畢業(yè)設(shè)計(jì)基于運(yùn)算放大器的峰值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì) 說(shuō)明 書(shū)題目：基于運(yùn)算放大器的峰值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)院（系）：電氣工程學(xué)院基層教學(xué)單位：儀器科學(xué)與工程系學(xué) 號(hào)080103020042學(xué)生姓名井濤專業(yè)（班級(jí)）08檢測(cè)1 班設(shè)計(jì)題目基于運(yùn)算放大器的峰值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù)輸入信號(hào)是由 10-100hz 的正弦波和三角波疊加而成。測(cè)量電路每隔 0.2 秒采 集一次輸入信號(hào)的峰值。設(shè) 計(jì) 要 求1：完成題目的理論設(shè)計(jì)模型；2：完成電路的 multisim 仿真；工 作 量1：完成一份設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（其中包括理論設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)及仿真結(jié)果）；2：提交一份電路原理圖；工 作 計(jì) 劃周一，查閱資料；周二到周四，理論設(shè)計(jì)及計(jì)

2、算機(jī)仿真；周五，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；參 考 資 料1：基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)；2：模擬電子技術(shù)；3：數(shù)字電子技術(shù)；4：電路理論指導(dǎo)教師簽字基層教學(xué)單位主任簽字說(shuō)明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。2011年 6 月 25 日燕山大學(xué)課程設(shè)計(jì)評(píng)審意見(jiàn)表指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：成績(jī)： 指導(dǎo)教師： 年月日答辯小組評(píng)語(yǔ)：成績(jī)： 組長(zhǎng)： 年月日課程設(shè)計(jì)總成績(jī)：答辯小組成員簽字：年月日基于運(yùn)算放大器的峰值檢測(cè)電路設(shè)計(jì)目錄第一章 引言 . 2 第二章 基本原理 .22.1原理分析及原理框圖. . . .22.2 電路功能分析 . 32.2 電路分塊設(shè)計(jì) . 4第三章 電路具體設(shè)計(jì)

3、. . . . . 73.1 峰值檢測(cè)電路元件參數(shù)選取. 73.2 采樣信號(hào)發(fā)生器. . 83.3 總體電路圖. . . 9第四章 電路仿真測(cè)試 . 104.1 輸出波形multisim仿真. 104.2 對(duì)于微小輸入信號(hào)的分析 . 14 第五章 誤差分析 . 17 5.1 復(fù)位誤差. . . 175.2 保持誤差. . . . . 21第六章 整體電路圖 . . 22第七章 結(jié)論 . 23第八章心得體會(huì) . . . 24參考文獻(xiàn) . 2529第一章、引言峰值檢測(cè)技術(shù)是數(shù)字存儲(chǔ)示波器及數(shù)字采集卡中的重要技術(shù)之一，在科研、生產(chǎn)的很多領(lǐng)域都需要用到峰值檢測(cè)設(shè)備，用來(lái)實(shí)現(xiàn)波形的毛刺捕捉或高占空比信號(hào)

4、的檢測(cè)、沖擊信號(hào)峰值檢測(cè)，比如檢測(cè)建筑物中梁的最大承受力、鋼材的最大允許拉力、軸承振動(dòng)噪聲的峰值檢測(cè)等等。相比正常采樣給出信號(hào)的一個(gè)完整的波形顯示，峰值檢測(cè)只記錄發(fā)生在每個(gè)采樣間隔期間內(nèi)的最大最小峰值，這樣就可以不增加存儲(chǔ)深度，還可以捕獲毛刺或者偶發(fā)事件。峰值檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)方法有模擬式實(shí)現(xiàn)和數(shù)字式實(shí)現(xiàn)兩種，模擬峰值檢測(cè)是一個(gè)專門(mén)的硬件電路，它以電容上電壓的形式存儲(chǔ)信號(hào)的峰值，速度比較慢，通常只能存儲(chǔ)寬度大于幾個(gè)微秒且具有相當(dāng)幅值的毛刺。數(shù)字式峰值檢測(cè)器圍繞adc構(gòu)成，以盡可能高的采樣速率連續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)峰值檢測(cè)模塊篩選出最大值和最小值，然后將峰值存儲(chǔ)在一個(gè)專用的存儲(chǔ)器中作為采樣點(diǎn)值，特點(diǎn)是

