測控電路設(shè)計

1、燕 山 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計 說 明 書燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書 題目： 基于運(yùn)算放大器的峰值檢測電路設(shè)計 燕山大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書院（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) 號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）設(shè)計題目基于運(yùn)算放大器的峰值檢測電路設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)輸入信號是由10-100hz的正弦波和三角波疊加而成。測量電路每0.2秒采集一次輸入信號的峰值。設(shè)計要求1：完成題目的理論設(shè)計模型；2：給出系統(tǒng)原理圖、關(guān)鍵器件的參數(shù)及設(shè)計依據(jù)；3：完成電路的multisim仿真；工作量1：完成一份設(shè)計說明書（其中包括理論設(shè)計的相關(guān)參數(shù)以及仿真結(jié)果）；2：提交一份電路原理圖；工作

2、計劃周一上午到周二上午，教室內(nèi)做理論設(shè)計；周二下午到周五上午，自己有計算機(jī)的同學(xué)在教室內(nèi)做multisim仿真，沒有計算機(jī)的同學(xué)到實驗室進(jìn)行電路仿真；周五下午，教室內(nèi)整理設(shè)計材料、準(zhǔn)備撰寫設(shè)計說明書參考資料1:基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計；2：模擬電子技術(shù)；3：電路理論；4：數(shù)字電子技術(shù)；指導(dǎo)教師簽字溫江濤基層教學(xué)單位主任簽字說明：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。2013年6月28日目 錄摘要1第一章 引言2 第二章 基本原理3 2.1 波形引入3 2.2 峰值檢測3 2.3 電路功能分析4第三章 電路設(shè)計和參數(shù)設(shè)計5 3.1 電路工作過程5 3.2 檢測電路

3、5 3.3 參數(shù)選取及計算 6 3.4 電路器件選取7第四章 仿真結(jié)果及分析8 4.1 multisim仿真結(jié)果 8 4.2 對微小輸入幅值的分析 9 4.3 誤差分析 10第五章 總結(jié)11第六章 課設(shè)心得12參考文獻(xiàn)13 摘要 本文介紹一種基于運(yùn)算放大器的的峰值檢測電路設(shè)計，簡要地介紹了峰值檢測電路的工作原理與設(shè)計方案，并詳細(xì)地介紹了該檢測電路的參數(shù)設(shè)計和制作過程，通過multisim仿真與測試，記錄和分析了該峰值檢測電路的工作特性，論證了該電路的可行性。該峰值檢測電路結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，易于實現(xiàn)，在工業(yè)儀表控制的采樣電路中具有很高工程實際應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：運(yùn)算放大器；峰值檢測；multis

4、im 第1章 引言 峰值檢測技術(shù)是數(shù)字存儲示波器及數(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設(shè)備，用來實現(xiàn)波形的毛刺捕捉或高占空比信號的檢測、沖擊信號峰值檢測，比如檢測建筑物中梁的最大承受力、鋼材的最大允許拉力、軸承振動噪聲的峰值檢測等等。相比正常采樣給出信號的一個完整的波形顯示，峰值檢測只記錄發(fā)生在每個采樣間隔期間內(nèi)的最大最小峰值，這樣就可以不增加存儲深度，還可以捕獲毛刺或者偶發(fā)事件。峰值檢測的實現(xiàn)方法有模擬式實現(xiàn)和數(shù)字式實現(xiàn)兩種，模擬峰值檢測是一個專門的硬件電路，它以電容上電壓的形式存儲信號的峰值，速度比較慢，通常只能存儲寬度大于幾個微秒且具有相當(dāng)幅值的毛刺。數(shù)字

5、式峰值檢測器圍繞adc構(gòu)成，以盡可能高的采樣速率連續(xù)對信號進(jìn)行采樣，通過峰值檢測模塊篩選出最大值和最小值，然后將峰值存儲在一個專用的存儲器中作為采樣點(diǎn)值，特點(diǎn)是采樣速度快，可以實現(xiàn)高頻信號的峰值檢測。第2章 基本原理峰值檢測波形輸入輸出顯示圖1 原理框圖2.1 波形引入 波形引入部分較為簡單，在電路的開始加入一個波形發(fā)生器即可。注意波形發(fā)生器的引入方法。最好加入一個能產(chǎn)生不規(guī)則波形的波形發(fā)生器，這樣檢測到的峰值就是不斷變換的。若引入的時正弦波，則檢測顯示的結(jié)果就是一條直線。本設(shè)計引入兩個10hz -100hz的正弦波和三角波疊加輸入。2.2 峰值檢測（1）、峰值檢測概念峰值檢測電路在agc自動

6、增益控制電路和傳感器最值求取電路中廣泛應(yīng)用，平時一般作為程控增益放大器倍數(shù)選擇的判斷依據(jù)。峰值檢測電路pkd peak detector的作用是對輸入信號的峰值進(jìn)行提取，產(chǎn)生輸出vo = vpeak，為了實現(xiàn)這樣的目標(biāo)電路輸出值會一直保持，直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。就是要對信號的峰值進(jìn)行采集并保持。圖2 峰值檢測電路時域波形（2）、峰值檢測的基本原理峰值檢測的基本原理很簡單，通過一個簡單的電壓跟隨器正相輸入信號，輸出直接接反相，這樣輸出的值就是輸入值。若在輸出與波形檢測部分并接一電容，當(dāng)波形值增加時，顯示部分能指示出這一增加過程，同時電容也在充電，電容的電壓不斷增加。當(dāng)波形的峰值下

