第一章 绪论
1.1.2 课题研究的目的与意义
数字电子技术在现代社会得到了广泛的应用，电容是电子技术中不可缺少的部分，它在电子线路中得到广泛的应用，它的容量大小对电路的性能有着重要的作用。因此，电容量的测量在日常使用中就不可避免。通过对数显电容测量仪的设计，使我巩固了所学的本专业基础理论、专业知识和基本技能，培养了我综合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；同时对电容测量仪器的工作原理、元器件选择及电子仪器的常用设计方法等有比较深入的了解；进而掌握了应用计算机进行电子线路设计的基本思想和方法；可以帮助改进现有电容测量系统的不足，为企业产品创新做出帮助；提高自己的动手实践能力和对电子设计的兴趣，为自己以后从事电子类专业打下坚实的基础。
1.2 设计的主要内容
1. 方案比较及论证 查阅相关资料，找到设计电路的基本思路。 2. 基本测量原理。
3. 工作原理、框图及单元电路设计。 4. 系统实现及元器件选择。
5. 绘电路原理图，列元件明细表，整理及分析有关数据。
6. 结论。
1.3 设计的技术指标与参数
1. 测量范围：第一档0pF—99999pF，第二档0.001μF—99.999μF，第三档0.1μF—9999.9μF
2. 测量小电容时有校正电路。
3. 显示方式：七位LED数码管显示，五位LED显示电容量，两位LED显示单位。
4. AC220V供电
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第二章 方案比较与论证
第二章 方案比较与论证
2.1 各方案基本原理的介绍
电容测量仪的基本原理是把容量转换成其它形式的物理量，通过对其它物理量的测量，从而计算出电容的容量。可以转换为电压值来测量，可以转换成脉冲宽度，可以用容抗值来测量，测量的方法有多种。
1. 方案一 微分法测电容
如果三角波输入给以被测电容器作为微分电容的微分电路，在电路参数选择适当的条件下，微分电路的输出幅度与Cx成正比，再经峰值检测电路或精密整流及滤波电路，可以得到与Cx成正比的直流电压Ux ，然后再进行A/D转换送给数字显示器，便可实现所要求的函数关系。（电路如图2-1 所示）
设三角波函数式为
UI=Kｔ （0 ≤ｔ<ｔ1） (1-1)
UI=－Kｔ （ｔ１≤ｔ<ｔ2） （1-2)
dUi因为 iｘ＝C
dtUO??ixR
所以 UO??CKR （0 ≤ｔ<ｔ1） (1-3)
UO?CKR （ｔ１≤ｔ<ｔ2） (1-4)
图2-1方案一设计总体框图
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第二章 方案比较与论证
2. 方案二 单片机法测电容
把电容C转换成频率信号f，转换的原理分别是RC电容三点式振荡电路，单片机根据所选通道，向模拟开关送两路地址信号，取得振荡频率，作为单片机的时钟源，通过计数则可以计算出被测频率，再通过该频率计算出各个参数。然后根据所测频率判断是否转换量程，或者是把数据处理后，把R、L、C的值送数码管显示相应的参数值，利用编程实现量程自动转换。
该设计方案的总体方框图如图2-2所示。
被测电容 RC电容三点式振荡电路 单片机 数字显示 8 0 C 5 1
图2-2 方案二的总体方框图
3. 方案三 电桥法测电容
如图2-3 所示，C1与C2以差动形式接入相邻两个桥臂，另两个桥臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的两个次级线圈。Z1与Z2是祸合电感，这种电桥的灵敏度和稳定性较高，且寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作已广泛应用。另外两桥臂为次级线圈，使用元件少，桥路内阻小，应用较多。输出电压Usc的幅值与被测量成正比，这种电路又称做调幅电路。当传感器接有工作负载时，USC=E△d/d压除与被测量变化△d有关外，还与电桥d电源 电压有关，要求电源电压采取稳幅和稳频措施。
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第二章 方案比较与论证
USC 图2-3电桥法测电容原理图
USC 电容电桥的主要特点有:①高频交流正弦波供电；②电桥输出调幅波，要求其电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施；③通常处于不平衡工作状态，所以传感器必须工作在平衡附近，否则电桥非线性增大，且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥；④输出阻抗很高(一般达几兆欧至几十兆欧) ，输出电压低，必须后接高输入阻抗、高放大倍数的处理电路。
4. 方案四 调频法测电容
调频电路如图2-4所示，它的优点是：频率输出易得到数字量输出，不需 A/D转化；灵敏度较高，可测量 0.01um级位移变化，能获得伏特级直流电压信号，直接与微机匹配，抗干扰能力强，可长距离发送与接收。因此在使用中，要求元件参数稳定，电源电压稳定，并要消除温度和电缆电容的影响。其频率误差约为0.1 %-1%。此外，输出非线性较大，需误差
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第二章 方案比较与论证
补偿。统的模拟测量方法电路环节多，容易受零漂温漂的影响，尤其对小电容的测量，更难保证测量精度。数字化测量首先是将电容量变为频率信号，常用的有LC振荡和RC振荡。对于电容量微小变化的测量，介绍了一种借助比较电容来测量△C的方法。它的电容测量电路原理就是调频电路原理。
调频振荡器 L Cx C0 限幅器 鉴频器 放大器 Usc
图2-4 调频法测电容原理图
5. 方案五 运算放大器法
该电路的最大优点是能够克服变极距型电容传感器的非线性及采用虚地法驱动电缆屏蔽( 也称不完善屏蔽法，这是运算法屏蔽的一种，此外还有完善屏蔽法，1 :1中和屏蔽法等) ，解决了 1 :1放大器难以实现的中和电路对寄生电容的跟踪问题。图2 - 5为其原理图。Cx是传感器电容，C是固定电容，u是输出电压信号。由运算放大器工作原理可知
图2-5 运算放
大器法测电容原理图
Usc?
1/(jwCx)Cu??u
1/(jwC)Cx- 6 -