畢業(yè)設(shè)計(jì)微弱電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題 目 微弱電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)</p><p>　　The design of Capacitance tester</p><p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　

2、　院 系 電子與信息工程學(xué)院</p><p>　　專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù)</p><p><b>　　指導(dǎo)教師 </b></p><p>　　二Ｏ一四 年 四 月 一 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b

3、>　　1緒論5</b></p><p>　　1.1 目前的研究現(xiàn)狀6</p><p>　　1.2 常見的電容檢測(cè)設(shè)計(jì)6</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求7</p><p><b>　　2電容檢測(cè)系統(tǒng)7</b></p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)框架7</

4、p><p>　　2.2檢測(cè)系統(tǒng)基本原理8</p><p>　　2.3電容檢測(cè)系統(tǒng)的雜散性分析9</p><p>　　2.4 T形電阻網(wǎng)絡(luò)9</p><p>　　2.5 電容檢測(cè)電路Multisim仿真11</p><p>　　3交流信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1信號(hào)發(fā)生

5、電路12</p><p>　　3.1.1 信號(hào)波形選擇12</p><p>　　3.1.2 常見的信號(hào)產(chǎn)生電路12</p><p>　　3.2 晶體振蕩電路13</p><p>　　4 全波整流電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1 全波整流電路15</p><p>　　4.2 全

6、波整流電路的Multisim仿真16</p><p>　　5 低通濾波電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　5.1 低通濾波器的選擇18</p><p>　　5.1.1低通濾波器的類型選擇18</p><p>　　5.2.2低通濾波器級(jí)數(shù)的選擇18</p><p>　　5.2 低通濾波電路及其仿真18</

7、p><p>　　6 AD轉(zhuǎn)換電路及MCU控制電路20</p><p>　　6.1 AD轉(zhuǎn)換電路20</p><p>　　6.2 MCU控制電路22</p><p>　　6.2.1 MSP430超低功耗單片機(jī)22</p><p>　　6.2.2 電源電路23</p><p>　　6.2.3

8、晶振電路23</p><p>　　6.2.4 復(fù)位電路和JTAG接口電路24</p><p>　　6.2.5 串口通信電路25</p><p>　　6.3電源電路25</p><p>　　6.4 硬件電路的抗雜散設(shè)計(jì)26</p><p>　　7電容檢測(cè)系統(tǒng)的性能分析27</p><p&g

9、t;　　7.1 性能指標(biāo)27</p><p>　　7.2 信號(hào)發(fā)生器的波形測(cè)試27</p><p>　　7.3 檢測(cè)電路的性能檢測(cè)分析28</p><p>　　7.3.1 檢測(cè)分析的目的28</p><p>　　7.3.2 檢測(cè)內(nèi)容28</p><p><b>　　7.4 附圖30</b&g

10、t;</p><p>　　8 總結(jié)與體會(huì)30</p><p>　　8.1 本系統(tǒng)存在的問題及改進(jìn)措施30</p><p>　　8.2 心得體會(huì)31</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p>　　微弱電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：

11、隨著電子技術(shù)的發(fā)展,各種電子元器件的功能被運(yùn)用在各中領(lǐng)域，適用范圍也越來越廣，微弱電容的測(cè)量要求也越來越精確。設(shè)計(jì)個(gè)精確，可靠，便捷的電容測(cè)量電路具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　本設(shè)計(jì)電路主要思想是電荷放大法。電路由信號(hào)產(chǎn)生電路產(chǎn)生個(gè)方波經(jīng)過電荷放大將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)還要經(jīng)過全波整流和低通濾波電路進(jìn)行處理最終得到比較清晰的直流電壓信號(hào)，將信號(hào)送到單片機(jī)處理顯示出電容值。所以

12、電路主要由電荷放大，全波整流，低通濾波三個(gè)主要模塊組成。本設(shè)計(jì)電路主要由MSP430單片機(jī)起控制作用，對(duì)電路送來的直流電壓進(jìn)行采樣、測(cè)量并計(jì)算出電容的大小然后通過液晶顯示出來本設(shè)計(jì)除了測(cè)量精確外噪聲還比較小有很大的發(fā)展前景，未來可進(jìn)行廣泛運(yùn)用于各電氣電子技術(shù)領(lǐng)域。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電荷放大，全波整流，低通濾波，MSP430</p><p>　　The design of Cap

13、acitance tester</p><p>　　Abstract: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, measuri

14、ng 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 amplific

15、ation method. Circuit comprises a signal generating circuit generates a square wave after the char</p><p>　　Keywords：Charge Amplifier,full-wave rectification,low pass filtering,MSP430</p><p><

16、;b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1 目前的研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，國內(nèi)測(cè)量電容的方法有很多，各式各樣的電路設(shè)計(jì)數(shù)不勝數(shù)。較為多見的測(cè)量方法有RLC電橋法，RC振蕩器法，電流電壓法，運(yùn)算放大法。對(duì)于不同的精度要求用不同的測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。一般要求不是太高的用RC振蕩器法最為簡潔、方便、易于操作?，F(xiàn)在大多數(shù)用此方法即能滿足需要。然而我們很多時(shí)候需

17、要較為精確的得出電容的大小，尤其是測(cè)量PF級(jí)電容此方法根本滿足不了需要。對(duì)微弱電容的測(cè)量主要是由于電路中存在較多的雜散干擾，干擾電容的變化量大于被測(cè)電容的變化量，比較難被檢測(cè)。下面我來介紹一下電荷放大法微弱電容的檢測(cè)。</p><p>　　1.2 常見的電容檢測(cè)設(shè)計(jì)</p><p><b>　?、烹姌蚍?lt;/b></p><p>　　電橋法一般采

18、用RC或者LC電橋，可以通過調(diào)節(jié)兩邊的橋臂的阻抗大小來使得電橋平衡。電橋兩端分別輸入一樣的頻率的電壓值，振幅相同。通過將電容量的變化變成電壓值得變化。經(jīng)過運(yùn)放濾除雜波等電路后。得到與待測(cè)電容成正比的電壓變化量。此方法的精確度較高誤差較小。信噪比較高。一般用在精確測(cè)量中。但是整個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)每個(gè)電氣量的要求比較高很難同時(shí)滿足電壓的幅度和頻率的大小，抗雜散能力差并且在實(shí)際電路中不一定能達(dá)到仿真的效果。</p><p>&l

19、t;b>　　⑵調(diào)頻法</b></p><p>　　調(diào)頻法是基于電容-頻率轉(zhuǎn)換的方法來檢測(cè)所測(cè)電容的。與電橋法相同的是調(diào)頻法也是用RC電路和L-C電路以及Schmitt反相器實(shí)現(xiàn)，調(diào)頻法大的基本原理是把需要測(cè)量的電容接入調(diào)頻電路中，根據(jù)諧振頻率隨電容的變化而變化的多少來反計(jì)算電容的值，通過計(jì)數(shù)電路將頻率轉(zhuǎn)變成可測(cè)得的電壓量。原理如圖1-1所示:</p><p>　　圖1-1

