基于Multisim軟件的簡易電容測量電路的實踐案例設計

摘要：隨著電子技術的飛速進步，電容容值測量的準確性在電路設計、調試流程以及電子產品制造等眾多領域內的重要性愈發顯著。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，設計并實現了一款功能實用的簡易電容測量電路。該電路采用容抗測量原理，實現了被測電容容值與直流輸出電壓之間10倍的線性關系標定，其測量范圍覆蓋0.1μF至1μF，對應輸出電壓范圍為1V至10V。通過此電容測量電路的設計與調試實踐，不僅能夠有效鍛煉學生的知識綜合運用能力和工程實際操作技能，同時也為模擬電子線路課程的教學提供了生動的實踐案例，顯著增強了教學效果與學習質量。

關鍵詞：Multisim；模擬電子線路；電容表；工程實踐能力

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）20-0147-04

0引言

在電子領域，電容作為一種基礎且至關重要的電子元件，廣泛應用于消費電子產品、工業控制系統、通信基站等多個層面。電容值的精確測量對于確保電子電路的穩定運行與性能優化，具有至關重要的作用。在復雜電路設計與調試中，準確的電容值測量能保障系統功能的實現，避免不穩定性和故障的發生。此外，在電子產品制造過程中，電容容值的精確控制是保障產品質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、確保系統穩定運行具有重要意義。

傳統的電容測量儀器成本高、體積大，限制了其應用范圍。本文利用Multisim軟件[1-3]設計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計與實現過程，培養學生的實際電路設計能力，提升學生面對復雜工程問題時的分析與解決能力[4-7]。

1簡易電容表測量電路的系統設計

1.1設計技術指標要求

簡易電容表測量電路采用容抗法測量給定電容的容值，其設計技術指標要求如表1所示。

1.2方案分析與設計

本設計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、電容電壓轉換電路、交/直流電壓轉換電路、低通濾波電路四部分組成。

正弦波振蕩電路負責產生400Hz的正弦波，作為測試信號。鑒于RC正弦波振蕩電路結構簡單、易于實現和調節，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，須通過電容電壓轉換電路將其轉換為電量，便于后續電路處理。由于電容電壓轉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算電路將被測電容轉換成對應的電壓信號輸出。為確保輸出電壓與被測電容容值之間呈現線性比例關系，電容電壓轉換電路采用反相比例運算電路。此外，相比于同相比例運算電路，反相比例運算電路具有等效共模輸入為零的特性，對運算放大器的共模抑制能力要求相對較低。

為了實現直流電壓輸出，設計采用了交/直流電壓轉換電路進行整流，將交流信號轉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，電容電壓轉換電路的輸出電壓幅值相應減小，而傳統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，本設計采用全波精密整流電路，以確保微弱電壓信號也能實現高精度的整流輸出。

低通濾波電路的主要功能是濾除交/直流電壓轉換電路所產生的單向脈動輸出電壓中的交流成分，僅保留其直流分量。為實現被測電容容值與直流輸出電壓之間的10倍線性關系標定，本設計采用有源低通濾波器。該設計不僅能有效實現濾波功能，同時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計

2.1正弦波振蕩電路的設計

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）表示電容電壓轉換電路的輸出ucx、通道C（藍色線）表示交/直流電壓轉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/直流電壓轉換電路中反相加法運算電路的輸出uo。

根據示波器測試結果，通道A光標1與光標2的時間差約為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，與理論設計的測試信號頻率400Hz基本吻合。此外，光標1所示通道A信號的峰值約為1.68V，與理論公式（5）的計算結果相符，證明正弦波振蕩電路設計正確。

根據圖7可知，光標2測得通道B的輸出電壓ucx峰值約為2.19V，與根據公式（7）計算的理論值相符；光標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系；光標2測得通道D的輸出電壓uo峰值約為2.41V，與根據公式（8）計算的理論值相符，且其波形與ucx的波形滿足全波整流關系，證明交/直流電壓轉換電路設計正確。此時萬用表1的示數為4.99V，與理論設計的輸出直流電壓與被測電容的關系相符。

根據圖8可知，當被測電容Cx為0.1μF，其直流電壓輸出為994mV。根據圖9可知，當被測電容Cx為1μF，其直流電壓輸出約為10V。

表2詳細列出了簡易電容表測量的實驗結果，從中可以觀察到，測量值與真實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原因：其一，測試信號頻率的偏差，理論上正弦波振蕩電路應輸出400Hz的信號，而實際設計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質上是對電容C4的充電過程，在幾秒的充電時間內讀取的測量值，會引入一定的誤差。

綜上所述，本研究所設計的簡易電容表測量電路能夠實現對0.1μF至1μF范圍內電容值的測量，并采用直流電壓進行數值顯示，其中直流電壓的顯示值與待測電容容值之間滿足10線性關系定標。

4結論

本文基于Multisim仿真技術，依據既定的設計指標要求，系統地進行了電路設計、元器件參數的選取以及系統性能的全面測試，最終設計并實現了一款簡易電容表測量電路。所設計的電路方案具有體積小、低成本、易于實現的特點，但其測量范圍相對有限，且存在一定誤差，因此后續研究將聚焦于如何提高其測量精度及擴展測量范圍。將此實踐案例融入課堂教學課堂，不僅能夠加深學生對模擬電子線路課程理論知識的理解與掌握，還能有效培養學生的綜合實踐能力、創新思維以及解決復雜工程問題的能力，進而提升教學效果。

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【通聯編輯：王力】