基于Multisim 的电容传感器实验仿真与分析

2018-08-28王琰琳储修红

绥化学院学报 2018年9期

杨钊吴睿王琰琳储修红

（1.安徽新华学院电子通信工程学院；2.安徽新华学院土木与环境工程学院安徽合肥 230088）

电容传感器结构简单、易实现非接触测量、动态响应快，在应力、加速度、液位、位移、湿度等测量中被广泛应用。Multisim是一款由美国国家仪器（NI）有限公司研发的，以Windows为基础的仿真软件，其内部包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力，可用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。本文将Multisim14.0软件应用于传感器实验中，以电容传感器为例，仿真了其测量电路并阐述了电路原理，最终得出结论。

一、系统总体设计

本文所设计的电容传感器测量电路主要包括信号发生模块、二极管双T形电路、放大电路部分。具体结构如下图所示。

图1 电容传感器测量电路结构框图

二、电路各模块设计

（一）信号发生模块。电容式传感器电路需要一个信号输入，所以首先设计的是信号发生模块。如图2所示，使用555芯片与各电器元件，组合成一个信号发生模块，可产生周期为100μs、幅值为±5V、占空比为50%的方波。图3为波形显示。

图2 信号发生模块电路图

图3 信号发生模块波形显示

（二）二极管双T形电路。电容传感器输出小，易受干扰。在本次设计中，传感器使用差动结构，可提高其灵敏度，减小非线性误差，稳定性高。本次设计选用二极管双T形电路，电路原理图如图4所示，该图中C1、C2为一组差动电容传感器。C1增大时C2减小，C1减小时C2增大，且ΔC1=ΔC2。如图5所示，此时将二极管理想化，当电源为正半周时，电路等效成典型的一阶电路。二极管D1短路、D2开路，电容C1在极其短的时间内被充电，所以它的影响可以不考虑，UE为电容C2的电压初始值。

图4 二极管双T形电路总图

图5 二极管双T形电路正半周图

根据一阶电路时域分析的三要素法，电容C2上流过的电流iC2如下式计算：

当[R+(RRL)/(R+RL)]C2＜＜T/2时，电流 iC2的平均值 IC2可如下式计算：

同理，当电源为负半周时，电容C1上流过的平均电流IC1为：

所以，负载RL上的电压为：

该模块电路设计图如图6所示。

图6 二极管双T形电路设计图

（三）放大电路。电容传感器输出信号很小，需要后级放大。放大电路设计如图7所示，该部分选用芯片OP07。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性（双电源供电）运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。本次设计中，放大倍数为10倍。

图7 放大电路设计图

三、电路仿真与数据分析

（一）电路仿真。在Multisim平台上，对整个电路进行仿真。首先对各个模块电路进行连接与调试，调试成功后将所有模块连接在一起，组成整体电路图，如图8所示。图8中万用表1显示的是二极管双T形电路的输出，万用表2显示的是放大电路的输出，即整个电路最后的输出。图9是中红色线表示的是二极管双T形电路的输出波形，蓝色线表示的是整个电路的输出波形。由图中可看出，表2示数比表1示数放大了差不多10倍，图9中的波形显示也证实了这个问题，且输出依然为占空比为50%的方波，说明电路正常工作。