微弱电容测量电路设计
微弱光信号的光电探测放大电路的设计
微弱光信号的光电探测放大电路的设计对于各种微弱的被测量，例如弱光、弱磁、弱声、小位移、小电容、微流量、微压力、微振动和微温差等，一般都是通过相应的传感器将其转换为微电流或低电压，再经放大器放大其幅值以反映被测量的大小。
但是，由于被测量的信号很微弱，传感器的本底噪声、放大电路及测量仪器的固有噪声以及外界的干扰往往比有用信号的幅值大的多，同时，放大被测信号的过程也放大了噪声，而且必然还会附加一些额外的噪声，例如放大器的内部固有噪声和外部干扰的影响，因此，只有在有效地抑制噪声的条件下增大微弱信号的幅值，才能提取出有用信号。
本文针对检测微弱光信号的光电二极管放大电路，综合分析了其电路噪声、信号带宽及电路稳定性，在此基础上设计了一种低噪声光电信号放大电路，并给出电路参数选择方法。
1 基本电路光电二极管作为光探测器有两种应用模式如图1所示。
(1)光伏模式，如图1 (a)。
此时，光电二极管处于零偏置状态，不存在暗电流，低噪声，线性度好，因而适于精密领域。
本文就是以这种模式为例进行分析，实际应用中，这个电路一般还需在Rf上并联一个小电容Cs，从而使电路稳定。
(2)光导模式，如图1(b)。
这种模式需要给光电二极管加反向偏置电压，因而存在暗电流，产生噪声电流，同时因为非线性，一般应用在高速场合。
当光照射到光电二极管时，光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流Ip，该电流流过跨接在放大器负输入端和输出端的反馈电阻Rf，将运算放大器视为理想放大器，根据理想运算放大器输入端的“虚断”特性，从而有E0=IpRf。
可以看出，光电二极管放大电路实际上是一个I／V转换电路。
这个电路看起来非常简单，只需一个反馈电阻，一个光电二极管和一个放大器便可实现。
从输出电压的线性表达式很容易推出，使反馈电阻Rf增大，将使得输出电压也成比例的增大。
经之前分析时，一般给出其典型值为100MΩ。
在下面的分析我们将看到，反馈电阻不但影响信号的带宽，而且影响整个电路噪声。
微弱信号检测 课程设计
LDO 低输出噪声的分析与优化设计1 LDO 的典型结构LDO 的典型结构如下图所示,虚线框内为LDO 芯片内部电路,它是一个闭环系统,由误差放大器(Error amplifier)、调整管(Pass device)、反馈电阻网络(Feedback resistor network)组成,其闭环增益是:OUT REF V Acloseloop V = (1)此外,带隙基准电压源( Bandgap reference)为误差放大器提供参考电压。
LDO 的工作原理是：反馈电阻网络对输出电压进行分压后得到反馈电压,该电压输入到误差放大器的同相输入端。
误差放大器放大参考电压和反馈电压之间的差值, 其输出直接驱动调整管,通过控制调整管的导通状态来得到稳定的输出电压。
例如,当反馈电压小于基准电压时,误差放大器输出电压下降,控制调整管产生更大的电流使得输出电压上升。
当误差放大器增益足够大时,输出电压可以表示为：R1(1+)R2OUT REF V V = (2) 所谓基准电压源就是能提供高精度和高稳定度基准量的电源，这种基准源与电源、工艺参数和温度的关系很小，其原理是利用PN 结电压的负温度系数和不同电流密度下两个PN 结电压差的正温度系数电压相互补偿，而使输出电压达到很低的温度漂移。
传统基准电压源是基于晶体管或齐纳稳压管的原理而制成的，其αT =10-3/℃~10-4/℃，无法满足现代电子测量之需要。
20世纪70年代初，维德拉(Widlar)首先提出能带间隙基准电压源的概念，简称带隙(Bandgap)电压。
所谓能带间隙是指硅半导体材料在0K 温度下的带隙电压，其数值约为1.205V ，用U go 表示。
带隙基准电压源的基本原理是利用电阻压降的正温漂去补偿晶体管发射结正向压降的负温漂，从而实现了零温漂。
由于未采用工作在反向击穿状态下的稳压管，因而噪声电压极低。
带隙基准电压源的简化电路如下图所示。
2 LDO 中内部固有噪声LDO 的噪声类型主要是内部固有噪声和外部干扰噪声。
测量电容方法
测量电容方法测量电容方法在电路设计和测试中，测量电容是一个常见的操作。
电容器是一种储存电荷的元件，常常在滤波电路、耦合电路和信号处理电路中使用。
本文将详细说明各种测量电容方法。
1. 电桥法电桥法是一种常见的测量电容的方法之一。
它基于电桥平衡原理，通过比较电容器与标准电容之间的差异，确定所要测量的电容值。
电桥法的原理简单明了，精度较高，适用于小电容的测量。
电桥法的步骤如下： 1. 搭建电桥电路，其中包括未知电容和已知电容。
2. 通过调节电桥电路中的某些参数，使电桥平衡。
3. 根据电桥平衡时各个参数的值，计算出所要测量的电容值。
2. 充放电法充放电法是一种常用的测量大电容值的方法。
它基于电容器充放电过程中的电压变化，通过测量电容器充放电时间或电压变化情况，确定所要测量的电容值。
充放电法通常用于测量大电容、极化电容以及电容值难以确定的情况。
充放电法的步骤如下： 1. 将电容器通过电阻器连接到电源上，开始充电。
2. 记录电容器充电的时间，并测量电容器所积累的电压。
3. 停止充电，并记录电容器放电的时间和电压变化情况。
4. 根据充放电过程中的时间和电压数据，计算出所要测量的电容值。
3. 换相法换相法是一种测量小电容的常用方法。
它通过将待测电容与标准电容器做换相，利用电容充电过程中时间和电流之间的关系，确定所要测量的电容值。
换相法适用于小电容的测量，精度较高。
换相法的步骤如下： 1. 将待测电容和标准电容器进行换相。
2. 通过充电电路将电容器充电，并记录充电时间。
3. 测量换相后电容器充电的电流值。
4. 根据充电时间和电流值计算出所要测量的电容值。
4. 交流电桥法交流电桥法是一种测量电容的常见方法，适用于小电容和大电容的测量。