5、采樣速度快，可以實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)的峰值檢測(cè)。這次課設(shè)的給出需要檢測(cè)的輸入信號(hào)的是由10-100hz的正弦波和三角波疊加而成，測(cè)量電路每0.2s采集一次輸入信號(hào)峰值，屬于對(duì)低頻信號(hào)的峰值采集，因此采用模擬硬件電路的方式實(shí)現(xiàn)峰值檢測(cè)。第二章、基本原理2.1 原理分析及原理框圖2.1.1 原理分析峰值檢測(cè)電路（pkd，peak detector）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，為了實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，電路輸出值會(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。它的時(shí)域波形如圖1所示：圖1 峰值檢測(cè)電路時(shí)域波形2.1.2 原理框圖輸入信號(hào)電壓跟隨單向充電開(kāi)關(guān)電壓存儲(chǔ)器脈沖采樣開(kāi)

6、關(guān)信號(hào)輸出信號(hào)圖2 電路原理框圖2.2 電路功能分析由峰值檢測(cè)器的電路特性，并根據(jù)參考文獻(xiàn)一關(guān)于峰值檢測(cè)器的內(nèi)容，可以確定下面四個(gè)功能模塊：（a） 用來(lái)保持最近峰值的模擬儲(chǔ)存器，即電容器，它存儲(chǔ)電荷的功能 使它充當(dāng)一個(gè)電壓存儲(chǔ)器，v = q /c ；（b）當(dāng)一個(gè)新的峰值出現(xiàn)時(shí)，用來(lái)進(jìn)一步對(duì)電容充電的單向電流開(kāi)關(guān)，即二極管；（c）當(dāng)一個(gè)新的峰值出現(xiàn)時(shí)，使電容電壓能夠跟蹤輸入電壓的器件， 即電壓跟隨器；（d） 能周期的將 vo 重新置零的開(kāi)關(guān)，這里是用兩個(gè) npn 型 bjt 串聯(lián)起來(lái)作為采樣開(kāi)關(guān)和采集電壓的電容相并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。2.3 電路分塊設(shè)計(jì)將整個(gè)電路分為三大部分，分別是正向峰值檢測(cè)的電路、反

7、向峰值檢測(cè)電路和復(fù)位開(kāi)關(guān)電路。下面對(duì)三個(gè)部分進(jìn)行分別設(shè)計(jì)。2.3.1 正向峰值檢測(cè)電路圖3正向峰值檢測(cè)電路正向峰值檢測(cè)電路原理圖如圖3所示。與參考文獻(xiàn)一中類似，由電容c2實(shí)現(xiàn)電壓存儲(chǔ)器的功能； u1為實(shí)現(xiàn)電容電壓跟隨輸入峰值變化的電壓跟隨器。對(duì)于給電容c2充電的單向開(kāi)關(guān)，我們采用了一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管q3，目的是減小反向電流同時(shí)增加第一個(gè)運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)力u2的作用是對(duì)電容電壓進(jìn)行緩沖，以防止通過(guò) r1 和任何外部負(fù)載所引起的放電。u2 選用具有超低偏執(zhí)電流的 bjt 輸入運(yùn)算放大器，以減少 c2的放電。正向峰值檢測(cè)的工作過(guò)程分為兩部分，即跟蹤模式和保持模式。在跟蹤模式期間，d2、q3二極管對(duì)相當(dāng)于一個(gè)

8、單向開(kāi)關(guān)，當(dāng)一個(gè)新的峰值到達(dá)時(shí)，oa1的輸出v1為正，d1截止d2導(dǎo)通，u1利用反饋通路d2-q3-u2-r1使輸入端之間保持虛短路。由于沒(méi)有電流流過(guò)r1，vo會(huì)跟蹤vi，u1流出的電流經(jīng)過(guò)d2對(duì)ch充電。在經(jīng)歷了峰值以后，進(jìn)入保持模式，vi開(kāi)始下降，這也使u1的輸出開(kāi)始下降.此時(shí)d2截止d1導(dǎo)通，這就給u1提供了另一條反饋通路。在保持模式期間，r2將q3極拉起，使它與陰極具有相同的電位，這樣就消除了q3的泄露，只用 d2 來(lái)保持反相偏置。2.3.2 反向峰值檢測(cè)電路圖4 反向峰值檢測(cè)電路將正向峰值檢測(cè)電路中的d1、d2反向，用一個(gè)反向的二極管d5代替q3，其他部分不變，即得到了可以檢測(cè)反向峰

