峰值检测系统的设计

峰值检测系统的设计一、设计说明本设计的任务是设计一个峰值检测系统，其关键任务是检测峰值并保持稳定。其框图如图1所示：它由传感器、放大器、采样/保持、采样/保持控制电路、A/D(模数转换)、译码显示、数字锁存控制电路组成。各部分的作用如下：传感器：把被测信号量转换成电压量。放大器：将传感器输出的小信号放大，放大器的输出结果满足模数转换器的转换范围。采样/保持：对放大后的被测模拟量进行采样，并保持峰值。采样/保持控制电路：该电路通过控制信号实现对峰值采样，小于原峰值时，保持原峰值，大于原峰值时保持新的峰值。A/D转换：将模拟量转换成数字量。译码显示：完成峰值数字量的译码显示。数字锁存控制电路：对模数转换的峰值数字量进行锁存，小于峰值的数字量不锁存。图1峰值检测系统示例方案原理框图二、技术指标1.放大器输入阻抗Ri1MΩ；频带宽度：0Hz—1kHz；共模抑制比：KCMRR70dB。2.测量值用数字显示，显示范围：0000—9999；三、设计要求1.传感器输出信号为0～5mV，1mV等效于400kg；2.根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数；3.画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。四、实验要求1．根据技术指标制定实验方案，验证所设计的电路；2．进行必要的实验数据处理和分析。传感器放大器采样/保持采样/保持控制电路数字锁存控制电路A/D转换译码显示数字显示表表头峰值检测系统的设计五、推荐参考资料1.张福学编著.传感器应用及其电路精选.北京：电子工业出版社，1992.六、按照要求撰写课程设计报告指导教师年月日负责教师年月日学生签字年月日成绩评定表评语、建议或需要说明的问题：指导教师签字：日期：成绩摘要：本文主要设计了能够检测输入信号峰值的电路，该电路分为三部分，第一部分是信号放大电路电路，主要有由三个放大器组成。第二部分是采样保持电路，主要有运放、场效应管和电容电路组成。第二部分是A/D转换及译码显示电路，主要有由A/D转换芯片和数码管组成。该电路具有结构简单、元器件用量少、成本低的特点。在众多的这类电路中是比较简单实用的。关键词：放大器、采样/保持、采样/保持控制、数字锁存控制、A/D转换及译码一、概述本设计的任务是设计一个峰值检测系统，其关键任务是检测峰值并保持稳定。它由传感器、放大器、采样/保持、采样/保持控制电路、A/D(模数转换)、译码显示、数字锁存控制电路组成。各部分的作用如下：传感器：把被测信号量转换成电压量。放大器：将传感器输出的小信号放大，放大器的输出结果满足模数转换器的转换范围。采样/保持：对放大后的被测模拟量进行采样，并保持峰值。采样/保持控制电路：该电路通过控制信号实现对峰值采样，小于原峰值时，保持原峰峰值检测系统的设计值，大于原峰值时保持新的峰值。A/D转换：将模拟量转换成数字量。译码显示：完成峰值数字量的译码显示。数字锁存控制电路：对模数转换的峰值数字量进行锁存，小于峰值的数字量不锁存。这次课程设计用的是计算机软件仿真，计算机软件仿真是利用计算机速度快、存储容量大的特点，在计算机这一现代化实验装置上采用数学模拟的方法，运用各种软件直接模拟电子线路的功能，完成各种电路性能分析和技术指标的测量。本次课程设计，主要用Mutisim10软件来进行电路仿真分析与测试。二、方案设计根据课程设计任务要求可知本电路主要包括放大器电路、采样/保持电路、采样/保持控制电路、数字锁存控制电路、A/D转换及译码显示几部分。其中放大器电路完成对输入信号的放大，采样/保持电路完成对信号的采样及信号峰值保持的功能，A/D转换及译码显示电路主要完成将输入的模拟信号转换为数字信号并数字输出，便于读取。原理框图如图1所示。图1峰值检测系统示例方案原理框图三、电路设计1、放大电路设计：选用电压增益Au=400的放大电路完成系统对小信号放大的要求。