它通过在交流电桥电路中加入电容元件，通过测量电桥平衡时的参数值，确定所要测量的电容值。
交流电桥法精度较高，适用于各种电容测量情况。
交流电桥法的步骤如下： 1. 搭建交流电桥电路，其中包括待测电容和已知电容。
电容的测量方法及原理
电容的测量方法及原理电容是电学中的一个重要概念，它是指两个导体之间的电荷储存能力。
在电路中，电容器是一种常见的元件，它可以储存电荷并在电路中起到滤波、耦合等作用。
因此，电容的测量方法及原理对于电路设计和维护都具有重要意义。
一、电容的测量方法电容的测量方法主要有以下几种：1. 直接测量法直接测量法是最简单的电容测量方法，它只需要使用万用表或电容表直接测量电容器的电容值即可。
在使用万用表或电容表进行测量时，需要注意选择合适的量程和测量方式，以保证测量结果的准确性。
2. 交流电桥法交流电桥法是一种常用的电容测量方法，它利用交流电桥的平衡条件来测量电容器的电容值。
在使用交流电桥进行测量时，需要先调节电桥的平衡，然后根据平衡条件计算出电容器的电容值。
3. 时域反射法时域反射法是一种高精度的电容测量方法，它利用电磁波在传输线上的反射特性来测量电容器的电容值。
在使用时域反射法进行测量时，需要先将传输线连接到电容器上，然后通过测量反射波的时间和幅度来计算出电容器的电容值。
二、电容的测量原理电容的测量原理主要涉及电容的定义、电容器的结构和电容的计算公式。
1. 电容的定义电容是指两个导体之间的电荷储存能力，它的单位是法拉（F）。
在电路中，电容器是一种能够储存电荷的元件，它由两个导体板和介质组成。
2. 电容器的结构电容器的结构主要由两个导体板和介质组成。
导体板可以是金属板、箔片或导电涂层，介质可以是空气、瓷质、塑料等。
当电容器两个导体板之间加上电压时，会在介质中形成电场，导致电荷在导体板上积累，从而形成电容。
3. 电容的计算公式电容的计算公式为C=Q/V，其中C表示电容，Q表示电容器中储存的电荷量，V表示电容器两个导体板之间的电势差。
在实际测量中，可以通过测量电容器的电荷量和电势差来计算出电容的值。
电容的测量方法及原理对于电路设计和维护都具有重要意义。
在实际测量中，需要根据具体情况选择合适的测量方法和仪器，并注意测量条件和误差控制，以保证测量结果的准确性。
电容容值检测电路
电容容值检测电路电容器是一种被广泛应用于电子电路中的元件，用于存储和释放电荷。
在电子电路设计和维修中，常常需要检测电容器的容值，以判断其性能和质量。
以下是关于电容容值检测电路的相关内容。
1. 电桥法电桥法是一种常用的电容容值检测方法。
它利用了电容器在不同频率下的阻抗与容值之间的关系。
通过调节电桥电路中的参数，使得电桥平衡，从而可以根据电桥平衡时的条件来计算电容的容值。
常见的电桥电路包括魏斯顿电桥、辛普森电桥等。
2. RC振荡电路在RC振荡电路中，电容器会影响电路的振荡频率。
根据RC 振荡电路的频率特性，可以通过测量电路的振荡频率来推算电容器的容值。
这种方法在实际应用中比较简单方便，不需要太多的额外电路。
3. 电容充放电法通过利用电容器充放电的时间常数与其容值之间的关系，可以间接测量电容的容值。
通常使用恒流源或定电流源来充电，然后测量充电时间或放电时间来计算电容的容值。
这种方法在实际应用中需要一些额外的电路来实现，但测量精度较高。
4. 大电容值测量电路对于较大容值的电容器，常常需要采用特殊的测量电路来进行容值测量。
一种常见的方法是利用555定时器的充电时间与电容器的容值之间的关系。
通过测量555定时器的充电时间和放电时间，可以计算出电容器的容值。
5. 数字多表法数字多表法是利用数字电表来测量电容器的容值。
对于小容值的电容器，可以直接用电表进行测量。
对于大容值的电容器，可以利用电容器的充电和放电时间与电表的测量值来计算容值。
在实际应用中，电容容值检测电路的设计需要考虑测量精度、稳定性、响应速度等因素。
不同的方法适用于不同范围的容值测量。
同时，还需要注意电路的抗干扰能力，以及电源、连接线等因素对测量结果的影响。
总之，电容容值检测电路是电子电路设计和维修中常见的一种测量电路。
通过选择合适的测量方法和电路设计，可以准确地测量电容器的容值，以保证电子电路的性能和质量。
电容测量电路设计实验报告
电容测量电路设计实验报告实验名称：电容测量电路设计实验目的：1.学习电容测量电路的工作原理；2.掌握基于RC电路的电容测量方法；3.设计并实现一个实用的电容测量电路。
实验仪器和材料：1.信号发生器2.示波器3.电容器4.电阻5.多用电表6.面包板7.电源线8.电阻器9.连接线实验原理：电容测量电路一般采用RC电路，即由电阻和电容器串联组成。
电容器具有充电和放电的特性，当电容器被充电或者放电过程中，电容器两端的电压随时间变化满足指数函数的特点。
通过测量电容器两端的电压变化情况，可以得到电容器的电压与时间的关系，从而计算出电容器的电容值。
实验步骤：1.将电容器连接到面包板上；2.将信号发生器连接到电容器的一个端口上，设置成方波输出，并调整频率和幅度；3.将电容器的另一个端口通过电阻连接到接地点；4.将示波器的探头分别连接到电容器两端口，调整示波器的触发和扫描范围；5.打开电源，调整信号发生器的频率和幅度使得示波器上观测到完整的充放电波形；6.分别测量充电过程和放电过程的时间间隔和电压，计算电容值。
实验结果：通过测量得到的数据计算出电容值为C=5μF。
实验讨论：1.实验过程中是否受到了温度、湿度等环境因素的影响；3.实验结果与理论值的比较，是否符合预期。
实验结论：本实验通过设计并实现一个基于RC电路的电容测量电路，成功地测量出了所使用电容器的电容值为C=5μF。
实验过程中可能会受到温度、湿度等环境因素的影响而引入一定误差，可以通过改进电路设计和采用更精确的测量仪器来减小误差。
实验结果与理论值基本符合，验证了所设计电容测量电路的准确性和可靠性。
微弱电容测量电路设计
微弱电容测量电路设计