9、值的電路，工作原理和正向峰值檢測(cè)電路類似。2.3.3 采樣開(kāi)關(guān)圖5 采樣開(kāi)關(guān)電路 圖6 脈沖信號(hào)發(fā)生模塊如圖所示開(kāi)關(guān)是由兩個(gè) bjt 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。給它們的基極加上一個(gè)正的脈沖會(huì)使兩個(gè) bj導(dǎo)通，c2放電。一旦脈沖結(jié)束，兩個(gè) bjt 截止；然而，因?yàn)?r7、r8 將 q1 的發(fā)射極拉至與集電極具有相同的電位,q1、q4的漏電就被消除了；僅用q2、q5來(lái)維持開(kāi)關(guān)電壓?？刂崎_(kāi)關(guān)電路脈沖信號(hào)由80c51給出，使用單片機(jī)定時(shí)編程使其p2.0和p2.1分別輸出占空比為1:14的脈沖信號(hào)，周期為0.2s,并且兩者的相位相差半個(gè)周期。第三章、電路具體設(shè)計(jì)3.1 峰值檢測(cè)電路元件參數(shù)選取3.1.1 正向峰值檢測(cè)電

10、路：1） 對(duì)于u2的要求是輸入胼胝電流必須足夠的低，這樣才能使峰值之間的電容放電最小，因此應(yīng)該選擇雙jfet運(yùn)放，這里我們采用3554am運(yùn)放。對(duì)u1的要求是它應(yīng)該具有足夠低的直流輸入誤差和輸出電流能力，以便再短暫的峰值期間對(duì)ch進(jìn)行充電。通過(guò)仿真測(cè)試，精密高速的op-249和3554am都可以滿足要求。2） 二極管選用通用的1n914，采樣開(kāi)關(guān)電路使用兩個(gè)2n2923晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)。上拉電阻r2用于限流，故選擇1m。3） 充電電容c2必須足夠的大，才能降低漏電流的影響，然而太大的電容值會(huì)導(dǎo)致充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，影響電路快速性，經(jīng)過(guò)多次仿真模擬，選用10f的電容作為c2，既可以保證回應(yīng)速度，又能很好的

11、保持峰值。4）3.1.2 反向峰值檢測(cè)電路反向峰值檢測(cè)電路的元件選取同正向電路，僅僅將兩個(gè)單向?qū)ǖ拈_(kāi)關(guān)d2和q3用同類型器件反向接入電路即可。3.2 采樣信號(hào)發(fā)生器利用80c51定時(shí)計(jì)數(shù)功能來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，p2.0和p2.1分別輸出占空比為1:19的脈沖信號(hào)，周期為0.2s，兩個(gè)信號(hào)相差半個(gè)周期，分別作為正向和反向峰值檢測(cè)的控制信號(hào)。編程程序如下：#includechar number1; void main()tmod=0x01;et0=1;ea=1;tr0=1;th0=(65536-10000)/256;tl0=(65536-10000)%256;number1=0;p2=0x00;wh

12、ile(1) switch(number1) case 9: p2=0x01; break; case 19: p2=0x02; break; default : p2=0x00; void intt0(void) interrupt 1 th0=(65536-10000)/256; tl0=(65536-10000)%256; number1+; if(number1=20)number1=0;通過(guò)修改變量number1和number2的數(shù)值，可以很容易的修改采樣周期和脈沖信號(hào)占空比。產(chǎn)生的脈沖方波波形圖：圖7 脈沖控制信號(hào)波形圖3.3 總體電路圖整體電路圖如下，改進(jìn)后的請(qǐng)見(jiàn)第六章。圖8 整

13、體電路圖第四章、電路仿真測(cè)試4.1 用一個(gè)三角波和一個(gè)正弦波的疊加作為輸入信號(hào)，以下是幾個(gè)仿真結(jié)果。1） 信號(hào)1: 頻率為15hz，幅值為10v的正弦波；信號(hào)2：頻率為20hz，占空比為5%，幅值為5v的三角波；采樣周期為0.2s，占空比為7%；2） 信號(hào)1：頻率為100hz，幅值為10v的正弦波；信號(hào)2：頻率為88hz，占空比為10%，幅值為10v的三角波；采樣周期為0.2s，占空比為7%；3） 信號(hào)1：頻率為50hz，幅值為6v的正弦波；信號(hào)2：平率為88hz，占空比為20%，幅值為6v的三角波；采樣周期為0.2s，占空比為7%；從2和3的波形圖中可以得知，當(dāng)信號(hào)變化速度較快的時(shí)候，峰值檢