20、調(diào)頻法原理框圖</p><p>　　調(diào)頻法的電路結(jié)構(gòu)比較簡單，AD轉(zhuǎn)換比較簡單，而且能夠選擇頻率較高的振蕩頻率，因而電路的靈敏度較高，能與微機(jī)直接匹配等。但因?yàn)闇y(cè)得的電容是諧振電路的等效電容值，其值還包含了傳感器的電容，所以電路的抗雜散電容能力比較差，同時(shí)存在頻率穩(wěn)定性差，輸出線性不高，低精度，存有溫漂現(xiàn)象，需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)葐栴}。</p><p><b>　?、请姾煞糯蠓?lt

21、;/b></p><p>　　運(yùn)放的放大倍數(shù)為α，且輸入阻抗Ω高的特點(diǎn)可以使其作為比較理想的電容測(cè)量電路，通常只要α、Ω值不小，沒什么數(shù)值出入，高精確度。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是電容檢測(cè)電路的非線性且能夠通過虛短虛地對(duì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線進(jìn)行屏蔽，缺點(diǎn)主要是因?yàn)檫\(yùn)放的電源電壓比較低，靈敏度受限制輸出穩(wěn)定性受信號(hào)發(fā)生器穩(wěn)定性及運(yùn)放本身的影響。電荷放大法及其改進(jìn)的電路原理圖如圖1-2下：</p><p>

22、;　　圖1-2電荷放大電路</p><p>　　其中為Cx待測(cè)電容,Cf是標(biāo)準(zhǔn)電容，并聯(lián)Rf反饋電阻，采用交流信號(hào)源作為測(cè)量的激勵(lì)源。電荷放大器與普通的運(yùn)放不一樣，因?yàn)殡姾煞糯笃鳈z測(cè)電路跟信號(hào)源無關(guān)，交流信號(hào)輸出恒壓。關(guān)鍵是影響的因素較少。</p><p>　　電荷放大器法的調(diào)節(jié)能力相當(dāng)強(qiáng)大。關(guān)鍵是它可以通過對(duì)運(yùn)放的靈活調(diào)整以提高電路的精確度，電路抑制寄生電容能力強(qiáng)，靈敏度高，分辨率高，此

23、檢測(cè)系統(tǒng)需要一個(gè)上兆赫茲的信號(hào)源并且用高性能的運(yùn)放，但它的性能更好，分辨率更高。 </p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</p><p>　　設(shè)計(jì)用電荷放大器的電容檢測(cè)電路；</p><p>　　電容測(cè)量精度能達(dá)到10pf；</p><p>　　用液晶顯示模塊直觀顯示測(cè)量結(jié)果；</p><p>　　基于M

24、SP430為主控芯片的電容檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2電容檢測(cè)系統(tǒng)</b></p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)框架</b></p><p>　　微小電容對(duì)激勵(lì)源輸入信號(hào)變化響應(yīng)很小，要經(jīng)過轉(zhuǎn)換系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)以方便檢測(cè)。這就要求信號(hào)源的頻率和幅度波動(dòng)要小，交流電壓信號(hào)還要經(jīng)過全波整流電路轉(zhuǎn)換為直流

25、信號(hào)，再經(jīng)過低通濾波器得到較為平滑的直流電壓信號(hào)然后經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片得到數(shù)據(jù)送給MCU經(jīng)過計(jì)算得到電容值并通過顯示電路直觀的顯示出來。</p><p>　　本文的基本原理是電荷放大法，針對(duì)微小電容測(cè)量的的需要，通過對(duì)微弱電容信號(hào)量變化的檢測(cè)研究，提出電荷放大器檢測(cè)電容方法，并引入了低噪聲信號(hào)調(diào)理概念給電路的普及應(yīng)用提供了有力優(yōu)勢(shì)，其基本原理框圖如圖2-1所示。</p><p>　　圖

26、2-1系統(tǒng)原理流程圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)的電容檢測(cè)系分別經(jīng)過激勵(lì)源電路然后將激勵(lì)信號(hào)送到電荷放大模塊，在把電荷放大器輸出的交流信號(hào)經(jīng)過全波整流處理，然后再把交流轉(zhuǎn)換為直流所以還要通過低通濾波器，再將得到的平穩(wěn)的直流信號(hào)經(jīng)過AD電壓采樣電路，最后經(jīng)過430單片機(jī)的計(jì)算處理然后顯示在LCD1602上面。電荷放大電路是整個(gè)電容檢測(cè)電路中的關(guān)鍵電路，該電路設(shè)計(jì)的抗雜散、抗干擾能力直接決定了整個(gè)電容檢測(cè)電路的測(cè)量的

27、精確度。</p><p>　　2.2檢測(cè)系統(tǒng)基本原理</p><p>　　電容檢測(cè)電路在檢測(cè)電容電路系統(tǒng)中是最重要的部分，因?yàn)樵陔娙輽z測(cè)系統(tǒng)中，被測(cè)電容變化量極其微弱，并且電路干擾電容很多，因此我們隊(duì)檢測(cè)電路的各項(xiàng)性能要求比較嚴(yán)格。本電容檢測(cè)電路采用的是電荷放大法如下圖2-2：</p><p>　　圖2-2 電容檢測(cè)電路</p><p>　　

28、此電路的是將電容兩端阻抗的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化。待測(cè)電容Cx兩端的阻抗值跟反饋電容Cf兩端的阻抗值在理想電路的狀態(tài)下，有以下公式：</p><p>　　Uo/Ui=Cx/Cf</p><p>　　如果Cf的值不變激勵(lì)電壓Ui也不變，整個(gè)電荷放大電路會(huì)得到一個(gè)與Cf值成比例的電壓值，并且跟激勵(lì)源的振蕩頻率有關(guān)，這也是整個(gè)電容檢測(cè)系統(tǒng)的原理所在。</p><p>　

29、　2.3電容檢測(cè)系統(tǒng)的雜散性分析</p><p>　　檢測(cè)電路的雜散電容會(huì)隨其他器件參數(shù)的更該而相應(yīng)有響應(yīng)，這樣會(huì)減小檢測(cè)電容電路的性能。由于待測(cè)電容的干擾性分析起來比較繁瑣，為了方便分析，電路等效為下圖所示的簡易電路：</p><p><b>　　圖2-3</b></p><p>　　C3等效為檢測(cè)系統(tǒng)里的干擾項(xiàng)。C1、C2是Cx跟零勢(shì)能點(diǎn)之

30、間的電容，R1、R2等效為導(dǎo)線等效電阻其值均小于1Ω。分析可知，只要設(shè)計(jì)的信號(hào)源頻率能夠穩(wěn)定的輸出，后面加個(gè)功率穩(wěn)定模塊，輸出能力穩(wěn)定，給出適當(dāng)?shù)膮?shù)，電路連接沒有問題的話，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力應(yīng)該可以滿足本設(shè)計(jì)的需要。</p><p>　　2.4 T形電阻網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　在大于0k的所有溫度下，所有的電子都是在處在無規(guī)律熱運(yùn)動(dòng)的平衡下的。因?yàn)闊o規(guī)律運(yùn)動(dòng)的方向是未知的，所有的