微弱电容测量电路设计指的是设计一种电路，用于测量微弱的电容变化。
在许多应用中，例如生物医学、环境监测和精密测量等领域，需要高灵敏度地检测和测量微弱的电容变化。
因此，设计一种能够准确地测量微弱电容的电路是非常重要的。
微弱电容测量电路设计需要考虑的关键因素包括：
1.高灵敏度：电路应具有高灵敏度，以便能够检测到微弱的电容变化。
2.低噪声：电路应具有低噪声性能，以减少测量误差。
3.线性度：电路的输出应与输入的电容变化成线性关系，以便准确地测量电
容值。
4.稳定性：电路应具有稳定的性能，以避免测量结果的漂移。
在实际应用中，常见的微弱电容测量电路包括电桥电路、谐振电路和交流阻抗谱测量电路等。
这些电路各有优缺点，需要根据具体的应用场景和需求进行选择。
总结来说，微弱电容测量电路设计指的是设计一种高灵敏度、低噪声、线性度和稳定的电路，用于检测和测量微弱的电容变化。
这种电路在生物医学、环境监测和精密测量等领域有广泛的应用前景。
(电路设计)电容ESR测量表电路
（电路设计）电容ESR测量表电路电容正常运作时是毫无问题的，但有时会遇上电源故障或无法正常运转的问题。
如果这个问题是噪声，那么有个简单的解决办法，只需加入更多的电容即可。
但如果这样也无法解决，究竟是哪出错了呢？问题的根源就在于我们理所当然地将电容看为了理想设备，但它们并非如此。
这些非预期的结果都是因为内部电阻，或者称为等效串联电阻（ESR）。
因为其内部构造的材料，电容拥有有限的内部阻值。
同样的还有等效电感（ESL）o 不同种类的电容有着不同的ESR范围。
比如电解电容一般比陶瓷电容的ESR 要高。
如今许多应用中，得到电容的等效电阻也成了重要的设计因素之一。
本次我们将用555定时器和三极管来测量电容的ESR o电容ESR测量ESR测量看起来很简单，施加恒定电流并测量设备的压降可以计算出阻值。
如果我们将恒定电流施加到电容上呢？电压线性增加，最后定值到输入电压，这样的值对计算ESR是毫无用处的。
这时候我们要想一下我们在学校里听到的一句话-“电容隔直流通交流”简化后我们可以将电容理解为高频下的短路，其容性部分从电路中切断，而剩下的电压则施加在内部电阻上。
这一方法的优势在于如果我们知道信号源内阻时，就不需要了解电流值为多少，因为ESR和信号源内阻组成了分压器，其阻值比例及电压比例，知道其中三个参数就可以知道剩下的一个参数。
我们用示波器来测量输入和电容上的波形。
所需元器件示波器端555定时器——CMOS和三极管的都可以，但高频的话建议用CMOS o100kΩ电位计——用于调整频率InF电容——控制时间IOUF陶瓷电容——去耦功率级：BC548 NPN三极管BC558 PNP三极管在选择三极管的时候需要注意一一任何高增益的小信号三极管并能承受大电流（50mA以上）都可以560 Q电阻47Q输出电阻——可以选取IoQ至UlooQ范围内的电阻电路图1.555定时器555定时器是一个传统的非稳态多谐振荡器,可以产生几百kHz 的方波。
试述微小电容的测量方法及测量电路系统设计
的精确测量 。这种方法 是把被测电容 （ 可有漏导） 放在一个桥臂 ，可 调的参考 阻抗放 在相邻 的另一个桥臂 ，二桥臂分别 接到频率相同 、电 压相同的两个信 号源 上。调节参考阻抗使桥路平衡 ，则被测桥臂中的 阻抗 与参 考阻抗共轭 相等。该方法 的主要优点 为 ：选用 器件少 ，电路 简单 ，易于小型化。其缺点主要为 ：由于远离平衡位置时非线性较大 ， 输 出阻 抗 很 高 ，输 出 电压 很 小 。 ２ 测 量 电路 系统 设 计 ２１ 微 电容测量电路设计要求 ． 在 Ｅ Ｔ电容测量 中，电容传感器内充以两相 介质时 ，两电极间互 Ｃ 电容的变化量是 流体相 含率及其空间分布 的函数 ，而相 含率变化所引 起 的互 电容变化量一般为 ０１ １ 皮法 （ｆ ． ． ～０ ｐ）左右 ，且不 同的电极对之 间的电容量相差很大 ，相邻 电极对问 的电容 比相对 电极对 问的电容要 大数百倍 ，同时杂散 电容远远大于待测电容 ，因此应用于 Ｅ Ｔ的电容 Ｃ 检测 电路应当具有 以下特点 ：１ ）低漂移 、能抑制杂散 电容 、消除损耗 电导 的影 响；２ ）高分辨率 ，最小可分辨信号 ０ ｆ ；３ ＂ Ｆ ）线性度好 ，非 ． １ 线性误差 ≤ｌ ）高信噪比 ，信噪 比≥ｌ０ Ｂ ）测量范围足够宽， Ｏ ；４ ０ ｄ ；５
能 测 量微 小 电容 的 变 化 。 关键 词 ： 电容 层 析 成像 ； 小 电容 ； 量 电路 微 测
电容式传感器是将 被测量 的变 化转换成 电容量变 化的一种装 置。 电容式传感器具有结构简单 、分辨力 高、工作 可靠 、动态响应快 、可 非接触测量 ，并 能在 高温 、辐射和强烈振动等恶劣 条件 下工作等优点 已在工农业生产 的各个 领域得到广泛应用 。其 中微小 电容测量是关键 技 术 之 一 。这 里 介 绍 了 最 常 用 的 四 种 微 小 电容 检 测 方 法 ，设计 了 基 于 交 流激励的电容测量 电路 ，分析了电路 的工作原理 ，给出 了实验结果 ； 该 电路 的特点是 动态测 量范围宽 ，灵敏度高 ，可灵 活应用 于不同的应 用场合 。
电容测量课程设计
电容测量 课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解电容的基本概念，掌握电容的单位、公式及计算方法。
2. 学生能够了解电容器的结构、种类及其在电路中的应用。
3. 学生能够掌握电容测量原理，学会使用不同方法进行电容测量。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，正确操作实验仪器，完成电容测量实验。
2. 学生能够分析实验数据，处理实验结果，提高实验操作和数据分析能力。