14、測(cè)會(huì)有較大的失真，有些采樣期間內(nèi)的峰值沒(méi)有捕捉到?？梢酝ㄟ^(guò)減小采樣脈沖占空比的方法減小電容器放電時(shí)間，以減少漏掉峰值的現(xiàn)象。4） 信號(hào)1： 頻率為50hz，幅值為6v的正弦波； 信號(hào)2：頻率為88hz，占空比為20%，幅值為6v的三角波；采樣周期為0.2s，占空比為1%；從4的波形圖中可以得知，減小采樣脈沖占空比，可以很大程度地避免漏掉某時(shí)間段的峰值。4.2 對(duì)微小輸入信號(hào)的分析為了測(cè)試電路對(duì)微小信號(hào)的靈敏度，用一組幅值較小的輸入信號(hào)測(cè)試峰值檢測(cè)電路。1） 信號(hào)1：頻率為50hz，幅值為0.1v的正弦波；信號(hào)2：頻率為33hz，幅值為0.3v，占空比為50%的三角波；采樣周期0.2s，占空比為

15、7%；此時(shí)可以看出，由于bjt2n2923的導(dǎo)通壓降，正向峰值檢測(cè)電路放電時(shí)，電容的電壓會(huì)保持在0.9v左右，此后再進(jìn)入跟蹤和保持模式，由于信號(hào)電壓低于0.9v，輸出電壓不能跟隨信號(hào)的峰值。而對(duì)于反向峰值檢測(cè)電路，由于電容上保持的電壓是負(fù)值，在放電時(shí)由于bjt的導(dǎo)通電壓，電容放電完全后，輸出電壓還會(huì)繼續(xù)增加，即出現(xiàn)一個(gè)正的尖峰脈沖，持續(xù)時(shí)間很短，幅度大概為0.1v左右，對(duì)峰值檢測(cè)影響不大，這個(gè)誤差會(huì)在后面改進(jìn)。因此反向峰值檢測(cè)電路中不會(huì)出現(xiàn)類似正向電路那樣的情況，對(duì)小信號(hào)的峰值也可以有很好的檢測(cè)效果。對(duì)于正向峰值不能保持的問(wèn)題，我們采取如下手段進(jìn)行改進(jìn)，即將兩個(gè)三極管控制開(kāi)關(guān)的接地點(diǎn)改為接-1

16、v的電平，這樣就放電時(shí)輸出電壓最低值可以達(dá)到0.01v左右，可以充分完成對(duì)于微小信號(hào)的峰值檢測(cè)，兩個(gè)波形圖如下。2） 信號(hào)1：頻率為88hz，幅度為0.3v的正弦波；信號(hào)2：頻率為50hz，占空比為50%，幅度為0.1v的三角波；采樣周期為0.2s，占空比為7%；3） 信號(hào)1：頻率為30hz，幅度為0.3v的正弦波；信號(hào)2：頻率為20hz，占空比為10%，幅度為0.1v的三角波；采樣周期為0.2s，占空比為7%； 第五章、誤差分析5.1 復(fù)位誤差電路工作在復(fù)位模式時(shí)，輸出的電壓值應(yīng)該接近0v,這樣對(duì)于較小的輸入信號(hào)就可以很好的檢測(cè)出其峰值。但是由于bjt的導(dǎo)通壓降，復(fù)位模式下輸出電壓值距離0v

17、較大，這就是復(fù)位誤差。5.1.1 正向復(fù)位誤差由于采樣開(kāi)關(guān)使用的bjt的導(dǎo)通壓降，正向放電時(shí)電壓最低為0.9mv左右，如下圖所示：但是將開(kāi)關(guān)電路接到-1v的偏置電壓上后，這個(gè)誤差被極大的減小了。我們將脈沖信號(hào)的占空比調(diào)整為99%，即使電路始終處于復(fù)位模式，來(lái)觀察輸出的電壓值，波形圖如下：由圖，channelc是正向檢測(cè)電路的輸出，這里即是持續(xù)放電的電壓，大約為8.6mv，由此可見(jiàn)改變偏置電平減小了放電誤差。5.1.2 反向復(fù)位誤差類似的，對(duì)于反向峰值檢測(cè),同樣也存在由于bjt的導(dǎo)通誤差導(dǎo)致的放電誤差，在放電器件，反向輸出電壓可以達(dá)到正的0.9v左右，在波形圖中就成為一個(gè)正的尖峰脈沖。為了使反向