7、降時，由于電容已充電，這是波形顯示部分顯示的是電容記錄的最大值為了防止電容電壓下降，在電容與電壓跟隨器之間加一二極管。由于二極管的的單向?qū)ㄐ?，二極管的電壓不會“流失”這樣就能保證顯示部分記錄的就是輸入波形的最大值。即“遇增增，遇減不變”。2.3電路功能分析由峰值檢測器的電路特性，并根據(jù)參考文獻(xiàn)一關(guān)于峰值檢測器的內(nèi)容，可以確定下面四個功能模塊：（1）、用來保持最近峰值的模擬儲存器，即電容器，它存儲電荷的功能 使它充當(dāng)一個電壓存儲器，v = q /c ；（2）、當(dāng)一個新的峰值出現(xiàn)時，用來進(jìn)一步對電容充電的單向電流開關(guān)，即二極管；（3）、當(dāng)一個新的峰值出現(xiàn)時，使電容電壓能夠跟蹤輸入電壓的器件， 即

8、電壓跟隨器；（4）、能周期的將 vo 重新置零的開關(guān)，這里是用兩個 npn 型 bjt 串聯(lián)起來作為采樣開關(guān)和采集電壓的電容相并聯(lián)實現(xiàn)的。第3章 電路設(shè)計和參數(shù)設(shè)計3.1 峰值檢測電路工作過程電路圖中四個模塊的功能分別是由c2、d2、oa1和555多諧振蕩電路與雙bjt組成的定時開關(guān)實現(xiàn)的。oa2的作用是對電容電壓進(jìn)行緩沖，以防止通過r1和任何外部負(fù)載所引起的放電。oa2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。d1和r1可以防止oa1在檢測到峰值后出現(xiàn)飽和，因此當(dāng)一個新的峰值出現(xiàn)時，可以加快恢復(fù)速度。采用第三個二極管d3和上拉電阻r2，以消除二極管漏電流的影響。當(dāng)一個新的

9、波峰到達(dá)時，oa1的輸出v1為正，d1截，d2導(dǎo)通，oa1利用反饋通路d2-d3-oa2使它的輸入端之間保持虛短路。由于沒有電流流過r1，就會使vo跟蹤vi 。在此期間，d2、d3二極管對相當(dāng)于一個單向開關(guān)，壓降為兩個pn結(jié)的壓降和。oa1流出的電流經(jīng)過d2對c2充電。oa1的輸出比vo高了兩個二極管的壓降，即v1=vo+vd2。在經(jīng)歷了峰值之后，進(jìn)入保持模式，r2將d3的陽極拉起，使它與陰極具有相同的電位。這樣就消除了d3的泄露；只用d2來保持反相偏置，可以利用類似的技術(shù)的使復(fù)位開關(guān)漏電流最小。d1和r1是為了防止oa1在檢測到峰值后出現(xiàn)飽和。復(fù)位開關(guān)是由兩個bjt來實現(xiàn)的。給它們的基極加上

10、一個正的脈沖會使兩個bjt導(dǎo)通，c2放電。一旦脈沖結(jié)束，兩個bjt截止；然而，因為r9將q1的發(fā)射極拉至與集電極具有相同的電位，q1的漏電就被消除了；僅用 q2來維持開關(guān)電壓。這里開關(guān)脈沖采用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器電路，產(chǎn)生周期為0.2s的脈沖，使峰值檢測電路復(fù)位。3.2 檢測電路圖3 波峰檢測電路圖3.3 參數(shù)選取及計算輸入信號是由10-100hz的正弦波和三角波疊加而成。這里采用正弦信號源和信號發(fā)生器產(chǎn)生二角波來替代輸入信號。兩個信號源分別串聯(lián)一10k的電阻，然后并聯(lián)在一起組成vi 。c1在跟蹤模式期間，穩(wěn)定具有容性負(fù)載的放大器oa1，c1一般選取兒十個皮法，這里選用60 pf；r1的

11、作用是給d1提供一個電流通路，這里選取r1=10 k；r2將d3的陽極拉起，使它與陰極具有相同的電位，這里取r2 =10 k；同理取r9=10 k；c2必須足夠大，才能降低漏電流的影響；但是又必須足夠小，才能在較短時間內(nèi)完成快速充電放電。經(jīng)過仿真測試，這里選取c2=1nf。555多諧振蕩器產(chǎn)生t1=t1+t2=0.2s的方波。取 ，由于:t=t1+t2=(r5+r6) c3 ln 2t1=r6 c3 ln 2，t2=r5 c3 ln 2 取c3=10uf，經(jīng)計算得到：r6=5.77 k；r5=23.08 k。分別取標(biāo)準(zhǔn)電阻值：r6=5.76 k；r5=23.2 k 。取c4=10nf。3.4