3. 学生能够通过小组合作，培养团队协作能力和沟通能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能够对物理学科产生兴趣，提高学习积极性。
2. 学生能够养成严谨的科学态度，注重实验操作的准确性和实验结果的可靠性。
3. 学生能够认识到电容测量在实际应用中的重要性，增强学以致用的意识。
本课程针对高中年级学生，结合物理学科特点，注重理论与实践相结合。
在分析课程性质、学生特点和教学要求的基础上，明确课程目标，并将目标分解为具体的学习成果，以便于后续的教学设计和评估。
通过本课程的学习，学生将能够掌握电容测量的相关知识，提高实验操作和数据分析能力，培养科学态度和团队协作精神。
二、教学内容本章节教学内容主要包括以下三个方面：1. 电容基本概念：- 电容的定义、单位及公式- 电容器结构、种类及其在电路中的应用2. 电容测量原理及方法：- 电容测量原理介绍- 电容测量方法：时间常数法、交流电桥法、电容表法等- 实验仪器的使用及操作规范3. 实验操作与数据分析：- 实验步骤及注意事项- 数据采集、处理与分析- 实验结果讨论与误差分析教学内容依据课程目标，结合教材相关章节进行组织。
教学大纲明确教学内容的安排和进度，具体如下：1. 电容基本概念：第1课时2. 电容测量原理及方法：第2-3课时3. 实验操作与数据分析：第4-5课时三、教学方法本章节将采用以下多样化的教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：通过教师对电容基本概念、电容测量原理及方法的系统讲解，使学生掌握必要的理论知识，为后续实验操作打下基础。
电容容值检测电路
电容容值检测电路
（实用版）
目录
1.电容容值检测电路的概述
2.电容容值检测电路的工作原理
3.电容容值检测电路的应用领域
4.电容容值检测电路的优缺点分析
5.总结
正文
电容容值检测电路是一种用于测量电容器的电容值的电路，它是电子测量领域中常用的一种电路。
电容容值检测电路广泛应用于各种电子设备和电子产品中，如电视机、收音机、计算机等。
电容容值检测电路的工作原理是基于电容器的充放电特性。
当电容器两端的电压发生变化时，电容器的电容值可以通过测量充放电过程中的电流来计算得出。
电容容值检测电路通常由一个充电电路和一个放电电路组成，充电电路用于给电容器充电，放电电路用于将电容器中的电能释放出来，并通过测量放电过程中的电流来计算电容值。
电容容值检测电路的应用领域非常广泛，它不仅可以用于测量固定电容器的电容值，还可以用于测量可变电容器的电容值。
此外，电容容值检测电路还可以用于测量电容器的损耗和电容器的稳定性等参数。
电容容值检测电路的优点在于测量精度高，可靠性好，而且结构简单，使用方便。
但是，电容容值检测电路也存在一些缺点，如对电容器的电容值范围有限，对于小电容值的测量精度较低，而且测量速度较慢。
总的来说，电容容值检测电路是一种重要的电子测量电路，它对于电子设备的设计和制造具有重要的意义。
基于充放电原理的小电容测量电路的设计
随着现代半导体行业的迅速发展，电容的制作 电容值会严重受到影响。
工艺以及性能指标越来越精密。目前检测精度在微
目前电容的测量不仅面临着信号的各种干扰问
位移领域已达到纳米级，电容电量的变化一方面是 题，由于精密检测电容的微小变化过程是一个瞬态
由微小位移量的变化产生的。因此，由纳米级位移 变 化 过 程 ，这 就 要 求 测 量 电 路 具 有 较 高 的 采 样 率 。
分。通过对信号调理电路的改善，达到具有国内外领先水平的高采样率电容测量电路。经过实验
验证测量电路的采样率，发现该电容的采样率可达 100 kHz，满足了目前众多电容对测量电路采样
率的需求。
关键词：充放电原理；瞬变；电容检测电路；恒流源
中图分类号：TN752.1
文献标识码：A
文章编号：1674-6236（2018）16-0147-04
Design of small capacitance measurement circuit based on charge discharge principle
CHEN Li （Shaanxi Vocational College of National Defense Industry，Xi'an 710302，China）
微 弱 电 容 测 量 电 路 采 样 频 率 低 ，现 有 电 容 测 量 电 路 不 能 满 足 被 测 电 容 对 采 样 率 的 要 求 等 问 题 ，提
出了一种新型的基于充放电的微弱电容测量电路。该测量电路分析了现有电容测量电路中的关
键部件，采用高采样率、高精度、高稳定性的信号调理电路实现传统测量电路中的信号调理电路部
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《电子设计工程》2018 年第 16 期
简易电容测试电路(经典)
VCC 5V VCC
R2 50% 1K _LIN Key = A 39 R12 470 40 R8 R9 100k 1.0M 30
R1 10k
31 A1 J2
VCC RST DIS OUT
U1A 42 74LS00D 36 R3 41 1k J1 Key = B 0 32 U2B
寡人猪八戒 制作
简易电容测试电路
要求：能够测0.01微法—99微法范围内的电容值， 且可以换档操作。用两个数码管作为显示原件。测 试时，测试电容接至测试端自动显示出被测电容值， 且响应时间不超过2秒。
方案论证
电容、电阻和施密特触发器构成一个多谐振荡器。 在电源刚接通时，电容C上的电压为0，多谐振荡器 输出Vo为高电平，Vo通过R对电容C充电。当C上充 得的电压Vc=Vt+时，施密特触发器翻转，Vo变成低 电平，Vc又通过R放电，Vc下降，当Vc=Vt-时施密 特触发器又翻转，输出Vo又变成高电平。如此往复 振荡产生一系列时间脉宽送入单片进行中央处理， 最后送出显示信号通过LED显示。 本系统设计主要采用555集成定时器构成多谐振荡 器、单稳态触发器等电路把被测电容的电容量转换 成电压量，再把电压量通过译码器把电压量转换成 数字量并显示，从而实现电容测量。
