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C2a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 二
i始1?3C2
-Vi
jaR3cL+1
当jsR3cl»1时，有
此时，输出电压值正比于被测电容值。
2、电路结构图
振荡电路
C/V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）
R5
R4
10k| ?
C2 士5nF
^GND
vcC5V
U1A
R1 5 C1
AAA 1 卜
10kI? 5nF
VCC
VDD LM324M
VDD
47k|? -15V
Key=A 40%
,R3 10k|?
R2
-WV_*
10k| ?
D1
2 j
1N1202c
D2
-14~
1N1202ND
IO1
*
IO1
—□
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/(2nRC),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耐右电阻量适宜，过大过小都会产生振荡发散。
(3)C/V转换电路(cv)
零点和C4地测量范围（具体见第五部分方案一）。具体操作时：R独值尽量大，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）。
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
处采用电容口型滤波电路。具体操作时：CSC6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。
⑸放大电路（fd）
放大电路（差动比例运算电路）：当R9=R1«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
•放大倍数
R11、R12的取值最好在千
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,
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。
贝Ui*R14=U-=Ui
i=Ui/R14=K*Ui(K=1/R)
由于Ui=1~5V,i=4~20MA
所以R14=250欧
图