西南科技大學(xué)自動(dòng)化方向設(shè)計(jì)

1、西南科技大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)方向設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)名稱： 脈沖峰值檢測(cè)及保持電路設(shè)計(jì) 姓 名： 范 熠 學(xué) 號(hào): 20115725 班 級(jí)： 自動(dòng)1102班 指導(dǎo)教師： 王 坤 朋 起止日期： 2014.11.05 - 2014.12.6 西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院制方 向 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)學(xué)生班級(jí)： 自動(dòng)1102班 學(xué)生姓名： 范熠 學(xué)號(hào)： 20115725 設(shè)計(jì)名稱： 脈沖峰值檢測(cè)及保持電路設(shè)計(jì) 起止日期： 2014.11.05 -2014.12.6 指導(dǎo)教師： 王 坤 朋 設(shè)計(jì)要求： 脈沖峰值檢測(cè)與保持作為常用信號(hào)采集的基礎(chǔ)，對(duì)于信號(hào)處理有著重要意義。該課題要求學(xué)生掌握一定的模擬電路和單片機(jī)的基本知

2、識(shí)，設(shè)計(jì)并完成脈沖峰值保持電路，實(shí)現(xiàn)保持一定頻率的脈沖信號(hào)的峰值的功能以及單片機(jī)復(fù)位功能。 （1）查閱相關(guān)資料，了解脈沖峰值保持的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)； （2）完成基本電路設(shè)計(jì)； （3）完成參數(shù)計(jì)算與元器件的選擇； （4）完成電路仿真； （5）編制元器件明細(xì)表； （6）完成實(shí)物并調(diào)試成功；方 向 設(shè) 計(jì) 學(xué) 生 日 志時(shí)間設(shè)計(jì)內(nèi)容11.511.14分別查閱資料了解脈沖峰值檢測(cè)和脈沖峰值保持；11.1511.21明確課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的和意義、控制要求、設(shè)計(jì)方案論證；11.2111.28完成電路設(shè)計(jì)，修改和仿真；11.2912.5完成設(shè)計(jì)實(shí)物，主要進(jìn)行調(diào)試，并總結(jié)題目；12.6完成設(shè)計(jì)報(bào)告，答辯； 21

3、脈沖峰值檢測(cè)及保持電路設(shè)計(jì) 摘要：本題目主要研究設(shè)計(jì)和介紹傳統(tǒng)的脈沖峰值檢測(cè)與保持電路，分析了脈沖峰值保持的基本原理，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)的脈沖峰值保持電路完成設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)利用電容存儲(chǔ)電壓的性能，來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓峰值保持的同時(shí)，使用運(yùn)算放大器作為比較器，通過(guò)反饋比較，使輸出的電壓能夠較為準(zhǔn)確地跟蹤輸入電壓的峰值。通過(guò)計(jì)算，從理論上得出了放大器及其他主要元件的型號(hào)大小，大致選出元件，再通過(guò)仿真和測(cè)試，確定元件的型號(hào)大小，最終完成調(diào)試達(dá)到普通脈沖的峰值保持，驗(yàn)證并改進(jìn)傳統(tǒng)脈沖峰值保持電路。 關(guān)鍵詞：脈沖峰值保持；運(yùn)算放大器；保持電容Pulse Peak Detection and Hold Circuit Abs

4、tract: This project mainly introduces, studies and designs the traditional pulse peak detecting and holding circuit and analyzes the basic theory of pulse peak holding to produce the design by improving the traditional pulse peak holding circuit. This project, through the feedback and comparison, ma

5、kes the outputting voltage follow and input the peak value of voltage accurately as the function of capacitance which stores voltage by using operational amplifier as comparer while holding the pulse peak of voltage. By calculating, it works out the size of amplifier and other components theoretical

6、ly, then picks out the components roughly, then confirms their sizes through simulation and tests, to complete the shakedown test in order to achieve the general pulse peak holding, prove and improve the traditional pulse peak holding circuit. Key words: Pulse peak holding ; operational amplifier ;

7、the capacitance of keeping一、設(shè)計(jì)目的和意義 脈沖信號(hào)作為一種常見(jiàn)的信號(hào)，我們經(jīng)常需要檢測(cè)脈沖信號(hào)的峰值以及其出現(xiàn)的時(shí)刻，比如心電圖，雷達(dá)，核反應(yīng)堆等場(chǎng)所都需要做到脈沖峰值檢測(cè)，甚至峰值檢測(cè)部分的性能在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。大部分脈沖信號(hào)，峰值維持時(shí)間很短，不方便數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換，所以在脈沖峰值采集的過(guò)程中，為保證A/D轉(zhuǎn)換精度，或者在特定的場(chǎng)所，需要將脈沖峰值保持一定時(shí)間，且在保持過(guò)程中，信號(hào)變化量要足夠小。如今對(duì)于脈沖峰值保持的主要方向是針對(duì)窄脈沖峰值保持，高頻脈沖峰值保持，這些脈沖是現(xiàn)實(shí)生活中更常見(jiàn)的，峰值保持的難度更大也更有意義的，所以要做到這類復(fù)雜脈沖的