本次课程设计中所用的放大电路为高精度放大电路，尽管放大电路种类繁多，但为了将传感器输出的微弱信号能够有效的放大，故而采用高精度放大器，采用高精度放大器的类型为RT3288，三个运算放大器分别用U1，U2，U3表示。该电路U1和U2的失调电压的量值和方向相同，可以相互抵消，减少了一些误差，所以此种电路精度很高。这种高精度放大器对完成弱信号的放大有重要的作用。由于此电路中放大器要完成400倍的放大任务，400倍分为两级放大，所以要求两级的放大倍数相乘等于分配等于400即可，选取第一级的电压增益Au1为5，分配第二级的电压增益Au2为80，能够达到放大要求。放大电路设计如图2所示：传感器放大器采样/保持采样/保持控制电路数字锁存控制电路A/D转换译码显示数字显示表表头峰值检测系统的设计图2高精度数据放大器该放大电路主要由三个运放构成；其中由于U1和U2采用相同的运算放大器，使U1和U2的失调电压的量值和方向相同，可以相互抵消，从而抑制共模信号，与此同时，差模信号得到放大，并且差模放大倍数越大，共模抑制比越高，从而精确地得到放大性能。其具体放大原理如下：根据集成运放的虚短虚断原理有以下算式：)(221868UURRRUI，即IURRUU)21(8621，所以输出电压公式为IOURRRRUURRU)21()(86152115。其中Ω101R，ΩKR25,Ω1006R,Ω2008R。设输入电压为IU=5mv，根据上述公式得出输出电压OU=2v。2、采样/保持电路设计：说到峰值检测器，我们想到的最简单的电路便是由一个二极管和一个电容构成的电路，但我们知道，超级二极管有一个缺点，就是Vi从负电压变成正电压的过程中，为了闭合有二极管的负反馈回路，运放要结束负饱和状态，输出电压要峰值检测系统的设计从负饱和电压值一直到（Vi+V二极管）。这个过程需要花费时间，如果在这个过程，输入发生变化，输出就会出现失真。所以，这个电路工作时性能很不理想，对1nF的电容器，100ms后达到稳定的峰值，误差达10%。而且，由于没有输入输出的缓冲，在实际应用中，电容器中的电荷会被其他部分电路负载消耗，造成峰值检测器无法保持信号峰值电压。基于上面的原因，我们有必要对上述电路进行改进，于是，我设计出了下面的电路。该图有几个用心之处：（1）采用运放提高直流特性，减小偏置电流OPA128的偏置电流低至75fA！；（2）将场效应管当二极管用，可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力；（3）小电容是防止自激的。实际应用中可以用TL082双运放和1N4148来代替场效应管，性能价格比较高，该部分电路如图3所示：图3采样/保持控制电路通过电路图我们可以清楚的看到该电路有这么几个模块组成：（1）模拟峰值存储器，即电容器C2，用来记录电压峰值；（2）单向电流开关，即二极管D1；（3）输入输出缓冲隔离，即运算放大器OPA128JM。此外，该电路还有几个特别之处：（1）采用FET集成运放提高直流特性，从而减小集成运放OPA128JM的偏置电流；（2）将场效应管当作二极管使用，可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动能力；（3）小电容是防止自激的。3.A/D转换及数字显示系统的设计欲完成模数转换，则需要A/D转换的芯片，本课程设计所用的A/D转换芯片是ICL7107,ICL7107是专为驱动LED显示器而设计的三位半双积分式A/D转换器，它能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动电路和限流电路，使整机电路简峰值检测系统的设计化，显示清晰，亮度高，便于夜间观察，显示器采用七段共阳极数码管。当模拟信号从模拟信号输入端输入时，经过A/D转换电路后即可将模拟信号转换为数字信号并输出，A/D转换及数字显示电路见图4。图4A/D转换和数码显示电路四、性能的测试首先测试放大电路的放大功能，首先输入5mv的正弦信号，将信号的输入端与放大器的输出端一同接入示波器，由于放大器的电压增益为400，那么正常情况下输出信号的峰值应为2V，打开电路开关用示波器测得的数值为理论计算值，观察波形和峰值验证放大电路是否正确，由实际测得的数值知该放大电路较好的完成了放大指标。