31、即時(shí)電流都不相干，因而沒有電流能被檢測(cè)到。然而持續(xù)的無規(guī)律運(yùn)動(dòng)可以發(fā)出約翰遜噪聲。噪聲的大小與器阻值的關(guān)系如下：</p><p>　　Vn2=4Kb.T.R.B(以V2/Hz為單位)</p><p>　　式中，Vn是噪聲幅度；Kb=1.38×10(-23)J/K；T是溫度；R是電阻；B是帶寬。</p><p>　　在常溫下，上面公式可化簡為的：V噪聲=4&

32、lt;/p><p>　　下圖為50Ω電阻在室溫下產(chǎn)生的噪聲功率：</p><p>　　圖2-4 50Ω電阻在室溫下產(chǎn)生的噪聲功率</p><p>　　所以對(duì)等效電阻阻值的精度要求較高，本設(shè)計(jì)加了反饋電阻的是為了使電容在不停的充放電中集成運(yùn)放不達(dá)到飽和狀態(tài)造成誤差干擾項(xiàng)，其電阻取值通常在MΩ的數(shù)量級(jí)大小，而阻值較大的電阻不穩(wěn)定，很可能產(chǎn)生溫漂，整個(gè)檢測(cè)電路系統(tǒng)的抗干擾能力

33、將會(huì)大打折扣。</p><p>　　為了提高電路的抗雜散低噪聲性能，本設(shè)計(jì)選擇了小阻值大阻抗低噪聲的T形電阻來減小噪聲的干擾。使得檢測(cè)電路的性能不減，加了T形電阻網(wǎng)絡(luò)后的電荷放大檢測(cè)模塊電路如下圖所示，</p><p>　　圖2-5 加了T型電阻后的電容檢測(cè)電路</p><p>　　等效電阻R等效=R1+R2+R1R2/R3，所以只要適當(dāng)改變兩者之間的比值，就能有效

34、的減小電流噪聲。若R1=200k，R2=200k,R3=2k，則等效阻值約為10兆。T型電阻網(wǎng)絡(luò)不僅不需要用大電阻還大大減小了電路噪聲的大小，使得電路的信噪比大大提高。</p><p>　　另外，為了確保電路的穩(wěn)定性，得到精確的測(cè)量值，我們應(yīng)選用精度較高的電阻與電容，同時(shí)采用穩(wěn)壓電源進(jìn)行穩(wěn)壓供電。電路系統(tǒng)中電荷放大器性能做的怎么樣將會(huì)影響整個(gè)檢測(cè)電路的性能。因此，電荷放大器在電路調(diào)試的時(shí)候一定要將元件的參數(shù)選擇好

35、最好都弄成可調(diào)的。</p><p>　　2.5 電容檢測(cè)電路Multisim仿真</p><p>　　Multisim電路仿真軟件是National Instruments公司2007年發(fā)行的電子電路設(shè)計(jì)軟件，該軟件易于學(xué)習(xí)和使用，尤其擅長在模擬電路部分的仿真測(cè)試，基本上能滿足絕大部分的電路模擬。仿真時(shí)若想更改元器件或改變?cè)骷?shù)，只需雙擊元器件直接更改元器件參數(shù)，具有模擬效率高，零成本

36、，效果精確等特點(diǎn)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)用Multism軟件對(duì)個(gè)電路模塊進(jìn)行分立仿真分析，逐個(gè)單元仿真，這樣有助于檢測(cè)錯(cuò)誤的地方，對(duì)后續(xù)的整體的電路設(shè)計(jì)和測(cè)試具有重要意義。本設(shè)計(jì)接下來的電路以及之前的電路仿真均采用Multism軟件進(jìn)行仿真。</p><p>　　下面的電容檢測(cè)電路就是在Multisim軟件下進(jìn)行的電路模擬仿真。仿真的截圖如下：</p><p>

37、;　　圖2-6電容檢測(cè)電路Multisim仿真</p><p>　　本設(shè)計(jì)的激勵(lì)源在仿真電路中用模擬信號(hào)發(fā)生器取代，正如之前的設(shè)定那樣，這里我們需要一個(gè)激勵(lì)頻率能達(dá)到1MHz，峰峰值能到1VPP即能滿足本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的激勵(lì)源需要。在Multisim仿真圖中可以直觀的看出電荷放大電路對(duì)信號(hào)的處理效果。下圖是電荷放大模塊波形在Multisim軟件中模擬示波器下的波形圖：</p><p>　　圖2-

38、7電荷放大模塊波形</p><p>　　3交流信號(hào)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1信號(hào)發(fā)生電路</b></p><p>　　信號(hào)發(fā)生電路是電容檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分之一，本設(shè)計(jì)采用的基本原理是電荷放大器法，而影響其檢測(cè)電路結(jié)果最重要的因素就是激勵(lì)信號(hào)源的波形以及信號(hào)的穩(wěn)定性，包括頻率穩(wěn)定性和幅度穩(wěn)定性兩個(gè)方面。</p&g

39、t;<p>　　3.1.1 信號(hào)波形選擇</p><p>　　信號(hào)波形的選擇，主要是方波和正弦波兩種。本設(shè)計(jì)中采用的是正弦波，主要考慮如下：</p><p>　　因?yàn)槠胀ǖ姆讲ㄈ绻盘?hào)頻率較高，經(jīng)過運(yùn)算放大器過后失真度比較大。因?yàn)轭l率分量一直在變化。所以作為信號(hào)源信號(hào)將會(huì)出現(xiàn)較大的失真，不能選作為信號(hào)波。 </p><p>　　所以本設(shè)計(jì)選擇了正弦波，

40、正弦波在波形傳輸方面能有效減小波形的失真度，從而提高檢測(cè)系統(tǒng)的性能。 </p><p>　　3.1.2 常見的信號(hào)產(chǎn)生電路</p><p>　　按照實(shí)現(xiàn)的原理以及電路需要的不同，正弦波信號(hào)發(fā)生電路主要包括以下幾種：</p><p><b>　　RC振蕩電路</b></p><p>　　要想建立振蕩就是要是電路能產(chǎn)生自

41、激，從而是RC電路產(chǎn)生持續(xù)的振蕩，由直流電變?yōu)榻惶娓姆较虻慕涣餍盘?hào)。對(duì)于RC振蕩器來說，直流電源就是能量來源。看自己的因素：由于電路中存在噪聲，他的頻譜分布很廣，其中也包括w=w0=1/RC這樣一個(gè)頻分。這種微弱的信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放，不僅輸出的幅度加大，經(jīng)過非線性元件的限制，自動(dòng)穩(wěn)定下來，達(dá)到平衡時(shí)Av=3。振蕩頻率是由相位平衡條件決定的，只有當(dāng)ψf=0，ψa=0時(shí)，才滿足相位平衡條件，所以振蕩頻率取決于f=1/（2πRc）。振蕩器要輸出正

42、弦波，還要求放大器的增益必須滿足起振條件且工作在線性區(qū)，否則不起振，輸出地波形也是非線性失真的。</p><p>　　采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩頻率產(chǎn)生電路稱為RC振蕩電路，它一般適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1Hz-1MHz的較低頻率信號(hào)。因?yàn)閷?duì)于RC振蕩電路來講，減小電阻R的大小即可提高輸出的頻率，而滑動(dòng)電阻器即可滿足需要是無需增加成本，但是缺點(diǎn)就是不是很穩(wěn)定不能用于精度較高的測(cè)量設(shè)計(jì)。</p>