总结
通过这周对电容测量仪的设计，使我们了解很多芯 片的功能及应用，更重要的是我们对芯片理解加深， 丰富的了这方面的知识，课程设计是在模拟电路和 数字电路理论基础上进行的一次综合性系统设计， 通过设计和实践，培养了我们的综合运用知识、实 践操作及解决实际问题的能力，使我们牢固掌握课 程中学到的电子线路的工作原理、分析方法和设计 方法，学会电路的一般设计方法和设计流程，并应 用这些方法进行一个实际的电子线路的系统设计。 因种种原因调试不出正确结果，在不断的调整和修 改后，终于有了正确的结果，在失败中也学到很多， 这对我们以后学习中将会有很大的帮助，也会激励 我们在困难面前勇敢向前。
利用Multisim设计电容测量电路
一、概述随着科学技术的不断发展，人类社会进入高科技时代，而以电子元件组成的电器在生活中被运用的越来越广泛，大至航空航天技术，小到手机、电子手表等等。
而这些电器都是由一些电容、电阻等元器件组成。
特别是电容在这些电路中的作用，因此电容的大小的测量在电容使用过程中必不可少，测量电容的大小的办法也越来越多，并且多样化、高科技化。
当然，测量的结果应该保持较高的精确度和稳定性，不仅如此，还应兼顾测量速度快等要求。
目前应用比较普遍的方法有电桥法测电容、容抗法测电容、基于NE555的RC充放电原理等等，而此次课程设计采用的是基于NE555的RC冲放电原理。
用2片NE555芯片分别接成单稳态触发器和多谐振荡器，将待测电容接入单稳态触发器中，将电容的大小转换成一定的脉冲宽度，在这个脉冲宽度内的多谐振荡器产生的脉冲个数经过计数器的计数、锁存后用数码管显示出来。
因此可以直接计算出待测电容的大小，并且达到精确度比较高（±10%）、测量数值较为稳定，量程可控制（0.2uF—20uF）的要求，而且所设计的电路比较简易，所用的都是一些常用的元器件，电路连接简单不繁杂。
本设计报告由方案论证、电路设计、性能测试、结论、性价比、课程设计体会及合理和建议等部分组成，另外还附有参考文献、总电路图和元器件清单。
二、方案论证本设计方案采用的是基于NE555的RC充放电原理的脉冲宽度测量法，本设计的主要由测量电路、计数锁存电路和显示电路三部分构成。
测量电路核心就是由2片555定时器构成的单稳态触发器和多谐振荡器组成，计数电路由3片74LS160构成的计数器和2片74LS273构成的锁存器组成，显示电路由3片内部自带译码器的数码显示管（DCD_HEX）组成。
脉冲宽度测量法的系统功能框图如图1所示，利用单稳态触发器在待测电容C上的充放电的规律，将电容的大小转换成输出信号的脉冲宽度Tw，再将单稳2态触发器的输出信号和多谐振荡器的输出信号一起接入一个与门，与门的输出信号中脉冲宽度Tw内的脉冲个数N通过3片十进制计数器计数后输入到2片锁存器，最后由锁存器输入到自带译码器的数码显示管，数码显示管所显示的数值就是脉冲个数N。
电容测量电路的设计
电容测量电路的设计 Hessen was revised in January 2021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：—课程设计（论文）任务及评语院（系）：教研室注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算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220V，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。
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。
关键词：电容；稳压电源；文氏电桥电路；差分电路。
目录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。
基于TDC的高精度微电容测量系统设计
基于TDC的高精度微电容测量系统设计作者：黄峰刘敬彪于海滨潘勉来源：《电子技术与软件工程》2015年第17期摘要提出一种基于Pcap01AD的微小电容测量电路设计，可对0-100pF之间的微小电容进行高精度测量。
该设计基于TDC（时间数字转换）原理，系统硬件主要由STM32F101C8T6单片机和Pcap01微电容测量芯片两部分组成。
系统软件包括下位机软件和上位机软件，下位机主要完成对电容测量数据的读取以及发送至上位机，上位机则对数据作进一步处理和显示。
实验证明，该系统的测量精度非常高，在以22pF为基础电容时，其测量最小误差率仅为9.8×10-7%。
【关键词】TDC 高斯分布微电容测量 Pcap01AD在农业、材料、机械、过程控制以及管道检测等测量领域，经常利用电容效应来测量板间介电常数和位移等重要参数。
然而，当前的电容效应在这些领域应用中存在两个问题：（1）电容信号的输出信号往往很小（1fF～100Pf）；（2）传感器及其连接导线杂散电容和寄生电容难消除并且严重影响测量结果。
因此，如何对微小电容进行高精度测量是当今电容测量领域亟待解决的难题。
目前微小电容测量主要集中在高度集成化方向。
美国Irvine Sensors公司的通用电容检测芯片MS3110能够达到4aF的分辨率，0.5～8KHz采样频率；美国ADI公司的AD7746芯片能够达到4fF的分辨力，采样频率最高为90Hz；德国GEMAC公司的HT133芯片能够达到0.16fF的分辨力，采样频率最高为20KHz；德国ACAM公司的通用电容检测芯片Pcap01AD 是一款专用的微电容测量芯片，该芯片基于TDC原理，具有高速、高精度以及低功耗等优点。
本设计利用Pcap01AD对0-100pF之间的微小电容进行高精度测量，在1Hz的测量频率下其最小误差率仅为9.8×10-7%。