仿真图如图4所示：A通道为输入端，B通道为输出端。峰值检测系统的设计图4放大电路波形仿真图对于采样/保持控制电路的结果测试，该课程设计题目要求当有信号输入时，采样/保持控制电路会自动检测输入信号的峰值，并显示其峰值，当改变输入信号的峰值时，如果输入信号的峰值比原信号的峰值大，则检测的峰值跟随较大的峰值，当输入信号的峰值比原信号的峰值小的时候，则检测的峰值依然跟随较大的峰值。为检测以上要求是否达到标准，分别采用输入信号峰值为5mV时检测，然后改变输入峰值，使其为3mV；再采用输入信号峰值为5mV时检测，然后改变输入峰值，使其为7mV，选用示波器，并将信号源的输入信号与电容中保持的信号一同接入，观测波形：其中B为输入端，A为输出端。当输入为5mv时，测得输出检测的信号电压为1.997V，约等于2V，使输入5mV电压正好放大了400倍，较好的完成了题目要求的放大指标。该部分检测电路的输出波形如图5所示；峰值检测系统的设计图5输入5V时的采样波形当输入信号峰值为5mV时，改变输入信号的峰值使其为3mv时，输出波形如图6所示；图6输入3mV时的波形峰值检测系统的设计说明：当输入3mV电压时，放大电路放大为1.2V，小于2V，由于场效应管具有单向导电性，所以此时场效应管处于截止状态，因此电容C2电位不变，所以采样/保持电路要保持原先的2V电压，该电路输出电压仍然是2V。当输入信号峰值为5mV时，改变输入信号的峰值使其为7mv时，输出波形如图7所示。图7输入7mV时的波形当信号源输入7mV的电压时，经过放大电路放大为2.8V，大于原先的2V电压，场效应管导通，电容器C2开始充电，电位增大，所以采样/保持电路要输出电位为2.8V的采样信号。另外，当输入信号峰值为5mv时，增大输入峰值为6mv，在增大至8mv，最后减小到3mv，观察起搏器显示是否满足题目要求，结果显示数值依然满足要求，也就是说当输入信号峰值既有增大又有减小的时候，示波器检测的峰值依然满足课程设计题目的要求。输出波形如图8所示。峰值检测系统的设计图8输入信号既有增大又有减小时的情况五、结论：通过对输入信号的验证，该电路较好的完成了本次课程设计的要求。六、性价比本次设计所使用的的主要器件是3288RT型放大器，它具有很高的输入共模电压和输入差模电压范围，具有失调电压调整能力和短路保护能力，功率较低，电源电压适应范围较宽等特点，最重要是价格合理，所以选用该放大器件比较合适。通过测试所设计的电路符合课题所提出的要求和指标，能把输入的小信号放大400倍，并长时间的保持峰值，并且采样/保持电路中由于将二极管换成了场效应管使该电路的采样性能得到了很大的提高，同时稳定性得到了增强。此外，该电路设计思路简单，电路图可读性好，所用的器件在市场上容易找到而且性价比较高，价格比较便宜，制作简单，很适合将其投入市场。七、课设体会及合理化建议三周的电子综合课程设计已经结束了，通过这次电子综合课程设计，我掌握了峰值检测系统的原理及电路的设计，同时也明白了峰值检测系统性能指标测试方法，而且进一步熟练了multisim10软件的使用，开始做这个课程设计的时候我对题目不是很了解，通过老师讲解之后使我对题目有了详细的了解，在实际设计峰值检测系统的设计过程中，遇到了许多的问题，但是通过向老师和同学请教之后便一一解决了，有的是自己从中悟出来的经验，使自己真的了解并学到了许多自己在理论课上学不到的东西，感觉自己很有成就感，很高兴。使我学到了许多在课堂上学不到的东西。我还了解到：只有亲自上机操作才能学到真知识，我也更加明白了那句话：“纸上谈来终觉浅，深知此事要躬行”的意义。但是在实际设计过程中还有一些地方掌握得不是很好，还需在以后的学习和实验中多加练习和体会。作为电气信息类专业的大学生，学习并掌握电路设计系统是很必要的。所以，只有掌握了自己所学专业的尖端技术并运用自如，才能在以后的工作中立于不败之地。合理化建议：（1）希望学校在以后多多增加