43、<p><b>　?。?）晶體振蕩電路</b></p><p>　　晶體振蕩器電路可以等效成一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個(gè)電容的二端網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)諧振點(diǎn)，以頻率的大小分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。較低的頻率輸出是串聯(lián)諧振電路，較高的頻率輸出是并聯(lián)諧振電路。因?yàn)榫w自身的晶體特性致使這兩個(gè)頻率值大小相當(dāng)?shù)慕咏?在這個(gè)極窄的頻率帶寬內(nèi)，晶振等效為一個(gè)電感元件，所以只要晶振電路的兩

44、端并聯(lián)上適當(dāng)?shù)臏p震電容它就會(huì)組成并聯(lián)諧振電路。這個(gè)并聯(lián)諧振電路加到一個(gè)負(fù)反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的帶寬很小,所以即使其他元件的參數(shù)的變化對(duì)振蕩器的頻率不會(huì)有太大的影響。</p><p>　　鎖相環(huán)頻率合成器電路</p><p>　　利用PLL（鎖相環(huán)）頻率合成電路控制振蕩器的振蕩頻率。而且能產(chǎn)生較高的頻率。缺點(diǎn)就是電路設(shè)計(jì)比較繁雜，而且PLL器件比較貴。 &l

45、t;/p><p>　　直接數(shù)字式頻率合成器</p><p>　　簡稱DDS，近年來在電子行業(yè)領(lǐng)域迅速發(fā)展起來的DDS頻率產(chǎn)生器，幾乎能夠產(chǎn)生所有的波形信號(hào)。得到的信號(hào)頻率比較高且穩(wěn)定性較好。</p><p>　　3.2 晶體振蕩電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)對(duì)于所產(chǎn)生的正弦波信號(hào)只需要單一穩(wěn)定的頻率信號(hào)，不需要知道具體的頻率值，只要大概在1MH

46、z就能滿足本設(shè)計(jì)的需要。相比RC振蕩器而言頻率要穩(wěn)定的多；LC振蕩器的頁不能滿足本設(shè)計(jì)的需要，</p><p>　　在一般情況下，如果電路精度要求不高的電路可以使用RC振蕩頻器和LC振蕩頻器，精度和穩(wěn)定性LC振蕩器的溫度系數(shù)組件是不容易直接實(shí)現(xiàn)高精度電路的測(cè)量。而DDS技術(shù)與數(shù)字頻率合成器中的振幅和頻率穩(wěn)定性相對(duì)于由模擬電路產(chǎn)生的信號(hào)的穩(wěn)定性產(chǎn)生正弦波信號(hào)不具有此設(shè)計(jì)的某些優(yōu)點(diǎn)。 </p><

47、p>　　鑒于高品質(zhì)的晶體振蕩器對(duì)于環(huán)境因素影響的影響很小，越是頻率搞得電路越需要頻率的穩(wěn)定性要求在很多的高頻信號(hào)電路中多采用晶體振蕩電路作為信號(hào)源的發(fā)生電路。</p><p>　　本設(shè)計(jì)電路中的信號(hào)發(fā)生電路圖如下圖所示：</p><p>　　圖3-1晶體振蕩電路</p><p>　　晶振在振蕩頻率處應(yīng)為感性電抗，因此可通過與晶振串聯(lián)的可調(diào)電容對(duì)振蕩頻率進(jìn)行微調(diào)

48、。為晶體管的偏置電阻，這里晶體管的發(fā)射極電壓大致設(shè)為，選定即可。在科爾皮茲振蕩電路中，反饋電容之比非常重要，需要選用滿足波形與振蕩強(qiáng)度兩方面要求的值，通常取值在的范圍內(nèi)，電路容易產(chǎn)生振蕩。若要得到良好的波形，則電容值較大，但此時(shí)振蕩不容易穩(wěn)定，可能導(dǎo)致振蕩停止；若要得到振蕩穩(wěn)定的波形，則電容值較小，但此時(shí)波形容易失真，為此，需要根據(jù)電路反復(fù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選擇電容值。此外晶振振蕩電路仿真過程中起振時(shí)間較長，瞬態(tài)響應(yīng)中需要多運(yùn)行一段時(shí)間。仿真

49、結(jié)果表明：正弦波晶振電路的頻率穩(wěn)定性很好，長時(shí)間內(nèi)頻率保持不變，但實(shí)際電路中負(fù)載稍有變化時(shí)振蕩頻率發(fā)生變化，應(yīng)用中要在后面接入一電壓跟隨器。</p><p>　　由于在Multisim中無法仿真晶振電路故本設(shè)計(jì)將不對(duì)信號(hào)發(fā)生電路進(jìn)行仿真具體結(jié)果請(qǐng)直接參見晶體振蕩實(shí)物圖。</p><p>　　4 全波整流電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 全波整流電路</p&

50、gt;<p>　　全波整流電路也叫做絕對(duì)值電路，輸出電壓為輸入電壓的絕對(duì)值。全波整流電路在直流穩(wěn)壓電源電路中很常見，四個(gè)二極管構(gòu)成的整流橋就是最基本的全波整流。不過采用二極管的整流電路由于二極管固有的開啟電壓的影響，當(dāng)輸入電壓較低時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。輸出電壓也比輸入電壓小一個(gè)二極管的壓降，因此也就只能在穩(wěn)壓電源電路中使用，要是對(duì)小信號(hào)進(jìn)行處理，必須采用特性更好的精密全波整流電路。</p><p>　

51、　半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娦允沟盟哂凶顬橹苯拥恼鞴δ?，也是最為常見的整流器件，整流橋是它最為典型的?yīng)用。但是因?yàn)槎O管的導(dǎo)通壓降約為0.7V，因此，如果整流的信號(hào)幅度低于此導(dǎo)通壓降時(shí)，電路的整流效果將受很大影響，且二極管的正向?qū)妷弘S溫度的變化而變化，因此純碎由二極管構(gòu)成的整流電路精度肯定是達(dá)不到要求的，檢測(cè)得到的信號(hào)誤差比較大，進(jìn)而也會(huì)影響后面得到的檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定。</p><p>　　利用單電源運(yùn)放的跟隨

52、器的工作特性，也可以實(shí)現(xiàn)精密全波整流。單電源供電的運(yùn)放構(gòu)成的跟隨器，當(dāng)輸入信號(hào)大于0時(shí)，輸出跟隨輸入變化。當(dāng)輸入信號(hào)小于0的時(shí)候，輸出為0。利用這個(gè)特性可以構(gòu)成如下的電路。</p><p>　　當(dāng)輸入為正電壓時(shí)，等效電路如下：</p><p>　　輸出電阻 Rout = 0</p><p>　　Vout = Vin</p><p>　　當(dāng)輸入