1 Pcap01AD主要特性及原理1.1 测量原理Pcap01AD将“放电时间测量”作为测量电容的原理。
基于Pcap01的微电容测量系统设计
第 17 卷第 18 期 (2021 年 6 月) 表 2 24-bit 操作码命令
表 3 32-bit 操作码命令
图 7 系统工作流程图 STM32 单片机作为本设计输出处理和传输的中介，需要分 别与 Pcap01 电容检测模块和显示模块 ssd1306 建立通信和数 据传输。Pcap01 兼容 IIC 和 SPI 两种通信协议，其作为从机当 其被 STM32 控制时，可以在电路中通过给芯片的 IIC_EN 管脚 接地或者高电平来选择两种通信方式的其中一种，本设计选用 IIC 让电容检测电路与单片机通信，那么我们需要给 IIC_EN 管 脚提供高电平。 在 IIC 上，每一个从机都有单独的 7 位地址 bit，这个地址码 必须在起始信号开始之后，作为以一个 Byte 发送出去，最后一 位 则 代 表 了 数 据 传 输 的 方 向 。 在 完 成 这 一 个 操 作 后 ，要 给 Pcap01 发送操作码。 Pcap01 有三种操作码单字节命令（8bit 命令），3 字节命令 （24bit 命令），4 字节命令（32bit 命令）如表所示。
收稿日期：2021-01-13 基金项目：永州市科技计划项目(永科发〔2019〕15 号 2019-yzkj-05)；湖南科技学院校级科研项目（No.20XKY051）；湖南科技学院应
用特色学科建设项目；湖南科技学院“通信工程专业综合改革试点”项目 作者简介：朱凯凯（1998—），男，湖南科技学院电子与信息工程学院通信工程专业本科生；通信作者：潘学文（1983—），男，湖南永州
图 2 电路硬件电路模块 （1）系统电源 本设计涉及三个模块，3 个模块的供电要求均可以是 3.3V， 可以使用同一个电源并共地。供电口包括：VDD（2.0~3.6V）， 提供给 Pcap01，STM32 内部解压器电源。VSSA，VDDA（2.4~ 3.5V），为 Pcap01，STM32 复 位 ，时 钟 ，PLL 倍 频 提 供 电 源 。 VBAT（2.0~3.5V），当断电时，为 STM32 后备寄存器以及外部振 荡器供电。 （2）复位电路 复位电路的作用是为了系统恢复初始状态的，STM32 和大 多数的单片机一样有复位（Reset）引脚。我们需要设计复位电 路，达到单片机上电复位和手动复位的效果。硬件复位产生的 条件：当系统上电，掉电时，产生一个上升沿或者下降沿，满足 复位条件系统接收到信号，发生复位，即除了备份区域寄存器 之外，其余所有的寄存器都恢复成初始复位状态。 电源电路模块采用电脑的 USB 接口作为电源接口，通过 USB 转 DC 电源线连接到系统的 DC 电源接口 P1 上，然后经过 自管开关 S1 为整个系统提供稳定的 5V 工作电压。这样设计的 好处是元器件简单便宜，节约成本，又能够为整个系统供电。
模电课程设计电容测量电路
河南城建学院模拟电子技术课程设计设计题目：电容测量电路专业：电气自动化技术班级：1223081班姓名：赵明军学号：122308144指导老师：杨帆、徐安峰时间：2010/01/11——2010/01/14目录一、设计题目 (3)二、设计任务和要求 (3)三、题目分析......................................................................四、整体构思 (4)五、具体设计思路 (4)六、实验设备及原器件 (7)七、测试要求 (9)八、参考文献资料 (11)九、个人体会 (11)模拟电子技术课程设计正文一，题目：电容测量电路二，设计要求：1.设计一个电容测量电路能用于测量电容量并判断电容的好坏，含有信号产生电路，2.设计电路需要的直流稳压源。
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做综合比较，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。
三，题目分析：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，这是我们就用我们设计的电路来测量它以便于我们选择。
另外它还有一个作用，它可以检验电容的好坏，对于我们对电容的判断和选用有重要意义。
四，整体构思：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。
在直流稳压电源下，由文氏电路产生信号，使电容测量和有源微分电路工作，然后就可以知道电容量大小。
高动态范围的电容测量电路——CDC的设计
高动态范围的电容测量电路——CDC的设计*Design of a high dynamic range capacitance measurement circuit-CDC麦伟健，植浩昌，陈涌楠，陈俊凯 （广州大学，广州 510006）摘 要：本文介绍了一款电容检测电路(CDC)，其中给出了一种基于电荷转移型AFE，在宽待测电容范围下针对不同大小的电容进行粗测和细测两次测量，以获得最佳测量值的粗细测逼近型AFE，并为此设计了一种结构简单有效的控制时序以及对应的逻辑电路，和针对获得的ADC输出值设计的可编程除2电路。
同时，为了将AFE和ADC隔离开来，提出了AFE和ADC的匹配中间级结构（高精度跟随器）。
关键词：CDC；AFE；跟随器0 引言电容数字转换器是专为激励电容式触摸传感器设计,具有低功耗、高集成度、高精度测量的特点,已成为消费电子领域中电容传感器应用的主流产品。
随着的工艺和技术的不断发展，电容的大小在不断减小，这令对电容的检测产生了一定的难度，基于这样的现状，我们设计了一款具有转换精度高(转换有效位数为11位)，电容检测范围(电容检测为1 fF ~2 pF )宽，电容速率为400 μs 的电容检测电路(CDC )。
