电路设计的要求和技术指标

.............................
1

1.2.1
设计要求

....................... ........................
1

1.2.2
技术指标

................................. ..............
1

1.3

电容测量电路的总体设计方案

...................................
2

1.3.1
方案论证

....................... ........................
2

1.3.2
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设计

....................................
4

2.1

直流稳压电源设计

.............................................
4

2.2

信号产生电路设计

.............................................
5

2.3

电容测量电路设计

.............................................
6

第
3
章

电容测量电路整体电路设计

.....................................
8

3.1

整体电路图及工作原理

.........................................
8

3.2

参数的计算选择

........ .......................................
8

3.3

电路仿真结果

................... ..............................
9

3.3.1
直流稳压电源仿真结果

...................................
9

3.3.2
信号产生电路仿真结果

..................................
10

第
4
章

设计总结

............. ........................................
11

参考文献

...................... ......................................
12

附录
I
总体电路图
........................ ...........................
13

附录
II
元器件清单
..................................................
14


IV

本科生课程设计（论文）

第一章

电容测量电路设计方案论证

1.1


电容测量电路设计的意义

目前，随着电子工业的发展，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

电容测量电路设计的要求和技术指标

1.2.1

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。

1.2.2


技术指标


1.
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。

1

本科生课程设计（论文）

3.
设计中应含有信号产生电路。

4.
电路具有判断电容功能好坏的功能。

1.3


电容测量电路的总体设计方案

1.3.1

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
电路使
,
放电常数
,
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
（
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。其原理框图如图
1.1
所示。












图
1.1
根据充放电时间判断电容值原理框图

显示

反向器

译码器

单稳态触发器

锁存器

窄脉冲触发器

计数器

秒脉冲发生器

标准基数脉冲


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。

2

本科生课程设计（论文）

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。

1.3.2


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。



直流


稳压


电源



















图
1.2
总体设计框图

文氏

电桥

电路

电容

测量

电路

差分

电路

3

本科生课程设计（论文）

第二章

电容测量电路各单元电路设计

2.1
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< br>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
。

直流稳压电源的原理框图分析



电源
变压
器







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：
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
4
图
2.1
直流稳压电源原理
框图



整流

电路


滤波


稳压

电源


电路


本科生课程设计（论文）

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
0.5
—
20W
。
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
2.2
直流稳压电源


2.2
信号产生电路设计

图中
2.2
和
R1
，
R5
组成电压串联负反馈放大器，
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
。如图
2.2
所示。
< br>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< br>器。当
R1=R3
，
C1=C2
时，该电路输出波形的基频可估算为< br>
1
f
1
?
≈
965.1Hz
（
2-1
）

2
π
R
1
C
1
其负反馈放大倍数



A
1
F
?
R
2
?
R
5
≈
3.10
＞
3
（
2-2
）



R
2
由于该电 路没有由
A1F
＞
3
到
A1F=3
的自动调节能力，
所以，
在稳态，
该电路
5