8、峰值檢測(cè)與保持，首先需要足夠了解傳統(tǒng)的峰值檢測(cè)與保持電路。本次設(shè)計(jì)的采用傳統(tǒng)的峰值保持電路，通過(guò)改善元件的型號(hào)選擇，以達(dá)到最佳的峰值保持。同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中達(dá)到一定的學(xué)習(xí)和加深知識(shí)和能力目的： 1. 通過(guò)完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)，強(qiáng)化理論知識(shí)，并聯(lián)系實(shí)際加深對(duì)專業(yè)課程的理解和學(xué)習(xí)； 2. 加深對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)理解，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電路定時(shí)復(fù)位等簡(jiǎn)單功能； 3. 加強(qiáng)模擬電路的學(xué)習(xí)和應(yīng)用，用模擬電路實(shí)現(xiàn)脈沖峰值保持； 4. 加強(qiáng)動(dòng)手能力，完成仿真電路和硬件調(diào)試；二、控制要求1. 基本控制要求 （1）通過(guò)脈沖峰值保持電路，使脈沖達(dá)到一定的保持效果； （2）通過(guò)單片機(jī)復(fù)位電路，編程定時(shí)復(fù)位電路；2. 精確控制要求 （

9、1）脈沖峰值保持效果誤差必須小于±1%； （2）脈沖峰值保持時(shí)間大于200ms，即峰值保持有效的頻率大于500Hz；三、設(shè)計(jì)方案論證1. 設(shè)計(jì)思路 通過(guò)脈沖峰值檢測(cè)保持電路，可以使脈沖峰值得到一定的保持效果，再通過(guò)示波器輸出，直接顯示出脈沖峰值保持的效果，單片機(jī)復(fù)位電路，而設(shè)計(jì)重點(diǎn)就在于如何使峰值保持。2. 設(shè)計(jì)方案 方案一：采用AD采樣芯片，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)峰值，用DA輸出保持 ADC0809 為單極性、8位轉(zhuǎn)換精度、逐次逼進(jìn)式A/D 轉(zhuǎn)換器，其采樣速度為每次轉(zhuǎn)換約100µs。有8 個(gè)模擬信號(hào)輸入通道IN0IN7, 由ADDA ADDB 和ADDC (ADDC) 為最高位作

10、為此8 路通道選擇地址,在轉(zhuǎn)換開(kāi)始前,由地址鎖存允許信號(hào)ALE 將此3 位地址鎖入鎖存器中,以確定轉(zhuǎn)換信號(hào)通道;EOC 為轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào),由低電平轉(zhuǎn)為高電平時(shí)指示轉(zhuǎn)換結(jié)束,此時(shí)可讀入轉(zhuǎn)換好的8 位數(shù)據(jù),EOC 在低電平時(shí)指示正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換；一旦EOC 從低電平變?yōu)楦唠娖剑纯蓪E 置為高電平，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算比較，求出峰值數(shù)據(jù)，再將這些數(shù)據(jù)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換輸出。 但就算使用再高速的AD采樣芯片,采集的數(shù)據(jù)是有延時(shí)的，很難確定是采集到峰值，因此使用此方案的誤差較大，不宜采用。 方案二：基于傳統(tǒng)脈沖峰值檢測(cè)電路，通過(guò)改進(jìn)完成設(shè)計(jì) 完成峰值檢測(cè)與保持的理論基礎(chǔ)：峰值保持器的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示

11、，由放大器A、保持二極管D、保持電容CH、緩沖跟隨器B等元件組成。當(dāng)脈沖信號(hào)Ui到來(lái)時(shí)，D 導(dǎo)通，CH充電，當(dāng)充電到脈沖峰值時(shí)D截止，CH就保持脈沖Ui的峰值。保持電容和放大器是影響峰值保持器性能的主要元件，它們的合理選擇是設(shè)計(jì)峰值保持器的關(guān)鍵。當(dāng)然，由于電路的處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，以及再優(yōu)質(zhì)的元器件也有參數(shù)誤差和三極管be間存在門(mén)坎電壓（一般為0.6V左右），所以需要在傳統(tǒng)峰值保持電路的基礎(chǔ)上加上閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，減少輸出電壓與輸入電壓的峰值的偏差以達(dá)到更好的峰值保持效果。圖1 峰值保持器原理圖通過(guò)比較以上兩種方案，基于傳統(tǒng)峰值保持器改進(jìn)的設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)單又更好的完成了脈沖峰值保持，所以選擇第二種方案作為本設(shè)