53、為負(fù)電壓時(shí)，等效電路如下：</p><p>　　輸入電阻Rin = R1</p><p>　　輸出電阻 Rout = 0</p><p>　　Vout = - R2/R1 * Vin</p><p>　　在電路運(yùn)行時(shí)時(shí)要小心單電源運(yùn)放在信號(hào)很小時(shí)的非線性特性。而且，單電源跟隨器在輸入負(fù)信號(hào)時(shí)也會(huì)有有非線性情況。這些都有可能導(dǎo)致輸入波形的失真。

54、另外，輸入電阻隨輸入信號(hào)的極性也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，如果R1、R2 不相等，則增益也隨輸入信號(hào)的極性變化。</p><p>　　由上面的介紹與本電路設(shè)計(jì)的電荷放大器后得到的信號(hào)相當(dāng)于就是單電源。需要用運(yùn)算放大器來構(gòu)成的整流電路提供電壓補(bǔ)償，這樣就能夠解決一般二極管整流電路的缺點(diǎn)，可得到較為理想的整流性能，同時(shí)整流電路的溫度特性也被改善了很多。</p><p>　　4.2 全波整流電路的Mult

55、isim仿真</p><p>　　本設(shè)計(jì)電路選用ISL55002運(yùn)算放大器作為整流電路的運(yùn)放，該芯片具有300MHz的帶寬，300的轉(zhuǎn)換速率，能夠完成1MHz交流電壓的不失真整流,電路如下圖所示：</p><p><b>　　4-1全波整流電路</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)電路電荷放大模塊后的的全波整流電路由兩個(gè)高頻率增益帶寬的ISL55

56、002運(yùn)放組成，分別負(fù)責(zé)正反方向的放大作用，然后再經(jīng)過文氏整流橋進(jìn)行整流，可以大大減小元件誤差的影響。根據(jù)后面AD轉(zhuǎn)換電路的基準(zhǔn)電壓特性，電路設(shè)計(jì)的增益選為1，即選用兩個(gè)阻值相等的匹配電阻。綜述級(jí)電路要求，該全波整流電路可以滿足電路整流的需要。</p><p>　　但是Multisim軟件庫中沒有ISL55002芯片所以我們選用了與之相似的AD828芯片。仿真的Multisim電路如下圖：</p>

57、<p><b>　　4-2全波整流仿真</b></p><p>　　經(jīng)實(shí)際電路測(cè)試全波整流后的波形如下圖:</p><p><b>　　4-3示波器顯示</b></p><p>　　5 低通濾波電路設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 低通濾波器的選擇</p><p>

58、　　5.1.1低通濾波器的類型選擇</p><p>　　一階濾波器電路最簡單，但帶外傳輸系數(shù)衰減慢，一般在對(duì)帶外衰減性要求不高的場(chǎng)合下選用。無限增益多環(huán)反饋型濾波器的特性對(duì)參數(shù)變化比較敏感，在這點(diǎn)上它不如壓控電壓源型二階濾波器。當(dāng)要求帶通濾波器的通帶較寬時(shí)，可用低通濾波器和高通濾波器合成，這比單純用帶通濾波器要好。</p><p>　　5.2.2低通濾波器級(jí)數(shù)的選擇</p>

59、<p>　　濾波器的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)帶外衰減特殊性的要求來確定。每一階低通或高通電路可獲得-6dB每倍頻程（-20dB每十倍頻程）的衰減，每二階低通或高通電路可獲得-12dB每倍頻程（-40dB每十倍頻程）的衰減。多級(jí)濾波器串接時(shí)傳輸函數(shù)總特性的階數(shù)等于各級(jí)階數(shù)之和。當(dāng)要求的帶外衰減特性為-mdB每倍頻程（或mdB每十倍頻程）時(shí)，則取級(jí)數(shù)n應(yīng)滿足n大于等于m/6(或n大于等于m/20)。</p><p>

60、　　5.2 低通濾波電路及其仿真</p><p>　　雖然經(jīng)過全波整流電路后的電壓已經(jīng)是直流信號(hào)，但其中還是會(huì)含有較多的諧波成分的干擾，需要通過低通濾波電路處理得到包含待測(cè)電容信號(hào)的低頻直流信號(hào)成分使得結(jié)果更加精確。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)電路的激勵(lì)信號(hào)的頻率設(shè)定為1MHz，為了得到直流成分，本文所設(shè)計(jì)的低通濾波器主要用于濾除頻率為2MHz的高頻諧波。</p><p>　　為了減小帶寬的紋波增加過渡帶的

61、衰減速率，如果用無源濾波器的話，紋波比較大，衰減速率太慢不能滿足高頻衰減的需要。即使用串聯(lián)提高階次來加快衰減速率，由于受極間耦合的影響，效果會(huì)被衰弱。為了能滿足需要本設(shè)計(jì)電路用的是方便測(cè)試仿真的有源濾波電路，而且增益效果滿足需要，而且參數(shù)更改也比較方便。</p><p>　　為了能用較為簡潔的電路而又能達(dá)到不錯(cuò)的濾波效果，本設(shè)計(jì)電路選用二階壓控有源濾波器。</p><p><b>

62、;　　電路如下圖所示：</b></p><p><b>　　圖5-1低通濾波器</b></p><p>　　該有源濾波器是由兩節(jié)RC組成的運(yùn)放電路和一個(gè)同相放大器構(gòu)成，T形電阻滿足阻抗需要，幾乎沒有什么輸出電阻。因?yàn)榍爸秒娐返男盘?hào)源的頻率固定為1 MHz左右，經(jīng)過仿真調(diào)試，本設(shè)計(jì)的濾波器設(shè)計(jì)截止頻率為2MHz，此電路抗高頻干擾效果滿足本設(shè)計(jì)需要。</

63、p><p>　　此濾波電路的傳遞函數(shù)</p><p>　　G(s)= </p><p>　　全波整流電路后的信號(hào)經(jīng)過低通濾波器后的實(shí)際示波器波形如下：</p><p><b>　　圖5-2濾波顯示</b></p><p>　　6 AD轉(zhuǎn)換電路及MCU控制電路</p><p&

64、gt;　　6.1 AD轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　AD轉(zhuǎn)換電路是主要負(fù)責(zé)電路中數(shù)據(jù)的采集，主要是負(fù)責(zé)檢測(cè)電路得到的直流電壓采集后送到單片機(jī)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)將暫時(shí)存放在主控芯片的RAM區(qū)內(nèi)，在上位機(jī)需要的時(shí)候即可將數(shù)據(jù)送入MCU芯片內(nèi)。本設(shè)計(jì)的電容檢測(cè)電路中AD采集模塊需用的是ADC芯片AD7793。 </p><p>　　AD7793芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)接口如下圖所示：<

65、/p><p>　　圖6-1 AD7793芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　其主要管腳功能如下：</p><p>　　（1）、AIN1(+),AIN1(-),AIN2(+),AIN2(-):模擬輸入引腳。</p><p>　?。?）、IOUT1，IOUT2:內(nèi)部激勵(lì)電流源的輸出引腳，通過該引腳提供內(nèi)部激勵(lì)電流源，可將IEXC1或IEXC2切換至此輸

