峰值檢測系統(tǒng)的設(shè)計

1、峰值檢測系統(tǒng)的設(shè)計、設(shè)計說明本設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一個峰值檢測系統(tǒng)，其關(guān)鍵任務(wù)是檢測峰值并保持穩(wěn)定。其框圖如圖1所示：它由傳感器、放大器、采樣/保持、采樣/保持控制電路、A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）、譯碼顯示、數(shù)字鎖存控制電路組成。各部分的作用如下：傳感器：把被測信號量轉(zhuǎn)換成電壓量。放大器:將傳感器輸出的小信號放大，放大器的輸出結(jié)果滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍。采樣/保持：對放大后的被測模擬量進行采樣，并保持峰值。采樣/保持控制電路：該電路通過控制信號實現(xiàn)對峰值采樣，小丁原峰值時，保持原峰值，大丁原峰值時保持新的峰值。A/D轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。譯碼顯示：完成峰值數(shù)字量的譯碼顯示。數(shù)字鎖存控制電路：對模數(shù)

2、轉(zhuǎn)換的峰值數(shù)字量進行鎖存，小丁峰值的數(shù)字量不鎖存。二、技術(shù)指標(biāo)1. 放大器輸入阻抗R>1照；頻帶寬度：0Ha 1kHz;共模抑制比：KcMR>70dBo2. 測量值用數(shù)字顯示，顯示范圍：0000-9999;三、設(shè)計要求1.傳感器輸出信號為05mV 1mW效丁 400kg； 2.根據(jù)技術(shù)指標(biāo)通過分析 計算確定電路形式和元器件參數(shù)；3.畫出電路原理圖（元器件標(biāo)準化，電路圖規(guī) 范化）。四、實驗要求1 .根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實驗方案，驗證所設(shè)計的電路；2.進行必要的實驗數(shù)據(jù)處理和分析五、推薦參考資料1. 張福學(xué)編著.傳感器應(yīng)用及其電路精選.北京：電子工業(yè)出版社，1992.六、按照要求撰寫課程設(shè)

3、計報告指導(dǎo)教師年月日負責(zé)教師年月日年月0成績評定表評語、建議或需要說明的問題：指導(dǎo)教師簽字：日期：成績摘要：本文主要設(shè)計了能夠檢測輸入信號峰值的電路，該電路分為三部分，第 一部分是信號放大電路電路，主要有由三個放大器組成。第二部分是采樣保持電 路，主要有運放、場效應(yīng)管和電容電路組成。第二部分是A/D轉(zhuǎn)換及譯碼顯示電路，主要有由A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)碼管組成。該電路具有結(jié)構(gòu)簡單、元器件用量少、 成本低的特點。在眾多的這類電路中是比較簡單實用的。關(guān)鍵詞：放大器、采樣/保持、采樣/保持控制、數(shù)字鎖存控制、A/D轉(zhuǎn)換及譯碼一、概述本設(shè)計的任務(wù)是設(shè)計一個峰值檢測系統(tǒng)，其關(guān)鍵任務(wù)是檢測峰值并保持穩(wěn)定。它由傳感

4、器、放大器、采樣/保持、采樣/保持控制電路、A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）、譯碼顯 示、數(shù)字鎖存控制電路組成。各部分的作用如下：傳感器：把被測信號量轉(zhuǎn)換成 電壓量。放大器:將傳感器輸出的小信號放大，放大器的輸出結(jié)果滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換 器的轉(zhuǎn)換范圍。采樣/保持：對放大后的被測模擬量進行采樣，并保持峰值。采樣 /保持控制電路：該電路通過控制信號實現(xiàn)對峰值采樣，小丁原峰值時，保持原峰 值，大丁原峰值時保持新的峰值。A/D轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。譯碼顯示: 完成峰值數(shù)字量的譯碼顯示。數(shù)字鎖存控制電路：對模數(shù)轉(zhuǎn)換的峰值數(shù)字量進行 鎖存，小丁峰值的數(shù)字量不鎖存。這次課程設(shè)計用的是計算機軟件仿真，計算機軟件仿真是利用計算