1 系统整体设计本设计的顶层电路如图1所示，为本作品CDC 总体框架结构，片内产生基准和时钟，主干结构为AFE 和ADC ，进行输入电容至数字量的转换后，由输出寄存器进行简单的DSP ，然后输出数字量至片外。
2 高速电荷转移型-粗细测AFE设计２．１ ＡＦＥ整体电路介绍本文提出的电路是一种将微弱电容值转换为数字量的集成电容测量电路，该电路是基于电荷守恒提出的电容测量原理如图2所示，其创新处在于控制时序、模拟前级电路结构、以及控制算法。
图１ ＣＤＣ系统顶层电路（＊标记的寄生电容补偿电路仅停留在前仿／原理验证阶段）该电路由模拟前级电路（AFE ）、ADC 、输出移位寄存器和控制逻辑电路四个部分组成，模拟前级电路用于将输入的待测电容的电容值线性对应地转换成一个可供ADC 测量的电压值，其由若干个电容、运放、MOS 管、电压跟随器、反相器，以及MOS 管开关组成。
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毕业设计题目微弱电容测量电路设计学生姓名学号院系电子与信息工程学院专业电子科学与技术指导教师二Ｏ一四年四月一日目录1绪论 (6)1.1 目前的研究现状 (6)1.2 常见的电容检测设计 (6)1.3 设计任务与要求 (7)2电容检测系统 (7)2.1 设计框架 (8)2.2检测系统基本原理 (8)2.3电容检测系统的杂散性分析 (9)2.4 T形电阻网络 (9)2.5 电容检测电路Multisim仿真 (11)3交流信号发生器电路设计 (12)3.1信号发生电路 (12)3.1.1 信号波形选择 (12)3.1.2 常见的信号产生电路 (12)3.2 晶体振荡电路 (13)4 全波整流电路设计 (15)4.1 全波整流电路 (15)4.2 全波整流电路的Multisim仿真 (16)5 低通滤波电路设计 (18)5.1 低通滤波器的选择 (18)5.1.1低通滤波器的类型选择 (18)5.2.2低通滤波器级数的选择 (18)5.2 低通滤波电路及其仿真 (18)6 AD转换电路及MCU控制电路 (20)6.1 AD转换电路 (20)6.2 MCU控制电路 (22)6.2.1 MSP430超低功耗单片机 (22)6.2.2 电源电路 (23)6.2.3 晶振电路 (23)6.2.4 复位电路和JTAG接口电路 (24)6.2.5 串口通信电路 (25)6.3电源电路 (25)6.4 硬件电路的抗杂散设计 (26)7电容检测系统的性能分析 (27)7.1 性能指标 (27)7.2 信号发生器的波形测试 (27)7.3 检测电路的性能检测分析 (28)7.3.1 检测分析的目的 (28)7.3.2 检测内容 (28)7.4 附图 (30)8 总结与体会 (30)8.1 本系统存在的问题及改进措施 (30)8.2 心得体会 (31)参考文献 (31)致谢 (32)微弱电容测量电路设计南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京 210044摘要：随着电子技术的发展,各种电子元器件的功能被运用在各中领域，适用范围也越来越广，微弱电容的测量要求也越来越精确。
设计个精确，可靠，便捷的电容测量电路具有极大的现实意义。
本设计电路主要思想是电荷放大法。
电路由信号产生电路产生个方波经过电荷放大将微弱的电流信号转化为电压信号。
转化后的电压信号还要经过全波整流和低通滤波电路进行处理最终得到比较清晰的直流电压信号，将信号送到单片机处理显示出电容值。
所以电路主要由电荷放大，全波整流，低通滤波三个主要模块组成。
本设计电路主要由MSP430单片机起控制作用，对电路送来的直流电压进行采样、测量并计算出电容的大小然后通过液晶显示出来本设计除了测量精确外噪声还比较小有很大的发展前景，未来可进行广泛运用于各电气电子技术领域。
关键词：电荷放大，全波整流，低通滤波，MSP430The design of Capacitance testerElectronic and Information Engineering, NUIST, Nanjing 210044, ChinaAbstract:With the development of electronic technology, various electronic components used in the field of function, scope of application is also getting more and more broad, measuring small capacitance requirements more accurately. Design of a precise, reliable, and has great realistic meaning capacitance measurement circuit and convenient. The circuit design of the main idea is the charge amplification method. Circuit comprises a signal generating circuit generates a square wave after the charge will be weak current signal into voltage signal. A voltage signal transformed by full wave rectified and low-pass filter circuit for processing finally get the DC voltage signal is very smooth, to send a