基于Multisim軟件的簡易電容測量電路的實(shí)踐案例設(shè)計(jì)

摘要：隨著電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，電容容值測量的準(zhǔn)確性在電路設(shè)計(jì)、調(diào)試流程以及電子產(chǎn)品制造等眾多領(lǐng)域內(nèi)的重要性愈發(fā)顯著。文章依托Multisim仿真軟件平臺，巧妙融合了模擬電子線路課程中的理論知識，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款功能實(shí)用的簡易電容測量電路。該電路采用容抗測量原理，實(shí)現(xiàn)了被測電容容值與直流輸出電壓之間10倍的線性關(guān)系標(biāo)定，其測量范圍覆蓋0.1μF至1μF，對應(yīng)輸出電壓范圍為1V至10V。通過此電容測量電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試實(shí)踐，不僅能夠有效鍛煉學(xué)生的知識綜合運(yùn)用能力和工程實(shí)際操作技能，同時(shí)也為模擬電子線路課程的教學(xué)提供了生動的實(shí)踐案例，顯著增強(qiáng)了教學(xué)效果與學(xué)習(xí)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Multisim；模擬電子線路；電容表；工程實(shí)踐能力

中圖分類號：G642文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）20-0147-04

0引言

在電子領(lǐng)域，電容作為一種基礎(chǔ)且至關(guān)重要的電子元件，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、工業(yè)控制系統(tǒng)、通信基站等多個(gè)層面。電容值的精確測量對于確保電子電路的穩(wěn)定運(yùn)行與性能優(yōu)化，具有至關(guān)重要的作用。在復(fù)雜電路設(shè)計(jì)與調(diào)試中，準(zhǔn)確的電容值測量能保障系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，避免不穩(wěn)定性和故障的發(fā)生。此外，在電子產(chǎn)品制造過程中，電容容值的精確控制是保障產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的核心要素。因此，電容容值的精確測量對于提升整體電路性能、確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

傳統(tǒng)的電容測量儀器成本高、體積大，限制了其應(yīng)用范圍。本文利用Multisim軟件[1-3]設(shè)計(jì)了一款簡易電容表測量電路，旨在提供一種低成本、易操作的電容測量方案。通過簡易電容表電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際電路設(shè)計(jì)能力，提升學(xué)生面對復(fù)雜工程問題時(shí)的分析與解決能力[4-7]。

1簡易電容表測量電路的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求

簡易電容表測量電路采用容抗法測量給定電容的容值，其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求如表1所示。

1.2方案分析與設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于容抗法測量電容容值，簡易電容表測量電路的原理框圖如圖1所示，主要由正弦波振蕩電路、電容電壓轉(zhuǎn)換電路、交/直流電壓轉(zhuǎn)換電路、低通濾波電路四部分組成。

正弦波振蕩電路負(fù)責(zé)產(chǎn)生400Hz的正弦波，作為測試信號。鑒于RC正弦波振蕩電路結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)和調(diào)節(jié)，正弦波振蕩電路采用RC橋式正弦波振蕩電路，以降低簡易電容表的成本。

被測電容容值是非電量，須通過電容電壓轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為電量，便于后續(xù)電路處理。由于電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入信號為400Hz正弦波，即其輸入信號頻率固定，被測電容的容抗亦固定，因此可以利用比例運(yùn)算電路將被測電容轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓信號輸出。為確保輸出電壓與被測電容容值之間呈現(xiàn)線性比例關(guān)系，電容電壓轉(zhuǎn)換電路采用反相比例運(yùn)算電路。此外，相比于同相比例運(yùn)算電路，反相比例運(yùn)算電路具有等效共模輸入為零的特性，對運(yùn)算放大器的共模抑制能力要求相對較低。

為了實(shí)現(xiàn)直流電壓輸出，設(shè)計(jì)采用了交/直流電壓轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行整流，將交流信號轉(zhuǎn)換為單向脈動直流信號。然而，在被測電容容值相對較小的情況下，電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓幅值相應(yīng)減小，而傳統(tǒng)的二極管整流電路的輸出僅反映整流輸入信號幅值大于二極管開啟電壓的部分，對于微弱信號的整流能力有限。因此，本設(shè)計(jì)采用全波精密整流電路，以確保微弱電壓信號也能實(shí)現(xiàn)高精度的整流輸出。