5、機速度快、 存儲容量大的特點，在計算機這一現(xiàn)代化實驗裝置上采用數(shù)學(xué)模擬的方法，運用 各種軟件直接模擬電子線路的功能,完成各種電路性能分析和技術(shù)指標(biāo)的測量。 本次課程設(shè)計，主要用 Mutisim10軟件來進行電路仿真分析與測試。二、方案設(shè)計根據(jù)課程設(shè)計任務(wù)要求可知本電路主要包括放大器電路、采樣/保持電路、采樣/保持控制電路、數(shù)字鎖存控制電路、 A/D轉(zhuǎn)換及譯碼顯示幾部分。其中放大器 電路完成對輸入信號的放大,采樣/保持電路完成對信號的采樣及信號峰值保持的 功能,A/D轉(zhuǎn)換及譯碼顯示電路主要完成將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并數(shù)字 輸出，便丁讀取。原理框圖如圖1所示。數(shù)字顯示表表頭圖1峰值檢測系統(tǒng)

6、示例方案原理框圖三、電路設(shè)計1、放大電路設(shè)計：選用電壓增益Au=400的放大電路完成系統(tǒng)對小信號放大的要求。本次課程設(shè) 計中所用的放大電路為高精度放大電路，盡管放大電路種類繁多，但為了將傳感 器輸出的微弱信號能夠有效的放大，故而采用高精度放大器，采用高精度放大器 的類型為RT3288三個運算放大器分別用 U1, U2, U3表示。該電路U1和U2的失 調(diào)電壓的量值和方向相同，可以相互抵消，減少了一些誤差，所以此種電路精度 很高。這種高精度放大器對完成弱信號的放大有重要的作用。由丁此電路中放大器要完成400倍的放大任務(wù)，400倍分為兩級放大，所以要 求兩級的放大倍數(shù)相乘等丁分配等丁 400即可，

7、選取第一級的電壓增益 Au為5, 分配第二級的電壓增益 AU2為80,能夠達到放大要求。放大電路設(shè)計如圖2所示：圖2高精度數(shù)據(jù)放大器該放大電路主要由三個運放構(gòu)成；其中由丁 U1和U2采用相同的運算放大器, 使U1和U2的失調(diào)電壓的量值和方向相同，可以相互抵消，從而抑制共模信號， 與此同時，差模信號得到放大，并且差模放大倍數(shù)越大，共模抑制比越高，從而 精確地得到放大性能。其具體放大原理如下：根據(jù)集成運放的虛短虛斷原理有以下算式：5 =2二湛5 U2),即Ui -U 2 = (1 + *R)U i ,所以輸出電壓公式為U。=-導(dǎo)(卜皿剝?nèi)鬜1R1R8)U I。其中 R1 = 10 Q , R5 =

8、 2K Q ,R& =100 Q ,R8 = 200 Q。設(shè)輸入電壓為U I =5m根據(jù)上述公式得出輸出電壓U。=2vo2、采樣/保持電路設(shè)計：說到峰值檢測器，我們想到的最簡單的電路便是由一個二極管和一個電容構(gòu)成的電路，但我們知道，超級二極管有一個缺點，就是 Vi從負電壓變成正電壓的過程中，為了閉合有二極管的負反饋回路，運放要結(jié)束負飽和狀態(tài)，輸出電壓要 從負飽和電壓值一直到（Vi+V二極管）。這個過程需要花費時間，如果在這個過程， 輸入發(fā)生變化，輸出就會出現(xiàn)失真。 所以，這個電路工作時性能很不理想，對 1nF 的電容器，100ms后達到穩(wěn)定的峰值，誤差達10%而且，由丁沒有輸入輸出的緩

9、 沖，在實際應(yīng)用中，電容器中的電荷會被其他部分電路負載消耗，造成峰值檢測 器無法保持信號峰值電壓?；∩厦娴脑?，我們有必要對上述電路進行改進，丁是，我設(shè)計出了下面 的電路。該圖有幾個用心之處：（1）采用運放提高直流特性，減小偏置電流OPA128 的偏置電流低至75fA! ; （2）將場效應(yīng)管當(dāng)二極管用，可以有效減小反向電流同 時增加第一個運放的輸出驅(qū)動力；（3）小電容是防止自激的。實際應(yīng)用中可以用 TL082雙運放和1N4148來代替場效應(yīng)管，性能價格比較高，該部分電路 如圖3所圖3采樣/保持控制電路通過電路圖我們可以活楚的看到該電路有這么幾個模塊組成：（1）模擬峰值存儲器，即電容器 C2,

