基于Multisim 的電容傳感器實驗仿真與分析

楊 釗 吳 睿 王琰琳 儲修紅

（1.安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院；2.安徽新華學(xué)院土木與環(huán)境工程學(xué)院 安徽合肥 230088）

電容傳感器結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)非接觸測量、動態(tài)響應(yīng)快，在應(yīng)力、加速度、液位、位移、濕度等測量中被廣泛應(yīng)用。Multisim是一款由美國國家儀器（NI）有限公司研發(fā)的，以Windows為基礎(chǔ)的仿真軟件，其內(nèi)部包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力，可用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。本文將Multisim14.0軟件應(yīng)用于傳感器實驗中，以電容傳感器為例，仿真了其測量電路并闡述了電路原理，最終得出結(jié)論。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

本文所設(shè)計的電容傳感器測量電路主要包括信號發(fā)生模塊、二極管雙T形電路、放大電路部分。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 電容傳感器測量電路結(jié)構(gòu)框圖

二、電路各模塊設(shè)計

（一）信號發(fā)生模塊。電容式傳感器電路需要一個信號輸入，所以首先設(shè)計的是信號發(fā)生模塊。如圖2所示，使用555芯片與各電器元件，組合成一個信號發(fā)生模塊，可產(chǎn)生周期為100μs、幅值為±5V、占空比為50%的方波。圖3為波形顯示。

圖2 信號發(fā)生模塊電路圖

圖3 信號發(fā)生模塊波形顯示

（二）二極管雙T形電路。電容傳感器輸出小，易受干擾。在本次設(shè)計中，傳感器使用差動結(jié)構(gòu)，可提高其靈敏度，減小非線性誤差，穩(wěn)定性高。本次設(shè)計選用二極管雙T形電路，電路原理圖如圖4所示，該圖中C1、C2為一組差動電容傳感器。C1增大時C2減小，C1減小時C2增大，且ΔC1=ΔC2。如圖5所示，此時將二極管理想化，當(dāng)電源為正半周時，電路等效成典型的一階電路。二極管D1短路、D2開路，電容C1在極其短的時間內(nèi)被充電，所以它的影響可以不考慮，UE為電容C2的電壓初始值。

圖4 二極管雙T形電路總圖

圖5 二極管雙T形電路正半周圖

根據(jù)一階電路時域分析的三要素法，電容C2上流過的電流iC2如下式計算：

當(dāng)[R+(RRL)/(R+RL)]C2＜＜T/2時，電流 iC2的平均值 IC2可如下式計算：

同理，當(dāng)電源為負(fù)半周時，電容C1上流過的平均電流IC1為：

所以，負(fù)載RL上的電壓為：

該模塊電路設(shè)計圖如圖6所示。

圖6 二極管雙T形電路設(shè)計圖

（三）放大電路。電容傳感器輸出信號很小，需要后級放大。放大電路設(shè)計如圖7所示，該部分選用芯片OP07。OP07芯片是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性（雙電源供電）運算放大器集成電路。由于OP07具有非常低的輸入失調(diào)電壓，所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。OP07同時具有輸入偏置電流低和開環(huán)增益高的特點，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。本次設(shè)計中，放大倍數(shù)為10倍。

圖7 放大電路設(shè)計圖

三、電路仿真與數(shù)據(jù)分析

（一）電路仿真。在Multisim平臺上，對整個電路進行仿真。首先對各個模塊電路進行連接與調(diào)試，調(diào)試成功后將所有模塊連接在一起，組成整體電路圖，如圖8所示。圖8中萬用表1顯示的是二極管雙T形電路的輸出，萬用表2顯示的是放大電路的輸出，即整個電路最后的輸出。圖9是中紅色線表示的是二極管雙T形電路的輸出波形，藍(lán)色線表示的是整個電路的輸出波形。由圖中可看出，表2示數(shù)比表1示數(shù)放大了差不多10倍，圖9中的波形顯示也證實了這個問題，且輸出依然為占空比為50%的方波，說明電路正常工作。

圖8 整體電路仿真圖

圖9 整體輸出波形圖

（二）數(shù)據(jù)分析

調(diào)節(jié)圖中用來模擬差動電容傳感器的電容C1、C2，從萬用表2上讀出輸出電壓。得到如下表格：

表1 差動電容傳感器測量實驗數(shù)據(jù)

圖10 差動電容傳感器測量實驗數(shù)據(jù)

從表1和圖10可看出當(dāng)C1=C2時，輸出最小，理論計算此時輸出應(yīng)該為0，而實驗中因為有誤差存在，所以有零位輸出0.795V。測量數(shù)據(jù)及曲線證明實驗結(jié)果符合差動電容傳感器理論輸出。

四、結(jié)語

仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析表明，使用Multisim對差動式電容傳感器仿真達(dá)到了預(yù)期的效果。后期可結(jié)合Multisim軟件對多種傳感器及其轉(zhuǎn)換電路進行仿真分析，對傳感器研究有很大的幫助。