12、設(shè)計電路器件選取oa1、oa2選取3554am；主電路中的二極管d1、d2、d3只選取1n914；二極管d4、d5取1n1202c；555選擇lm555cn；npn二極管選2n2923。第四章 仿真結(jié)果及結(jié)果分析4.1 multisim仿真結(jié)果當(dāng)輸入頻率為10hz，振幅為7v的正弦波和頻率為15hz，振幅為10v，占空比為50%的三角波時的波形為：當(dāng)輸入當(dāng)輸入頻率為25hz，振幅為5v的正弦波和頻率為100hz，振幅為10v，占空比為50%的三角波時的波形為：4.2 對于微小輸入幅值的分析由于bjt的滿偏壓降大概為0. 45v，于是當(dāng)放電期間，會呈現(xiàn)出vo 0.45v。但是在跟蹤和保持模式期間

13、，仍然可以檢測出峰值電壓。仿真分析如下：當(dāng)輸入為33hz，幅值為0.3v，占空比為50%的三角波與振幅為7v，頻率為15hz的正弦波疊加時的輸出波型如下圖：4.3 誤差分析觀察4.1的兩個圖，發(fā)現(xiàn)輸出波形在放電期間不為零，這主要是由于bjt的集電極到發(fā)射極有壓降，為vce 0.45v。對于555多諧振蕩器，輸入不為嚴(yán)格的5v，而是r7/rx與r8分壓產(chǎn)生的接近5v的電壓。其中，rx二為555振蕩器電路中電阻疊加之和。于是有vi1 。這會影響到而且由于r5，r6進(jìn)行了近似，所以t 0.2s，而不是嚴(yán)格的0.2s。對于降低誤差，選取阻值較小的r5，r6，減小555振蕩電路的并聯(lián)電阻影響。在主測量電

14、路中，在跟蹤期間，d2一d3二極管有一導(dǎo)通壓降，于是呈現(xiàn)出vo vi 。峰值為vo=vi(peak）一2vd。第5章 總結(jié) 峰值檢測器主要包括信號跟隨、信號保持、信號復(fù)位等。即當(dāng)輸入信號vi增大時，電路對其采樣，并使輸出vo。能夠很好的跟隨輸入；當(dāng)輸入信號vo減小時，電路進(jìn)入保持階段，即保持前一個峰值并輸出；當(dāng)vi再次大于此保持電壓時，電路繼續(xù)跟蹤vi進(jìn)行采樣；當(dāng)復(fù)位信號到來時，電容放電，然后開始采樣一保持的下一周期。通過電容和二極管、op搭接成的電壓跟隨器，可以很好的對測量信號進(jìn)行峰值保持，然后送給信號處理電路進(jìn)行分析。峰值保持器為較高頻率的信號采樣提供了一個很好的解決方案。具有很高的工業(yè)實

15、用價值。本電路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本較低，可以作為測量儀表中的一個模塊，提高儀表的準(zhǔn)確性和靈敏性。第6章 課設(shè)心得經(jīng)過將近一周的時間勉強(qiáng)完成了所做的題目?；叵脒@一周感覺有些狼狽，因為對模擬電路知識掌握的太少，課設(shè)的時候力不從心。回頭去復(fù)習(xí)學(xué)過的那一點(diǎn)點(diǎn)知識，也感覺很吃力。忽然在那時候明白了，平時該用哪種態(tài)度去面對學(xué)習(xí)，該怎樣去學(xué)習(xí)。也對自己虛度過的3年深深感到自責(zé)。不過，在這一周中也是快樂的，因為有收獲總會使人感到開心滿足，即便是那么一點(diǎn)點(diǎn)。從剛開始拿到題目的茫然，到現(xiàn)在已經(jīng)可以胸有成竹的講出峰值檢測的原理和設(shè)計。從查閱資料開始，慢慢的了解關(guān)于題目的內(nèi)容，然后開始設(shè)計，將想法在multisi

16、m上實現(xiàn)，經(jīng)過不斷的修改完善得到最終結(jié)果。multisim是一款非常強(qiáng)大的電路模擬軟件，我會在以后深入的學(xué)習(xí)使用。通過這次課設(shè)，我深刻地認(rèn)識到，理論與實踐的結(jié)合是十分有必要的，僅有書本的知識而不去實際設(shè)計、仿真、實驗，是無法透徹理解所學(xué)，就更別提應(yīng)用所學(xué)了。這一周中也得到了很多老師和同學(xué)的幫助，正因為這些幫助使我很好的完成了課設(shè)，在此表示感謝。參考文獻(xiàn)1(美國)賽爾吉?dú)W佛朗哥.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計m.西安交通大學(xué)出版社.20092康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ):模擬部分(第五版)m.高等教育出版社.20103.梁青等.multisim 11電路仿真與實踐m.清華大學(xué)出版社.20124張新喜.multisim10電路仿真及應(yīng)用 m.機(jī)械工業(yè)出版社.2011第 12 頁