2012 ~ 2013 学年第二学期。
模拟电子技术 》
课程设计报告。
题目： 电容测量电路的设计
专业： 通信工程。
班级： 11通信2班。
姓名： 王来军刘俊伟朱敏汪辉
陶加男何雨杨小兵王东晨
指导教师倪琳。
电气工程系。
2023年 6月 19 日。
任务书。电容测量电路的设计。
五量程电容测试电路是以集成运放为核心用来测试多种电容范围的电容测试电路。本测试电路有四个部分，包括rc正弦振荡电路、电压跟随器、电容\交流电压转换电路和带通滤波电路。rc正弦振荡电路产生500hz正弦波作用于被测电容，经过电压跟随器的隔离作用将此信号作用于被测电容，经过转换电路将电容量转换为交流电压，实现通过测量电压来测量电容。
电容测量电路的设计是为了方便准确的测量电容性能。以便我们检验电容，当我们需要一个特定的电容时，这时我们就用我们设计的电路来测量它以便于我们选择。本电路功能通过multisim软件实现。
关键词：电容测试；rc正弦振荡；转换电路；带通滤波；multisim
设计电容测试电路，目的是通过现有的能测量的工具将不能测量的量转换为能测量的量，电容量的测试可以将电容通过交流电可以产生容抗，通过转换电路可以将其转换为一定的交流电压，利用电压和电容量成正比的关系通过测试电压即可实现电容量的测量。不同量程的选择可以通过不同档电阻大小的改变实现。
对于电容的测量，我们要有一个概括的了解，一般应借助于专门的测试仪器，通常用电桥。而用万用表仅能粗略地检查一下电容是否失效或漏电情况。测量电路如图所示。
在直流稳压电源下，由文氏电路产生信号，经过电容电压转换电路，输出电压和电容量成正比，通过测量电压大小然后就可以知道电容两大小。
本电容测试电路分为四个部分，首先由rc正弦振荡电路产生500hz正弦波信号，然后将此信号通过电压跟随器将信号产生电路及被测电路进行隔离，信号通过电压跟随器后便作用于被测电容，通过电容\交流电压转换电路将被测电容量转换为交流电压信号（电压大小正比于电容量），通过二阶带通滤波电路滤出500hz的正弦电压，通过测量此电压信号即可测出被测电容的电容量。
图1.2 电容测试电路设计总体框图。
又称文氏桥**电路，用来产生500hz正弦信号作用于被测电容。本电路设计中，rc串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，r4、r5、r6及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器r6可改变负反馈深度，以满足**的振幅条件和改善波形。
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(温度特性好)，且要求特性匹配，才能保证输出波形征服半周对称。r5的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。
电路的振荡频率。
500hz起振的幅值条件。
rf/r2>=2
式中：rf=r6+r4+（r5//rd），rd为二极管正向导通电阻。
调整反馈电阻rf（调r6），使电路起振，切波形失真最小。r6的百分比至30%左右时，电路能够振荡。改变选频网络参数c或r，即可调节振荡频率。
一般改变电容c作量程切换，而调节r做量程内的频率细调。
图2.1 产生500hz正弦波信号的rc振荡电路。
图2.2 rc正弦振荡电路产生信号波形。
图2.3 rc正弦振荡电路产生信号电压及频率测试。
电压跟随器是在同相比例运算电路中，将输出电压的全部反馈到反相输入端。反馈系数为1，输入电压等于输出电压。具有输入阻抗高，输出阻抗低的特点。
电压跟随器起缓冲、隔离、提高带载能力的作用。共集电路的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使得它在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作。
在本次设计中，电压跟随器起到隔离信号发生电路与被测电容的作用。本单元设计中用500hz的交流电压源代替rc正弦振荡电路所产生的交流信号。r2为电容档的较准电位器。
通过multisim软件**可以出输入波形和输出波形重合这一特点。
图2.4 电压跟随器。
图2.5 电压跟随器输入和输出波形（重合）
此电路功能是将输入信号作用于电容并将其转换成电压信号并输出。
电路的输入电抗为被测电容的容抗，即。
当电容量程不同时，电容的反馈电阻rf将不同，转换关系也将不同。
表一不同量程时电容/电压转换电路的反馈电阻rf
从表中可以看出，电容量每增大10倍，反馈电阻阻值减小10倍。因此，不难发现，在各电容挡，电路的转换系数的最大数值均相等，也就限制了a/d转换电路的最大输入电压。
当500hz正弦波信号uo2幅值一定时，电容档确定，因而uo3与被测电容容量cx成正比。相当于反相比例运算电路：
uo=-(rf/xcx)ui=-2rf*pi*f*cx*ui
图2.6 电容\电压转换电路。
此电路输出端经multisim**，得出不规则波形，因此需要进行滤波。
有源滤波器的优点是：高输入阻抗和低输出阻抗，因此输入与输出之间具有良好的隔离性能，便于级联。此外，有源滤波器体积小、重量轻、成本低且稳定性好，方便调试和应用；有源滤波器的缺点是：
需要提供直流电源才能工作、电阻产生热噪声且运算放大器等有源元件的高频特性不太好。
带通滤波电路能够让两个频率大小之间的频率通过，高于或低于这个范围的频率将被衰减。用于载波通信或弱信号提取等场合，以提高信噪比。
将低通滤波器和高通滤波器串联，就可以得到带通滤波器。设前者的截止频率为f1,后者的截止频率为f2，f2应小于f1，则通频带为（f1-f2）。
本单元设计一个二阶无限增益多路反馈带通滤波器。
二阶无限增益多路反馈带通滤波器的电路如图所示。分析表明，满足。增益。
带通。角频率。
电路满足带通滤波器的传递函数。
带通滤波器的技术指标：中心频率为500hz；通频带为490hz～510hz；通带内起伏不大于1db；通带外在不大于450hz 和不小于550hz 处衰减不小于20 db；增益g=2。
在实际的滤波器设计过程中， 通常选取c1 = c2 ，并记为c ，按照下面的步骤实现二阶无限增益多路反馈带通滤波器的设计：(a)选定电容c的一种标称值，根据设计参数b，由式（2）可以计算得到电阻r3 的值；(b)根据滤波器设计参数（增益g），由式（1）计算得到电阻r1 的值；(c)根据设计参数（中心频率f0）由式（3）计算得到电阻r2 的值。
表二电路电阻理论参数。
图2.7 二阶无限增益多路反馈带通滤波器。
a） 幅度——频率。
b）相位——频率。
图2.8 带通滤波器波特图。
实际电路的幅频特性曲线和相频特性曲线与**得到的幅频特性曲线和相频特性曲线的变化趋势相同，不同之处恰好体现了理论计算与具体实现之间的差异。因此，电路特性的**对电路的具体设计有重要的指导意义。
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