signal to the microcontroller processing shows the capacitance value. So the circuit is mainly composed of a charge amplifier, a full wave rectifier, three main modules, low-pass filtering. The circuit design by MSP430 MCU control, measure the DC voltage circuit sent the calculated capacitance and the liquid crystal display in addition to the design of the accurate measurement of exterior noise is relatively small, have great prospects for development, the future can be widely used in the field of electrical and electronic technology. Keywords：Charge Amplifier,full-wave rectification,low pass filtering,MSP4301绪论1.1 目前的研究现状目前，国内测量电容的方法有很多，各式各样的电路设计数不胜数。
较为多见的测量方法有RLC 电桥法，RC振荡器法，电流电压法，运算放大法。
对于不同的精度要求用不同的测量方法进行测量。
一般要求不是太高的用RC振荡器法最为简洁、方便、易于操作。
现在大多数用此方法即能满足需要。
然而我们很多时候需要较为精确的得出电容的大小，尤其是测量PF级电容此方法根本满足不了需要。
对微弱电容的测量主要是由于电路中存在较多的杂散干扰，干扰电容的变化量大于被测电容的变化量，比较难被检测。
下面我来介绍一下电荷放大法微弱电容的检测。
1.2 常见的电容检测设计⑴电桥法电桥法一般采用RC或者LC电桥，可以通过调节两边的桥臂的阻抗大小来使得电桥平衡。
电桥两端分别输入一样的频率的电压值，振幅相同。
通过将电容量的变化变成电压值得变化。
经过运放滤除杂波等电路后。
得到与待测电容成正比的电压变化量。
此方法的精确度较高误差较小。
信噪比较高。
一般用在精确测量中。
但是整个设计对每个电气量的要求比较高很难同时满足电压的幅度和频率的大小，抗杂散能力差并且在实际电路中不一定能达到仿真的效果。
⑵调频法调频法是基于电容-频率转换的方法来检测所测电容的。
与电桥法相同的是调频法也是用RC电路和L-C电路以及Schmitt反相器实现，调频法大的基本原理是把需要测量的电容接入调频电路中，根据谐振频率随电容的变化而变化的多少来反计算电容的值，通过计数电路将频率转变成可测得的电压量。
原理如图1-1所示:R-C或L-C并联限幅鉴频器放大器输出电压信号组成振荡回路图1-1调频法原理框图调频法的电路结构比较简单，AD转换比较简单，而且能够选择频率较高的振荡频率，因而电路的灵敏度较高，能与微机直接匹配等。
但因为测得的电容是谐振电路的等效电容值，其值还包含了传感器的电容，所以电路的抗杂散电容能力比较差，同时存在频率稳定性差，输出线性不高，低精度，存有温漂现象，需要进行误差补偿等问题。
⑶电荷放大法运放的放大倍数为α，且输入阻抗Ω高的特点可以使其作为比较理想的电容测量电路，通常只要α、Ω值不小，没什么数值出入，高精确度。
整个检测系统的特点是电容检测电路的非线性且能够通过虚短虚地对驱动导线进行屏蔽，缺点主要是因为运放的电源电压比较低，灵敏度受限制输出稳定性受信号发生器稳定性及运放本身的影响。
电荷放大法及其改进的电路原理图如图1-2下：图1-2电荷放大电路其中为Cx待测电容,Cf是标准电容，并联Rf反馈电阻，采用交流信号源作为测量的激励源。
电荷放大器与普通的运放不一样，因为电荷放大器检测电路跟信号源无关，交流信号输出恒压。
关键是影响的因素较少。
电荷放大器法的调节能力相当强大。
关键是它可以通过对运放的灵活调整以提高电路的精确度，电路抑制寄生电容能力强，灵敏度高，分辨率高，此检测系统需要一个上兆赫兹的信号源并且用高性能的运放，但它的性能更好，分辨率更高。
1.3 设计任务与要求（1）设计用电荷放大器的电容检测电路；（2）电容测量精度能达到10pf；（3）用液晶显示模块直观显示测量结果；（4）基于MSP430为主控芯片的电容检测系统设计。
2电容检测系统2.1 设计框架微小电容对激励源输入信号变化响应很小，要经过转换系统转换为交流信号以方便检测。
这就要求信号源的频率和幅度波动要小，交流电压信号还要经过全波整流电路转换为直流信号，再经过低通滤波器得到较为平滑的直流电压信号然后经过ADC模数转换芯片得到数据送给MCU经过计算得到电容值并通过显示电路直观的显示出来。
本文的基本原理是电荷放大法，针对微小电容测量的的需要，通过对微弱电容信号量变化的检测研究，提出电荷放大器检测电容方法，并引入了低噪声信号调理概念给电路的普及应用提供了有力优势，其基本原理框图如图2-1所示。
图2-1系统原理流程图本设计的电容检测系分别经过激励源电路然后将激励信号送到电荷放大模块，在把电荷放大器输出的交流信号经过全波整流处理，然后再把交流转换为直流所以还要通过低通滤波器，再将得到的平稳的直流信号经过AD电压采样电路，最后经过430单片机的计算处理然后显示在LCD1602上面。
电荷放大电路是整个电容检测电路中的关键电路，该电路设计的抗杂散、抗干扰能力直接决定了整个电容检测电路的测量的精确度。
2.2检测系统基本原理电容检测电路在检测电容电路系统中是最重要的部分，因为在电容检测系统中，被测电容变化量极其微弱，并且电路干扰电容很多，因此我们队检测电路的各项性能要求比较严格。