66、出。用戶通過編程設(shè)置內(nèi)部激勵(lì)電流源，電流設(shè)置可為。</p><p>　?。?）、CLK：時(shí)鐘輸入引腳。</p><p>　?。?）、CS：片選輸入端，低電平輸入有效，主要是來控制ADC的選擇?？赏ㄟ^MCU在串行總線上從多個(gè)器件的電路系統(tǒng)中選擇ADC?？捎猛鈬布⑵渲脼榈碗娖?，使ADC能夠在3線的模式下正常工作，通過SCLK,DIN和DOUT等引腳與外圍器件連接。</p>&

67、lt;p>　?。?）、SCLK:芯片的串行時(shí)鐘輸入引腳。</p><p>　　（6）、DIN:串行的數(shù)據(jù)輸入，主要用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的移位輸入寄存器。</p><p>　?。?）、DOUT/RDY:串行數(shù)據(jù)的輸出/數(shù)據(jù)就緒輸出端。 </p><p>　?。?）REFIN(+)/AIN3(+),REFIN(-)/AIN3(-):芯片內(nèi)部基準(zhǔn)IN和OUT引腳。<

68、/p><p>　?。?）、AVDD:電源電壓（2.5V至5.5V）。</p><p>　?。?0）、GND:接地基準(zhǔn)點(diǎn)。</p><p>　　AD7793采用了24位調(diào)制解調(diào)器，可以減少噪聲干擾并且提高系統(tǒng)的信噪比，具有很高的分辨</p><p>　　率和精 度。本設(shè)計(jì)中采用差分輸入方式，模擬信號(hào)從AIN1端輸入，參考電壓通過內(nèi)部恒流源</

69、p><p>　　外接精密電阻的方式實(shí)現(xiàn)。考慮到高空環(huán)境因素復(fù)雜，濕度變化明顯且迅速，不宜采樣過快，</p><p>　　故本電路設(shè)計(jì)中AD7793以10Hz的采樣速率對(duì)模擬輸入信號(hào)連續(xù)采樣，采樣信號(hào)經(jīng)緩沖器，可</p><p>　　編程增益放大，使其輸出電平滿足電荷平衡的要求，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過SPI總線輸出至MCU，其接</p><p><b&

70、gt;　　口電路如下圖所示:</b></p><p>　　圖6-2 AD7793連線圖</p><p>　　6.2 MCU控制電路</p><p>　　6.2.1 MSP430超低功耗單片機(jī)</p><p>　　在整個(gè)電路檢測(cè)系統(tǒng)中，MCU處于主控地位，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、計(jì)算算和信息交換等任務(wù)，所以對(duì)MCU的要求指數(shù)很高，此

71、外，若想想要有可移動(dòng)性，就得用電池供電，這樣，低功耗的特點(diǎn)就能顯現(xiàn)出來，檢測(cè)系統(tǒng)可以工作比較久。 </p><p>　　為了提高本檢測(cè)電路系統(tǒng)性能的，我們選擇了德州儀器公司的低功耗單片機(jī)MSP430F135，其主要特點(diǎn)有：</p><p><b>　　超低功耗</b></p><p>　　MSP430F135工作所需的電壓只有3.3V，而且

72、有好幾種低功耗模式可供選擇，輸入端口和輸出端口的最大漏電流不超過50nA。</p><p><b>　　處理能力強(qiáng)</b></p><p>　　MSP430F135低功耗單片機(jī)是16位處理器構(gòu)架，片內(nèi)采用RISC框架系統(tǒng)，且可以變頻處理功能相當(dāng)強(qiáng)大。</p><p><b>　　龐大的片內(nèi)資源</b></p>

73、<p>　　MSP430F135內(nèi)置看門狗（WDT），模擬比較器A，定時(shí)器A和B，串口0和1，硬件乘法器，12位ADC，總線，端口16，基本定時(shí)器功能等。并且MSP430 系列單片機(jī)的中斷系統(tǒng)較多，并且可以任意嵌套使用，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時(shí)，中斷喚醒時(shí)間只需1-6μs。</p><p><b>　　系統(tǒng)工作穩(wěn)定</b></p><p&g

74、t;　　當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位后，單片機(jī)起振器使單片機(jī)開始工作，以保證程序能夠正常開始執(zhí)行，上電復(fù)位結(jié)構(gòu)，使得MSP430系列單片機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高。</p><p><b>　　方便高效的開發(fā)環(huán)境</b></p><p>　　MSP430F135單片機(jī)屬于Flash類型的器件，片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口和可電擦寫的Flash存儲(chǔ)器，片上資源的應(yīng)用都在集成軟件上同一進(jìn)行，使用方

75、便，芯片便宜。</p><p>　　6.2.2 電源電路</p><p>　　因?yàn)镸SP430F135一般是由3.3V直流供電，考慮到主控系統(tǒng)要求供電電源電壓輸出穩(wěn)定且紋波較小，而且要顯示出整個(gè)檢測(cè)電路低功耗的優(yōu)勢(shì)，供電系統(tǒng)用穩(wěn)壓芯片LM1117進(jìn)行變壓，且LM1117具有很小的貼片式封裝和3.3V的穩(wěn)定電壓輸出，因而能有效地減少電路板的占用面積，其具體電路如圖6-3所示。</p&g

76、t;<p>　　圖6-3 LM1117+3.3V電源電路</p><p>　　6.2.3 晶振電路</p><p>　　晶振電路給430單片機(jī)正常工作提供穩(wěn)定的時(shí)鐘工作信號(hào)。430使用的是8MHZ的外接晶振與XT2輸入口相連構(gòu)成高頻振蕩器。使用32,768KHZ與XT1輸入口相連構(gòu)成低頻振蕩器。在石英晶體的兩個(gè)極板上加一個(gè)電場(chǎng)，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，對(duì)極板施加機(jī)械力使其變形，又

77、會(huì)在極板上產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，這叫壓電效應(yīng)。如果在兩個(gè)極板上加上交變的電壓，晶片便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形震蕩，同時(shí)這種機(jī)械震蕩還會(huì)產(chǎn)生交變的電場(chǎng)（比較的微?。钱?dāng)外加交變的電壓的頻率與晶片固有的頻率（由其形狀和尺寸決定）相等時(shí)，機(jī)械振動(dòng)的幅度會(huì)加劇，產(chǎn)生交變電場(chǎng)也增大。外接的16MHz的振蕩頻率晶振足以滿足各種工作頻率下的起振條件。其晶振電路模塊如下圖所示。</p><p>　　圖6-4 高速晶振電路</p>

78、<p>　　6.2.4 復(fù)位電路和JTAG接口電路</p><p>　　MSP430F135單片機(jī)的復(fù)位方式大概有有3種模式，即（1）在單片機(jī)的復(fù)位管腳端接上個(gè)幾十K的上拉電阻提供復(fù)位電壓；（2）在（1）的基礎(chǔ)上再接上蓄電電容，電容的一段接地，以保證電路有足夠的時(shí)間復(fù)位；（3）在（2）的基礎(chǔ)上，在上拉電阻上并聯(lián)一個(gè)二極管，以保證電路在系統(tǒng)斷電后立即上電。本設(shè)計(jì)電路采用的是第二種復(fù)位電路的方式，此外M