10、用來記錄電壓峰值；（2）單向電流開關(guān)，即二極管 D1; （3）輸入輸出緩沖隔離，即運算放大器 OPA128JM此外，該電路還有幾個特別之 處：（1）采用FET集成運放提高直流特性，從而減小集成運放OPA128JM勺偏置電流；（2）將場效應(yīng)管當(dāng)作二極管使用，可以有效減小反向電流同時增加第一個 運放的輸出驅(qū)動能力；（3）小電容是防止自激的。3. A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字顯示系統(tǒng)的設(shè)計欲完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，則需要 A/D轉(zhuǎn)換的芯片，本課程設(shè)計所用的 A/D轉(zhuǎn)換芯片 是ICL7107, ICL7107是專為驅(qū)動LED顯示器而設(shè)計的三位半雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器, 它能直接驅(qū)動共陽極 LED顯示器，不需另加驅(qū)動電路和限

11、流電路，使整機電路簡化，顯示活晰，亮度高，便丁夜間觀察，顯示器采用七段共陽極數(shù)碼管。當(dāng)模擬 信號從模擬信號輸入端輸入時，經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換電路后即可將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字 信號并輸出，A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字顯示電路見圖4。一"日,日上L7N3S04ICL7107模擬信號諭入圖4 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)碼顯示電路四、性能的測試首先測試放大電路的放大功能，首先輸入5mv的正弦信號，將信號的輸入端與放大器的輸出端一同接入示波器，由丁放大器的電壓增益為400,那么正常情況 下輸出信號的峰值應(yīng)為2V,打開電路開關(guān)用示波器測得的數(shù)值為理論計算值，觀 察波形和峰值驗證放大電路是否正確，由實際測得的數(shù)值知該放大電路較

12、好的完 成了放大指標(biāo)。仿真圖如圖4所示：A通道為輸入端,B通道為輸出端。圖4放大電路波形仿真圖對丁采樣/保持控制電路的結(jié)果測試，該課程設(shè)計題目要求當(dāng)有信號輸入時， 采樣/保持控制電路會自動檢測輸入信號的峰值，并顯示其峰值，當(dāng)改變輸入信號 的峰值時，如果輸入信號的峰值比原信號的峰值大，則檢測的峰值跟隨較大的峰 值，當(dāng)輸入信號的峰值比原信號的峰值小的時候，則檢測的峰值依然跟隨較大的 峰值。為檢測以上要求是否達到標(biāo)準，分別采用輸入信號峰值為5mV時檢測，然后改變輸入峰值，使其為3mV再采用輸入信號峰值為5mV寸檢測，然后改變輸入峰 值，使其為7mV選用示波器，并將信號源的輸入信號與電容中保持的信號一

13、同接 入，觀測波形：其中B為輸入端，A為輸出端。當(dāng)輸入為5mv時，測得輸出檢測的信號電壓為1.997V,約等丁 2V,使輸入5mV 電壓正好放大了 400倍，較好的完成了題目要求的放大指標(biāo)。該部分檢測電路的 輸出波形如圖5所示；圖5輸入5V時的采樣波形當(dāng)輸入信號峰值為5mV時，改變輸入信號的峰值使其為 3mv時，輸出波形如 圖6所示；圖6輸入3mV時的波形說明：當(dāng)輸入3m如壓時，放大電路放大為1.2V,小于2V,由丁場效應(yīng)管具 有單向?qū)щ娦裕源藭r場效應(yīng)管處丁截止?fàn)顟B(tài)，因此電容 C2電位不變，所以采 樣/保持電路要保持原先的2V電壓，該電路輸出電壓仍然是 2V。當(dāng)輸入信號峰值為5mV時，改變