12、計(jì)的方案。四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1. 原理分析峰值檢測(cè)電路的作用是對(duì)輸入信號(hào)的峰值進(jìn)行提取，產(chǎn)生輸出Vo = Vpeak，要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，電路輸出的峰就值會(huì)一直保持，直到一個(gè)新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。其波形如圖2所示：圖2 峰值檢測(cè)電路波形2. 電路功能分析 2.1 電壓存儲(chǔ)器模塊 圖4 電壓存儲(chǔ)器如圖4所示，電壓存儲(chǔ)器采用電容充當(dāng)。電容在此既可以進(jìn)行電壓的存儲(chǔ)又可以當(dāng)做一個(gè)積分環(huán)節(jié)使用。電容充電如下式： （1）由圖3分析，電壓大于時(shí)，三極管導(dǎo)通，電容C3就如式（1）進(jìn)行充電。當(dāng)小于或等于時(shí)，三極管截止，就停止增加。從而實(shí)現(xiàn)了電壓峰值的保持。但實(shí)際上由于三極管的門(mén)限電壓，使電壓還略大于時(shí)，三極管就

13、截止了，所以僅僅采用這樣的電壓存儲(chǔ)器，還存在著很大的誤差，必須采取措施才行。后面可以看到采用反饋的方式將會(huì)很好地消除誤差。2.2 電壓跟隨器模塊圖5 電壓跟隨器為了所保持的電壓峰值不受后面采樣電路（負(fù)載）的影響，特設(shè)計(jì)一電壓保持器。電壓保持器具有極高的輸入電阻，以至于后面的負(fù)載無(wú)論怎么變化，輸出電壓都不會(huì)因此改變。2.3 輸入輸出比較模塊圖6 電壓比較器如圖6所示，是由運(yùn)算放大器組成的比較器。放大器的輸入輸出如下式： （2）式（2）中放大倍數(shù)A的值趨于無(wú)窮大，而放大器輸出電壓有極限值。故，當(dāng)>時(shí)，就正向飽和，當(dāng)<時(shí)，就負(fù)向飽和。下面來(lái)討論討論前面所講的如何通過(guò)反饋來(lái)消除由于三極管門(mén)

14、限電壓而引起的誤差。在圖4中，其實(shí)當(dāng)-大于三極管的門(mén)限電壓時(shí)，三極管才導(dǎo)通，電容C3就如式（1）進(jìn)行充電。-小于三極管的門(mén)限電壓時(shí)，三極管截止，就停止增加。當(dāng)處于峰值的時(shí)候，還是略小于，也即相當(dāng)于，輸出電壓略大于輸入電壓。但通過(guò)電壓比較器，反饋回來(lái)的電壓只要小于，放大器U1的輸出電壓就會(huì)正向飽和，致使三極管導(dǎo)通，對(duì)電容C3進(jìn)行充電，直至等于。只要小于，放大器U1的輸出電壓就會(huì)負(fù)向飽和，三極管截止。從而實(shí)現(xiàn)了輸出電壓對(duì)輸入電壓峰值的無(wú)誤差保持。 2.4附加復(fù)位功能模塊在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，考慮到在采集到當(dāng)前峰值后，有時(shí)候還想采集其他較小的峰值，因此，要對(duì)充好電的電容放電，重新充電采集。圖7 復(fù)位電路

15、如圖7所示，在正常保持峰值是，R5處給低電平，致使三極管截止。需要復(fù)位時(shí)，R5處給高電平，致使三極管導(dǎo)通，此時(shí)，電容C3通過(guò)二極管放電。在本設(shè)計(jì)中，采用的是由51單片機(jī)輸出高低電平，來(lái)自動(dòng)地復(fù)位電路。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是用單片機(jī)輸出一定頻率（小于輸入脈沖頻率）的方波，使輸出脈沖信號(hào)以峰值保持和未保持的方式交替。如圖8，使用單片機(jī)小系統(tǒng)完成，在P3.6輸出高低電平的方波信號(hào)，導(dǎo)通關(guān)斷三極管Q2使充電電容完成充放電。圖8 單片機(jī)復(fù)位電路五、設(shè)計(jì)結(jié)果及分析 1. 仿真結(jié)果及分析 利用multisim 畫(huà)出完整原理圖（見(jiàn)附圖1），進(jìn)行仿真。圖9 正弦波峰值保持 如圖9所示，這是輸入為1KHZ的5V正弦波信號(hào)，