79、SP430F135單片機(jī)采用的是4線的JTAG接插座接口，即三種低功耗模式選擇TMS（低功耗模式選擇），時(shí)鐘信號(hào)管腳TCK，數(shù)據(jù)輸出引腳TDO，數(shù)據(jù)的輸入引腳TDI。如圖6-4所示。</p><p>　　圖6-4 復(fù)位電路與JTAG接口電路</p><p>　　6.2.5 串口通信電路</p><p>　　Msp430有兩個(gè)通用串口UART0和UART1.串口接收一

80、般采取中斷方式，而發(fā)送數(shù)據(jù)則多采用主動(dòng)方式。 接收控制部分與發(fā)送控制部分分別有兩個(gè)移位寄存器構(gòu)成。</p><p>　　因?yàn)镸SP430f135單片機(jī)能夠很方便的產(chǎn)生時(shí)鐘頻率，所以本設(shè)計(jì)電路中我用的是異步通信模式來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與電腦之間的數(shù)據(jù)通信。</p><p>　　因?yàn)楝F(xiàn)在的幾乎所有的電腦上都采用的是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口RS232，數(shù)據(jù)通信的接口電平值較大，因?yàn)橥ㄐ沤涌谌我庖桓盘?hào)線

81、的電勢(shì)都是反比例關(guān)系。而MSP430F135輸出的電壓電平值都比較小，而且是TTL正邏輯電平，所以我們要用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，使得TTL正邏輯電平能與RS232接口的電平進(jìn)行互相的轉(zhuǎn)化。其具體電平轉(zhuǎn)換電路如下圖所示:</p><p>　　6-5 電平轉(zhuǎn)換電路</p><p><b>　　6.3電源電路</b></p><p>　　電容

82、傳感器檢測(cè)系統(tǒng)中各電路板的芯片所需電壓值不一樣，振蕩電路需要+-5V的預(yù)算放大器芯片的工作電壓。而電荷放大器電路的運(yùn)放芯片的工作電壓是正負(fù)12V供電，AD轉(zhuǎn)換芯片所需電壓也只有3.3V,單片機(jī)的工作電壓也是3.3V。全波整流電路的運(yùn)放芯片可以和其他運(yùn)放芯片的正負(fù)5V電壓公用。</p><p>　　整個(gè)電路的供電系統(tǒng)我集成在同一個(gè)電路板上，這樣便于系統(tǒng)工作的穩(wěn)定，其電路如下圖所示：</p><p

83、>　　6-6 供電電源總電路</p><p>　　整個(gè)電容檢測(cè)系統(tǒng)采用的15V的電源供電，然后經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片LT3015轉(zhuǎn)換為負(fù)12V電壓。還需要將得到的15V電壓經(jīng)過LT1086轉(zhuǎn)換為+12V電壓，其電路的各電平轉(zhuǎn)換接口如圖6-6中+12V電源電路所示。</p><p>　　系統(tǒng)中穩(wěn)定的5V電壓的供電電源電路采用的是LT1761芯片，這是一款小功率，噪聲小，低壓差的正線性穩(wěn)壓芯片

84、，利用一個(gè)外部的0.01uf旁路電容，將輸出的噪聲量級(jí)降低至20db，其輸出電流為100mA，壓差最低只有0.3V，輸出電壓可調(diào)或固定，采用1輸出電容器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。本電路系統(tǒng)中采用LT1761固定輸出+5V線性電壓，其電路如圖6-6中+5V電源電路所示。</p><p>　　430單片機(jī)的+3.3V供電電壓電路所使用的是具有可固定低壓3.3V的線性穩(wěn)壓器LM1117芯片，可在低至1V壓差條件下穩(wěn)定運(yùn)作，其電路如圖6

85、-6中+3.3V模塊電源電路所示。</p><p>　　6.4 硬件電路的抗雜散設(shè)計(jì)</p><p>　　電容檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的得到的交流電壓變化量是微弱的。由于信號(hào)源的輸入信號(hào)的輸出很小，整個(gè)電路系統(tǒng)中的運(yùn)放芯片比較多，所以電路的誤差因素較多。為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的性能并且減少電路的電流噪聲，本電容檢測(cè)系統(tǒng)中需要采用適當(dāng)?shù)霓k法來減少和消除干噪聲現(xiàn)象。</p><p>&l

86、t;b>　　電源和地</b></p><p>　　圖6-6介紹的直流電源的穩(wěn)定性直接影響整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性能。紋波對(duì)電容檢測(cè)電路的雜散電容的干擾。所以電源最好能使用紋波電壓小的穩(wěn)壓電源。這是減少干擾的一部分。</p><p>　　本設(shè)計(jì)電路中采用LT3483轉(zhuǎn)換的+15V電壓供電，各個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片的電壓轉(zhuǎn)換之間要減小電路之間的干擾，提高電源的穩(wěn)定性，要接一個(gè)較大的電容來

87、去出電壓的紋波。接個(gè)小電容是為了去除各電路之間的耦合。元件焊接過程中最好使用錫接過線，這樣可以減少對(duì)整個(gè)電路造成誤差。</p><p><b>　　電容元件的選取</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)是電容檢測(cè)電路所以整個(gè)電路的電容要盡量選擇穩(wěn)定性較高的標(biāo)準(zhǔn)電容，而且電容值比較精確，計(jì)算結(jié)果的擬合度以及數(shù)據(jù)的線性度較為準(zhǔn)確。</p><p>&l

88、t;b>　　電路板的連接</b></p><p>　　為了減小各模塊之間的影響干擾我們對(duì)個(gè)電路模塊分別接地這樣可以確保整個(gè)電路的穩(wěn)定運(yùn)行并減少誤差的來源。</p><p><b>　　元件之間的走線</b></p><p>　　因?yàn)楸倦娐酚袀€(gè)激勵(lì)源極易對(duì)電路的運(yùn)行產(chǎn)生干擾可能影響電路的線性。所以我們?cè)诤附与娐窌r(shí)的走線盡量避開線

89、路密集的地方。走線盡量不要走斜線，遇到運(yùn)放芯片的輸入端要盡量避開，還要保持電路的美觀。</p><p><b>　　工藝</b></p><p>　　在電路焊接之前要在元件引腳上度點(diǎn)錫，這樣有助于焊錫時(shí)焊錫膏的勻稱。電路系統(tǒng)板上每一個(gè)模塊要留幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)以便調(diào)試時(shí)使用。</p><p>　　7電容檢測(cè)系統(tǒng)的性能分析</p><

90、p><b>　　7.1 性能指標(biāo)</b></p><p>　　為了檢驗(yàn)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的測(cè)電容的精確度標(biāo)準(zhǔn)，我們最后還需要電容檢測(cè)系統(tǒng)的性能分析通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合來分析電路線性度的的情況。主要就是看擬合直線的線性度怎樣。</p><p>　　7.2 信號(hào)發(fā)生器的波形測(cè)試</p><p>　　為了測(cè)量信號(hào)發(fā)生器的波形穩(wěn)定性我們要測(cè)量一部分的數(shù)據(jù)