18、放電誤差有明顯的現(xiàn)實(shí)，我們將反向控制脈沖信號(hào)的占空比調(diào)整為99%，即使反向峰值檢測(cè)電路一直處于復(fù)位放電狀態(tài)，波形圖如下：為了減小這個(gè)誤差，類似于正向檢測(cè)電路，將采樣開(kāi)關(guān)的接地端改為-1v的偏置電平，這樣就解決了由于bjt導(dǎo)通壓降帶來(lái)的放電誤差，改進(jìn)后的仿真波形如下（控制脈沖的占空比為99%）：由圖可知，channeb為反向峰值檢測(cè)電路的輸出電壓，當(dāng)控制脈沖的占空比保持在99%的時(shí)候，它的輸出保持在8.6mv左右，說(shuō)明這種改進(jìn)措施很大程度上的減小了放電誤差。5.2 保持誤差當(dāng)電路工作在保持模式時(shí)，輸出電壓vo應(yīng)該嚴(yán)格保持在常數(shù)。實(shí)際上，由于漏電流的存在，電容會(huì)根據(jù)漏電的極性，緩慢地充電和放電。要

19、減小保持誤差，需減小漏電流。選用2n4117作為單向供電開(kāi)關(guān)，并且在印制電路板的時(shí)候采用輸入防護(hù)技術(shù)，可以使保持模式的漏電流極大的減小。在保證跟蹤速度的前提下，選取較大的電容值，可以降低漏電流的影響，這里我們選擇10f的電容器，在電路仿真時(shí)幾乎觀察不到保持誤差。第六章、整體電路圖經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的整體電路圖如下：第七章、總結(jié)6.1 設(shè)計(jì)總結(jié)在經(jīng)典峰值檢測(cè)電路的基礎(chǔ)上，我們對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行了細(xì)致的分析和仿真，依次對(duì)電壓跟隨部分、單向開(kāi)關(guān)部分、電壓存儲(chǔ)器部分、采樣開(kāi)關(guān)部分進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)、實(shí)際器件選擇和電路仿真，設(shè)計(jì)出了完整的模擬式峰值檢測(cè)電路。通過(guò)仿真驗(yàn)證，電路可以很好的檢測(cè)出采樣期間信號(hào)的峰值，跟蹤峰值

20、變化，并無(wú)失真地保持，復(fù)位輸出電壓非常接近0v（8.9mv）。利用單片機(jī)產(chǎn)生采樣脈沖控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了可變采樣周期。6.2 設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)1) 用2n4117型bjt代替經(jīng)典設(shè)計(jì)中的單向開(kāi)關(guān)二極管，有效減小反向電流同時(shí)增加第一個(gè)運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)力；2）將經(jīng)典設(shè)計(jì)中采樣開(kāi)關(guān)電路接地端改接-1v的偏置電壓，可以有效減小復(fù)位誤差，使電路在復(fù)位期間輸出電壓接近0v（約為8.9mv）；3）利用單片機(jī)的定時(shí)和開(kāi)關(guān)功能產(chǎn)生采樣脈沖控制信號(hào)，由于單片機(jī)編程簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)能力也能夠滿足要求，通過(guò)對(duì)程序中變量值的修改，可以方便地更改控制脈沖的占空比和周期，更加方便我們的電路仿真和實(shí)驗(yàn)。另外，在電路中嵌入單片機(jī)，不但使脈沖控制信號(hào)參數(shù)變得可調(diào)，而且方便了我們進(jìn)一步改進(jìn)電路，例如加入a/d轉(zhuǎn)換模塊，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和分析。6.3 設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)與不足1） 電路只能用于檢測(cè)幅度較大的信號(hào)，對(duì)于微小信號(hào)（平均峰值小于10mv），由于改進(jìn)后的電路復(fù)位輸出電壓為8.9mv左右，電路可能無(wú)法給出精確