14、輸入信號的峰值使其為 7mv時，輸出波形如 圖7所示。圖7輸入7mV時的波形當(dāng)信號源輸入7mV勺電壓時，經(jīng)過放大電路放大為2.8V，大丁原先的2V電壓, 場效應(yīng)管導(dǎo)通，電容器 C2開始充電，電位增大，所以采樣/保持電路要輸出電位 為2.8V的采樣信號。另外，當(dāng)輸入信號峰值為5mv時，增大輸入峰值為6mv,在增大至8mv,最后 減小到3mv,觀察起搏器顯示是否滿足題目要求，結(jié)果顯示數(shù)值依然滿足要求，也 就是說當(dāng)輸入信號峰值既有增大乂有減小的時候，示波器檢測的峰值依然滿足課 程設(shè)計題目的要求。輸出波形如圖8所示圖8輸入信號既有增大又有減小時的情況五、結(jié)論：通過對輸入信號的驗證，該電路較好的完成了本

15、次課程設(shè)計的要求。六、性價比本次設(shè)計所使用的的主要器件是 3288RT型放大器,它具有很高的輸入共模電 壓和輸入差模電壓范圍，具有失調(diào)電壓調(diào)整能力和短路保護能力，功率較低，電 源電壓適應(yīng)范圍較寬等特點，最重要是價格合理，所以選用該放大器件比較合適。 通過測試所設(shè)計的電路符合課題所提出的要求和指標(biāo), 能把輸入的小信號放大400 倍，并長時間的保持峰值，并且采樣/保持電路中由丁將二極管換成了場效應(yīng)管使 該電路的采樣性能得到了很大的提高，同時穩(wěn)定性得到了增強。此外，該電路設(shè) 計思路簡單，電路圖可讀性好，所用的器件在市場上容易找到而且性價比較高， 價格比較便宜，制作簡單，很適合將其投入市場。七、課設(shè)體

16、會及合理化建議三周的電子綜合課程設(shè)計已經(jīng)結(jié)束了，通過這次電子綜合課程設(shè)計，我掌握 了峰值檢測系統(tǒng)的原理及電路的設(shè)計，同時也明白了峰值檢測系統(tǒng)性能指標(biāo)測試 方法，而且進一步熟練了 multisim10軟件的使用，開始做這個課程設(shè)計的時候我 對題目不是很了解，通過老師講解之后使我對題目有了詳細的了解，在實際設(shè)計 過程中，遇到了許多的問題，但是通過向老師和同學(xué)請教之后便一一解決了，有 的是自己從中悟出來的經(jīng)驗，使自己真的了解并學(xué)到了許多自己在理論課上學(xué)不 到的東西，感覺自己很有成就感，很高興。使我學(xué)到了許多在課堂上學(xué)不到的東 西。我還了解到：只有親自上機操作才能學(xué)到真知識，我也更加明白了那句話：“紙

17、 上談來終覺淺，深知此事要躬行”的意義。但是在實際設(shè)計過程中還有一些地方掌握得不是很好，還需在以后的學(xué)習(xí)和 實驗中多加練習(xí)和體會。作為電氣信息類專業(yè)的大學(xué)生，學(xué)習(xí)并掌握電路設(shè)計系 統(tǒng)是很必要的。所以，只有掌握了自己所學(xué)專業(yè)的尖端技術(shù)并運用自如，才能在 以后的工作中立于不敗之地。合理化建議：(1) 希望學(xué)校在以后多多增加類似的課程設(shè)計，多多鍛煉我們的上機和思維動 手能力0(2) 由于實驗室的電腦數(shù)量有限，不能滿足所有同學(xué)的上機時間，給一些同學(xué) 帶來一些不便，希望學(xué)校以后能夠增加相關(guān)儀器設(shè)備。參考文獻1 .華成英、童詩白主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版).M北京：高等教育出版社，2006年2 .張福學(xué)主編.傳感器應(yīng)用及其電路精選.M北京：電子工業(yè)出版社，1992年3 .尹勇、李林凌主編.Multisim 電路仿真入門與介紹.M北京：科學(xué)出版社，2005年.4 .閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).M北京：高等教育出版社，2006年.5 .趙淑范、王憲偉主編.電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計.M北京：活華大學(xué)出版社,2006年.附錄I 總電路圖3 | | 0-|lV512 V3288RT 6rvX/Ry ?00|200|?00|?。|. R3112k| §R420|. R19 4 V3 12 V3288RT 匹'll：9 I- 0 I I26