文档介绍：任务一:电容传感器电路的仿真(5天)一、主要内容及步骤理解电容传感器电路的主要构成及其工作原理,并应用multisim软件对电容传感器电路进行仿真分析,步骤如下:1、理解电容传感器电路的工作原理。2、熟悉multisim软件的基本使用方法。3、在multisim环境中构建电容传感器电路。4、对电容传感器电路进行仿真分析。二、电容传感器电路电容传感器电路实现了对电容式传感器的电容值的检测。当传感器电容值变化时电路的输出也会产生相应的变化。在本次仿真研究中应用RC振荡电路产生正弦电压信号,应用交流型电容电压转换电路实现由传感器电容值到正弦电压信号幅值的转换,应用整流滤波电路实现交直转换,应用差动及反向放大电路对直流电压信号进行处理,最后应用电压电流转换电路实现4—20mA电流输出。1、交流型C/V转换电路正弦信号Vi对被测电容C2进行激励,激励电流流经由反馈电阻R3,反馈电容C1,和运放组成的检测器转换成交流电压Vo。Vo=-jωR3C2jωR3C1+1Vi当jωR3C1≫1时,有Vo=-C2C1Vi此时,输出电压值正比于被测电容值。振荡电路2、电路结构图C/V转换电路整流滤波电路放大电路V/I转换电路 在本任务中,除使用指定的C/V转换电路外,其它各部分电路的实现形式不作限制。三、电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理可以用平板电容器来说明。平板电容器是由两个金属极板、中间夹一层电介质构成的。当忽略边缘效应时,其电容器的电容量为C=A1*A2*S/D=A*S/D式中:A1——真空介电常数A2——相对介电常数A——电容极板间的介电常数D——极板间的距离S——极板正对面积由式可知,要想使电容器的电容量发生变化,有三种方法:改变面积(S)、改变极距(D)、改变介质(A)四、具体电路图与分析(1)总体结构连线图XSC#示波器XMM万用表GND接地端(2)振荡电路(zd)产生正弦波信号,采用文氏桥式RC振荡器,起振条件:R5+R2>2R3,振荡频率F0=1/(2RC),C1、C2取值在nf级,且取在1~30nf之间为宜,相对地C1、C2取值越小F0越大,正弦信号产生迅速。D1、D2作用:为了使输出幅度稳定,同时在运放反向端加入负反馈支路,支路中D1、D2起稳幅作用,当输出幅度增大时,处于导通状态的二极管的正向压降随之增大,正向电阻减小,使负反馈深度加深,迫使输出减小,达到稳幅的目的。R5用于调节负反馈的大小,以便使输出符合设计要求,此处R5取40%左右电阻量适宜,过大过小都会产生振荡发散。(3)C/V转换电路(cv)此处我采用了一个补偿电容C7,使得对可变电容地变化范围可控,同时改变C7、C3可以调节零点和C4地测量范围(具体见第五部分方案一)。具体操作时:R3取值尽量大,C1最好与振荡电路中电容级别一致,保证较快的响应速度(原因见第二部分讲析)。(4)直流滤波电路(zllb)整流电路的任务是将交流电变换成直流电。二极管具有单向导电特性,可以将交流变换为单一方向的直流,此处采用桥式整流电路。滤波电路是尽量降低输出电压的波纹,同时还要尽量保留其中的直流成分,使输出电压更加平滑,接近直流电压。电容器和电感器是基本的滤波元件,主要利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器两端的电流不能突变的特点,此处采用电容∏型滤波电路。具体操作时:C5、C6相等且为nf级以保证高响应速度,R8取值尽量大,才能达到平稳的电压输出信号。(5)放大电路(fd)放大电路(差动比例运算电路):当R9=R11、R10=R12时,I02=K*(I03-I01),K=R12/R11。(I03-I01)————前向整流滤波电路的输出电压K———放大倍数具体操作时:K的取值取决于输入输出信号所需满足的比例关系,R11、R12的取值最好在千欧级以接近理想运放的虚短条件。(6)V/I转换电路(vi)采用同相输入的电压/电流变换器。设流过R16两端电流为i,同相端输入为Ui。则i*R14=U-=Uii=Ui/R14=K*Ui(K=1/R)由于Ui=1~5V,i=4~20MA所以R14=250欧图1:振荡电路产生的正弦波信号图2:振荡电路产生的正弦波与其经C/V转换后形成的正弦波信号叠加图3:可变电容量在10%,90%时放大电路输出信号波形与V/I输出电流值五、零点调整与量程调整方案一:改变C/V转换电路中的C7和C3值,达到零点调整和量程调整。原因:信号经过C/V、整流滤波、放大、V/I环节,输入输出都成线性关系。如图:C7==10nfC4=(不变)零点未迁移前当C4=*10%=,对应输出1V---,设A=(C7+C4)/C3=,对应输出1V---=*90%=