大电容测量仪模拟信号部分电路设计报告.doc

大电容测量仪模拟信号部分电路设计
大电容测量仪模拟信号部分电路设计

1、方案论述

方案一：把待测电容量转化成脉冲的宽窄，图一喂其组成框图。根据电容充放电规律，利用充放电开关、电压比较器和郁闷构成的电路可以把待测电容量转化为脉冲的宽窄。只要把此脉冲和频率固定不变的方波相与，便可得到计数脉冲，将它送给计数器便可实现对电容的测量。设计包括方波发生电路，充放电开关电路，电压比较器及衰减整形电路。这样的电路设计使得电容的测量更加精确，更方便后续电路的测量。
低频方波发生器
衰减
整形
整形
反相器
电压比较器二
衰减
与门
充放电回路
电压比较器一

图一 方案一的设计框图

方案二：把电容量转化为直流电压量，图二为其族正框图。吧三角波输入给微分电路（吧电容作为微分电路的一部分），在电路参数合适的条件下，输出幅度与成正比，再经过峰值检测电路或精密整流电路及滤波电路，科技得到与成正比的直流电压，这样电容量就被转化为直流电压量，从而很容易被后续电路测量。
滤波
整流
含被测电容
的微分电路
三角波
发生器

图二 方案二的设计框图
据以上所示，综合考虑以上两方案，虽然方案一比较简单，但是所用到的原理和其中使用的电子原件涉及到数字电路所学课程，目前还很难将其涉及到的知识全面的掌握。方案二所用知识均为本学期模拟电路所学内容，实验结果简单直观，方便后续电路测量，因此我选择方案二。

2、电路工作原理及说明
此电路由三部分组成：三角波发生器、含被测电容的微分电路、整流电路、滤波电路。电路框图如图二所示。

2.1三角波发生器
在方波电路中，，将方波电压作为积分运算电路的输入，其输出就得到三角波电压。电路如图三所示：

图三 三角波发生器
2.2含被测电容的微分电路
微分电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。而对恒定部分则没有输出。输出的尖脉冲波形的宽度与R*C有关（即电路的时间常数），R*C越小，尖脉冲波形越尖，反之则宽。电容C上的电压开始因充电而增加。而流过电容C的电流则随着充电电压的上升而下降。电路如图四所示：

图四 含被测电容的微分电路
2.3整流电路
整流电路将交流电转换为直流电，。本次可设电路我用的是精密整流电路。该电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压。整流电路的输出保留输入电压的形状，而仅仅改变输入电压的相位。电路如图五所示：

图五 精密整流电路
分析由U5所组成的反向求和运算电路可知，输出电压

当时，二极管D1截止，；
当时，二级管D1导通，；
所以

本电路就实现了全波整流的功能。无论是正的信号还是负的信号转换为正的。
2.4滤波电路
有源滤波电路是对于信号的频率具有选择性的电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而组织其他频率信号通过。电路如图六所示。

图六 滤波电路

3、电路性能指标的测试
3.1分别选取700ｐｆ和100µｆ的电容作为测试电容，测试电路如图七所示

图七 电路测试仿真图

3.2三角波发生器测试结果波形图
测试电容为100µｆ时三角波发生器测试波形图如图八所示，测试电容为700 ｐｆ时三角波发生器测试波形图如图九所示。

图八 测试电容为100µｆ时三角波发生器测试波形图
图九 测试电容为700ｐｆ时三角波发生器测试波形图
3.3微分电路测试结果
测试电容为100µｆ时微分电路测试波形图如图十所示，测试电容为700ｐｆ时微分电路测试波形图如图十一所示。

图十 测试电容为100µｆ时微分电路测试波形图

图十一测试电容为700ｐｆ时微分电路测试波形图
3.4整流电路测试结果
测试电容为100µｆ时整流测试波形图如图十二所示，测试电容为700ｐｆ时整流测试波形图如图十三所示。

图十二 测试电容为100µｆ时整流测试波形图

图十三 测试电容为700ｐｆ时整流测试波形图
3.5滤波之后电路测试结果
测试电容为100µｆ时滤波之后测试波形图如图十四所示，测试电容为700ｐｆ时滤波后测试波形图如图十五所示。

图十四 测试电容为100µｆ时滤波之后测试波形图
图十五 测试电容为700ｐｆ时滤波后测试波形图
3.6 试验结果处理与分析
有仿真结果可以看出，带侧电容量的大小确实可以转变为直流电压的大小，直流电压的大小很容易被后虚电路所测量，本实验达到了预期的效果。

4.结论
本设计电路综合了三角波发生器，含被测电容的微分电路，整流电路，滤波电路等模块，从测试结果可以看出，电路的各项性能指标均达到了课程设计任务书中的要求，而且电路比较简单，容易实现。
5.性价比
本次课程设计所使用的实验器材均比较普遍，而且市场价位不高，成本较低，可用于实验室等地，本设计的性价比还是比较高。

附录Ⅰ 元器件清单
序号
编号
名称
规格型号
数量
1
R1\3\4
电阻
1K
3
2
R2
电阻
30K
1
3
R5
电阻
6K
1
4
R6\8\10\11
电阻
10K
4
5
R7
电阻
15K
1
6
R9\12\13
电阻
20K
3
7
R14
电阻
100K
1
8
R15
电阻
12K
1
9
R16\17
电阻
5K
2
10
U1\U2
运算放大器
741
2
11
U3
运算放大器
OPAMP_5T_VIRTUAL
1
12
U4\U5
运算放大器
OPAMP_3T_VIRTUAL
2
13
C1
电容
5uF
1
14
C2
电容
150nF
1
15
C3
被测电容
700pF\100uF
1
16
C4\C5
电容
1nF
2
17
D1\D2
二极管
BAT17
2

附录Ⅱ 整体电路原理图

参考文献
1.孙梅生主编. 电子技术基础课程设计. [M]北京：高等教育出版社，1997年8月
2.李秀人主编. 电子技术实训指导. [M]北京：国防工业出版社，2006年9月
3.孙肖子主编. 模拟电子技术基础. [M]西安：电子科大出版社，2005年7月
4. 童诗白，华成英主编者. 模拟电子技术基础. [M]北京：高等教育出版社，2006年。
5. 杨刚，周群主编. 电子系统设计与实践. [M]北京：电子工业出版社， 2007年6月，P78~81。
6．吴运昌,模拟集成电路原理与应用，华南理工大学出版社，1995。
7．徐国华,电子技术实训教程, 北京：北京航空航天大学出版社，2006.8。
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