91、進(jìn)行分析。我分段進(jìn)行記錄信號(hào)源的頻率，沒隔20秒鐘記錄一個(gè)數(shù)據(jù)。</p><p>　　數(shù)據(jù)表格如下表7-1：</p><p>　　表7-1 正弦波信號(hào)頻率穩(wěn)定性測(cè)試</p><p>　　正如表7-1的頻率顯示不難看出本振蕩電路的頻率比較穩(wěn)定，幾乎沒有波動(dòng)。</p><p>　　在記錄頻率的同時(shí)記下正弦波的峰峰值如表7-2所示：</p&g

92、t;<p>　　表7-2 正弦波信號(hào)的峰峰值測(cè)試</p><p>　　從表7-2的峰峰值可以看出此振蕩器的峰峰值滿足本設(shè)計(jì)電路的信號(hào)源要求。 誤差不超過5mv。</p><p>　　7.3 檢測(cè)電路的性能檢測(cè)分析</p><p>　　7.3.1 檢測(cè)分析的目的</p><p>　　電路各模塊已經(jīng)設(shè)計(jì)完成接下來需要做的就是對(duì)設(shè)計(jì)的

93、這些模塊的性能進(jìn)行測(cè)試分析。檢測(cè)系統(tǒng)能否滿足設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　7.3.2 檢測(cè)內(nèi)容</p><p>　　電源設(shè)計(jì)電路將待檢測(cè)的電容插入檢測(cè)系統(tǒng)中。每過1秒鐘記下一組濾波電流后的直流電壓值，經(jīng)過430處理電壓與電容值的關(guān)系并將電壓的變化顯示成電容的變化。檢測(cè)的數(shù)據(jù)如表7-3所示，</p><p>　　表7-3電容檢測(cè)系統(tǒng)擬合測(cè)試</p>

94、<p>　　通過表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性的擬合得到以下的的公式如圖7-4，</p><p>　　圖7-4數(shù)據(jù)的線性擬合</p><p>　　從數(shù)據(jù)的擬合程度可以看出本設(shè)計(jì)電路的靈敏度基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)要求，誤差最大不超過0.6mv，線性度有些許偏差，地阿但都在最大誤差范圍內(nèi)。</p><p>　　電荷放大電路的性能直接決定了電容檢測(cè)的精確度以及電路噪聲的水平。

95、當(dāng)采用AD828芯片是外加T型電阻網(wǎng)絡(luò)電路的噪聲幾近沒有，檢測(cè)系統(tǒng)可以安靜的運(yùn)行。在測(cè)量與反饋電容接近的電容值時(shí)，測(cè)量結(jié)果非常準(zhǔn)確而且沒有波動(dòng)。這就說明測(cè)量不同容值的電阻時(shí)反饋電容的取值也隨之改變，不然待測(cè)電容兩端的電壓幅值將比較大，測(cè)量難度加大。因此本電路的反饋電容是可調(diào)的。相當(dāng)于電容表有不同大小的檔位。</p><p>　　經(jīng)過對(duì)本設(shè)計(jì)的電容檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量以及數(shù)據(jù)的分析得出該電路的抗干擾性能較強(qiáng)。線性度好分辨

96、率比較高，噪聲小，滿足預(yù)期的目標(biāo)。 </p><p><b>　　7.4 附圖</b></p><p>　　為了便于調(diào)試所以沒有對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行集成實(shí)物圖如下：</p><p>　　兩個(gè)淺綠色電容分別是待測(cè)電容和反饋電容，程序里暫只設(shè)了兩個(gè)反饋電容100pf和1000pf。</p><p><b>　　8 總結(jié)與

97、體會(huì)</b></p><p>　　8.1 本系統(tǒng)存在的問題及改進(jìn)措施</p><p>　　本設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在于微小電容對(duì)激勵(lì)源輸入信號(hào)變化響應(yīng)非常微弱，本文提出的電荷放大法從仿真電路可以看出有效精確的測(cè)量到了微弱電容的變化。因?yàn)榧釉诖郎y(cè)電容上的激勵(lì)源要經(jīng)過一系列的處理，才能捕獲到我們想要的電壓響應(yīng)。大多的電容檢測(cè)電路需要將微弱的電容信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放轉(zhuǎn)換為容易測(cè)得的交流電壓信號(hào)。這就

98、要求信號(hào)源的頻率和幅度波動(dòng)要小，交流電壓信號(hào)還要經(jīng)過全波整流電路轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，再經(jīng)過低通濾波器得到較為平滑的直流電壓信號(hào)然后經(jīng)過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片得到數(shù)據(jù)送給MCU經(jīng)過計(jì)算得到電容值并通過顯示電路直觀的顯示出來。本設(shè)計(jì)還考慮到了檢測(cè)系統(tǒng)電路輸出的交流信號(hào)線性度較差這一問題，通過在不超運(yùn)放芯片帶寬增益的情況下適當(dāng)改變信號(hào)源的頻率有效的增強(qiáng)了數(shù)據(jù)結(jié)果的線性度，使得檢測(cè)系統(tǒng)能夠滿足測(cè)量的需要。</p><p><

99、;b>　　8.2 心得體會(huì)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)主要涉及的重難點(diǎn)都是模擬電路的知識(shí)加上本設(shè)計(jì)電路的信號(hào)源頻率比較高，實(shí)際電路難免會(huì)有誤差，而且電路中雜散電容比較多，細(xì)微的干擾及噪聲都會(huì)產(chǎn)生較大的變化。誤差的可變范圍將會(huì)更大。還好可以通過改變信號(hào)源頻率做響應(yīng)的還進(jìn)實(shí)際電路中的信號(hào)源頻率可能不一定是事先定的理想狀態(tài)的頻率。通過本次設(shè)計(jì)電路的過程我感受到了電路設(shè)計(jì)不是想象的那么想當(dāng)

100、然。尤其是模擬電路方面，可能初學(xué)電子電路設(shè)計(jì)的人會(huì)對(duì)數(shù)字電路以及單片機(jī)的學(xué)習(xí)比較感興趣，因?yàn)槟切﹩纹瑱C(jī)啊譯碼器啊加法器乘法器還有各類的傳感器芯片AD芯片等都是很直觀的數(shù)字量的變化。而且會(huì)對(duì)自己做的一些小小的設(shè)計(jì)沾沾自喜。總會(huì)覺得小有成就的樣子，確實(shí)，包括我，說實(shí)話我對(duì)模擬電路真的不敢興趣，但是為了能更好的學(xué)習(xí)電子電路設(shè)計(jì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)還是選擇了模電。盡管還是有好多電路知識(shí)不懂，但是在導(dǎo)師的諄諄教導(dǎo)下還是有了不少的進(jìn)步，在這里真的得感謝我的

101、導(dǎo)師在這段時(shí)間里對(duì)我不厭其煩的教導(dǎo)。讓我在這段時(shí)間里學(xué)到了不少的東西。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 稻葉保.振蕩電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京.科學(xué)出版社.2004</p><p>　　[2] 曾凡林，鐘少龍.MEMS加速度計(jì)信號(hào)光電檢測(cè)電容檢測(cè)的噪聲分析.傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2008</p>

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