16、其中藍(lán)色的是輸出的保持信號(hào)，當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，電容放電，輸出不再保持峰值。由圖可見(jiàn)該電路可以很好的保持1KHZ的正弦波信號(hào)。圖10 三角波峰值保持 該圖是當(dāng)輸入為占空比為50%的5v三角波時(shí)的結(jié)果示意圖，對(duì)于三角波，該電路同樣能夠很好的實(shí)現(xiàn)峰值保持電路。圖11 三角波峰值保持 如圖11，當(dāng)三角波的占空比換為20%時(shí)，該電路同樣能夠很好的保持峰值。圖12 矩形波峰值保持 如圖12為占空比為20%的矩形波，該電路同樣能夠保持峰值。因此，綜上在仿真的理想情況下，保持電容可以保持輸入信號(hào)的峰值電壓，但是實(shí)際中二極管的反向電阻不是無(wú)窮大，保持電容存在漏電，所以該電路的電容實(shí)際會(huì)存在放電現(xiàn)象，不能保持峰值不

17、變，會(huì)有一定的下降，但是在低精度要求的環(huán)境下是完全能夠滿足要求的。 2. 實(shí)際電路調(diào)試結(jié)果及分析 硬件實(shí)物連接（見(jiàn)附圖4），并進(jìn)行調(diào)試。圖13 正弦波峰值保持 如圖13是一個(gè)脈沖峰值保持的過(guò)程，正弦波為輸入波形，正弦波頻率為60Hz，在輸入脈沖達(dá)到峰值時(shí)，峰值被保持，在下一個(gè)脈沖峰值到來(lái)之前一直維持在峰值，即充電電容在沒(méi)有放電的情況下一直保持在峰值狀態(tài)。圖14 三角波峰值保持如圖14所示，三角波所達(dá)到的脈沖峰值效果與正弦波相似。圖15 復(fù)位按鈕作用如圖15，按下復(fù)位電路按鍵開(kāi)關(guān)，脈沖在峰值保持的情況下，通過(guò)復(fù)位電路提供高電平，充電電容放電，輸出不能不能維持峰值保持。圖16 復(fù)位按鈕作用如圖16

18、所示，為復(fù)位電路按鈕一直按下的情況，脈沖峰值不能保持，所以波形展示的是充電電容充電再放電的過(guò)程，在放電完成之前又開(kāi)始充電，所以輸出波形不能下降到足夠低。圖17 單片機(jī)定時(shí)復(fù)位 如圖17，利用單片機(jī)進(jìn)行定時(shí)復(fù)位的波形圖，定時(shí)輸出高低電平，即輸出方波，使輸入脈沖以峰值保持和不保持的方式交替輸出。結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)一個(gè)月的課程設(shè)計(jì)，從得到題目，查閱相關(guān)資料，熟悉題目，再通過(guò)老師的指導(dǎo)，找到了資料查閱的方向，進(jìn)一步知道了應(yīng)該怎樣去應(yīng)對(duì)和解決這個(gè)題目，開(kāi)始動(dòng)手解決題目，在完成的過(guò)程中也遇到了許多的問(wèn)題，在解決的過(guò)程中當(dāng)然也學(xué)到了很多，比如開(kāi)始計(jì)劃用單片機(jī)產(chǎn)生脈沖，就去了解了單片機(jī)產(chǎn)生三角波的方法，雖然最后決定

19、不用這個(gè)方法，但是加深了對(duì)單片機(jī)應(yīng)用的了解。在整個(gè)課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)到最多的當(dāng)然還是關(guān)于脈沖峰值的保持，了解了目前峰值保持技術(shù)和傳統(tǒng)峰值保持的差異，以及傳統(tǒng)峰值保持的原理，最終實(shí)現(xiàn)了脈沖峰值的檢測(cè)與保持，并完成了實(shí)體電路的調(diào)試，提升自己的動(dòng)手能力。最后感謝指導(dǎo)老師在整個(gè)過(guò)程的辛勤指導(dǎo)和同學(xué)的熱心幫助，也感謝這次課程設(shè)計(jì)讓自己得到了一定的能力提升。參考文獻(xiàn)1 康光華. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分(第五版)M. 高等教育出版社, 2006.2 陳國(guó)杰, 曹輝, 周有平. 脈沖峰值保持器的設(shè)計(jì)方法與元件選擇J. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2011,31(12), 1378-1385.3 胡賢龍, 翁?hào)|山, 馮旗 , 周世椿. 窄脈沖信號(hào)峰值保持器J. 核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2009,29(1),42-45.4 姜志海, 黃玉清, 劉連鑫等. 單片機(jī)原理及應(yīng)用(第3版)M. 電子工業(yè)出版社, 2013