低通濾波電路的主要功能是濾除交/直流電壓轉(zhuǎn)換電路所產(chǎn)生的單向脈動輸出電壓中的交流成分，僅保留其直流分量。為實(shí)現(xiàn)被測電容容值與直流輸出電壓之間的10倍線性關(guān)系標(biāo)定，本設(shè)計(jì)采用有源低通濾波器。該設(shè)計(jì)不僅能有效實(shí)現(xiàn)濾波功能，同時(shí)兼具信號幅值放大的作用，從而滿足特定測量需求。

2簡易電容表測量電路的單元電路設(shè)計(jì)

2.1正弦波振蕩電路的設(shè)計(jì)

3簡易電容表測量電路的性能測試

簡易電容表測量電路的整體性能測試結(jié)果如圖7至圖9所示，其中萬用表1用于測量最終的直流輸出電壓值UO，示波器輸出通道A（紅色線）表示正弦波振蕩電路的輸出ui、通道B（綠色線）表示電容電壓轉(zhuǎn)換電路的輸出ucx、通道C（藍(lán)色線）表示交/直流電壓轉(zhuǎn)換電路中半波精密整流電路的輸出uo1、通道D（黑色線）表示交/直流電壓轉(zhuǎn)換電路中反相加法運(yùn)算電路的輸出uo。

根據(jù)示波器測試結(jié)果，通道A光標(biāo)1與光標(biāo)2的時(shí)間差約為680μs，即正弦波輸出的四分之一周期，可得正弦波振蕩器的輸出信號周期約為680×4=2720μs，即頻率約為368Hz，與理論設(shè)計(jì)的測試信號頻率400Hz基本吻合。此外，光標(biāo)1所示通道A信號的峰值約為1.68V，與理論公式（5）的計(jì)算結(jié)果相符，證明正弦波振蕩電路設(shè)計(jì)正確。

根據(jù)圖7可知，光標(biāo)2測得通道B的輸出電壓ucx峰值約為2.19V，與根據(jù)公式（7）計(jì)算的理論值相符；光標(biāo)2測得通道C的輸出電壓uo1峰值約為2.19V，且uo1的波形與ucx的波形滿足半波整流關(guān)系；光標(biāo)2測得通道D的輸出電壓uo峰值約為2.41V，與根據(jù)公式（8）計(jì)算的理論值相符，且其波形與ucx的波形滿足全波整流關(guān)系，證明交/直流電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)正確。此時(shí)萬用表1的示數(shù)為4.99V，與理論設(shè)計(jì)的輸出直流電壓與被測電容的關(guān)系相符。

根據(jù)圖8可知，當(dāng)被測電容Cx為0.1μF，其直流電壓輸出為994mV。根據(jù)圖9可知，當(dāng)被測電容Cx為1μF，其直流電壓輸出約為10V。

表2詳細(xì)列出了簡易電容表測量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從中可以觀察到，測量值與真實(shí)值之間存在一定程度的誤差，且最大誤差為0.6%。此誤差主要源自以下兩個(gè)原因：其一，測試信號頻率的偏差，理論上正弦波振蕩電路應(yīng)輸出400Hz的信號，而實(shí)際設(shè)計(jì)中的正弦波頻率約為398Hz；其二，低通濾波電路在濾波過程中實(shí)質(zhì)上是對電容C4的充電過程，在幾秒的充電時(shí)間內(nèi)讀取的測量值，會引入一定的誤差。

綜上所述，本研究所設(shè)計(jì)的簡易電容表測量電路能夠?qū)崿F(xiàn)對0.1μF至1μF范圍內(nèi)電容值的測量，并采用直流電壓進(jìn)行數(shù)值顯示，其中直流電壓的顯示值與待測電容容值之間滿足10線性關(guān)系定標(biāo)。

4結(jié)論

本文基于Multisim仿真技術(shù)，依據(jù)既定的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，系統(tǒng)地進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)、元器件參數(shù)的選取以及系統(tǒng)性能的全面測試，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款簡易電容表測量電路。所設(shè)計(jì)的電路方案具有體積小、低成本、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，但其測量范圍相對有限，且存在一定誤差，因此后續(xù)研究將聚焦于如何提高其測量精度及擴(kuò)展測量范圍。將此實(shí)踐案例融入課堂教學(xué)課堂，不僅能夠加深學(xué)生對模擬電子線路課程理論知識的理解與掌握，還能有效培養(yǎng)學(xué)生的綜合實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維以及解決復(fù)雜工程問題的能力，進(jìn)而提升教學(xué)效果。

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【通聯(lián)編輯：王力】