峰值檢測系統(tǒng)的設計

1、一、設計說明本設計的任務是設計一個峰值檢測系統(tǒng)，其關鍵任務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，放大器的輸出結果滿足模數(shù)轉換器的轉換范圍。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，小于原峰值時，保持原峰值，大于原峰值時保持新的峰值。A/D轉換：將模擬量轉換成數(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)轉換的峰值數(shù)字量

2、進行鎖存，小于峰值的數(shù)字量不鎖存。二、技術指標1 .放大器輸入阻抗R>1血；頻帶寬度：0HL1kHz;共模抑制比：KcMR>70dR2 .測量信用數(shù)字顯示，顯示范圍：0000-9999;三、設計要求1.傳感器輸出信號為05mV1mV效于400kg；2.根據(jù)技術指標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（元器件標準化，電路圖規(guī)范化）。四、實驗要求1.根據(jù)技術指標制定實驗方案，驗證所設計的電路；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.張福學編著.傳感器應用及其電路精選.北京：電子工業(yè)出版社，1992.六、按照要求撰寫課程設計報告指導教師年月日負責教師年月日

3、年月日成績評定表評語、建議或需要說明的問題：指導教師簽字：日期：成績摘要：本文主要設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、場效應管和電容電路組成。第二部分是A/D轉換及譯碼顯示電路，主要有由A/D轉換芯片和數(shù)碼管組成。該電路具有結構簡單、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轉換及譯碼一、概述本設計的任務是設計一個峰值檢測系統(tǒng)，其關鍵任務是檢測峰值并保持穩(wěn)定。它由傳感器、放大器、采樣/保持、采樣/保持控制電

4、路、A/D（模數(shù)轉換）、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，放大器的輸出結果滿足模數(shù)轉換器的轉換范圍。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，小于原峰值時，保持原峰值，大于原峰值時保持新的峰值。A/D轉換：將模擬量轉換成數(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)轉換的峰值數(shù)字量進行鎖存，小于峰值的數(shù)字量不鎖存。這次課程設計用的是計算機軟件仿真，計算機軟件仿真是利用計算機速度快、存儲容量大的特點，在計算機這一現(xiàn)代化實驗裝置

5、上采用數(shù)學模擬的方法，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指標的測量。本次課程設計，主要用Mutisim10軟件來進行電路仿真分析與測試。二、方案設計根據(jù)課程設計任務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轉換及譯碼顯示電路主要完成將輸入的模擬信號轉換為數(shù)字信號并數(shù)字輸出，便于讀取。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)示例方案原理框圖三、電路設計1、放大電路設計：選用電壓增益Au=400

6、的放大電路完成系統(tǒng)對小信號放大的要求。本次課程設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。由于此電路中放大器要完成400倍的放大任務，400倍分為兩級放大，所以要求兩級的放大倍數(shù)相乘等于分配等于400即可，選取第一級的電壓增益Au為5,分配第二級的電壓增益Ait為80,能夠達到放大要求。放大電路

7、設計如圖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成；其中由于U1和U2采用相同的運算放大器,使U1和U2的失調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：U|=R(Ui-U2),即UiU2=(1+ZR2)UI,所以輸出電壓公式為2Re'RsRs10Q,R5=2KQUo=-詈91U2)=-詈(1+6)U。其中RiR1R1R8R6=100Q,Rs=200Q。設輸入電壓為U1=5mv;根據(jù)上述公式得出輸出電壓UO=2v02

8、、采樣/保持電路設計：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，由于沒有輸入輸出的緩沖，在實際應用中，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?；谏厦娴脑?，我們有必要對上述電路進行改進，于

9、是，我設計出了下面的電路。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）將場效應管當二極管用，可以有效減小反向電流同時增加第一個運放的輸出驅動力；（3）小電容是防止自激的。實際應用中可以用TL082雙運放和1N4148來代替場效應管，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清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,用來記錄電壓峰值；（2）單向電流開關，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

10、直流特性，從而減小集成運放OPA128JM勺偏置電流；（2）將場效應管當作二極管使用，可以有效減小反向電流同時增加第一個運放的輸出驅動能力；（3）小電容是防止自激的。3.A/D轉換及數(shù)字顯示系統(tǒng)的設計欲完成模數(shù)轉換，則需要A/D轉換的芯片，本課程設計所用的A/D轉換芯片是ICL7107,ICL7107是專為驅動LED顯示器而設計的三位半雙積分式A/D轉換器,它能直接驅動共陽極LED顯示器，不需另加驅動電路和限流電路，使整機電路簡化，顯示清晰，亮度高，便于夜間觀察，顯示器采用七段共陽極數(shù)碼管。當模擬信號從模擬信號輸入端輸入時，經(jīng)過A/D轉換電路后即可將模擬信號轉換為數(shù)字信號并輸出，A/D轉換及數(shù)

11、字顯示電路見圖4。N3S04-模擬信號輸入7U4圖4A/D轉換和數(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，由于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為2V,打開電路開關用示波器測得的數(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)值知該放大電路較好的完成了放大指標。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于采樣/保持控制電路的結果測試，該課程設計題目要求當有信號輸入時，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，當改變輸入信號

12、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同接入，觀測波形：其中B為輸入端，A為輸出端。當輸入為5mv時，測得輸出檢測的信號電壓為1.997V,約等于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。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

13、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：當輸入3mVt壓時，放大電路放大為1.2V,小于2V,由于場效應管具有單向導電性，所以此時場效應管處于截止狀態(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。當輸入信號峰值為5mV時，改變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時的波形當信號源輸入7mV勺電壓時，經(jīng)過放大電路放大為2.8V,大于原先的2V電壓,場效應管導通，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，當輸入信號峰值為

14、5mv時，增大輸入峰值為6mM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，結果顯示數(shù)值依然滿足要求，也就是說當輸入信號峰值既有增大又有減小的時候，示波器檢測的峰值依然滿足課程設計題目的要求。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、結論：通過對輸入信號的驗證，該電路較好的完成了本次課程設計的要求。六、性價比本次設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，具有失調電壓調整能力和短路保護能力，功率較低，電源電壓適應范圍較寬等特點，最重要是價格合理，所以選用該放大器件比較合適。通過測試所設計的電路符合課題所提出的要

15、求和指標，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/保持電路中由于將二極管換成了場效應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。止匕外，該電路設計思路簡單，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、課設體會及合理化建議三周的電子綜合課程設計已經(jīng)結束了，通過這次電子綜合課程設計，我掌握了峰值檢測系統(tǒng)的原理及電路的設計，同時也明白了峰值檢測系統(tǒng)性能指標測試方法，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

16、設計過程中，遇到了許多的問題，但是通過向老師和同學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到了許多自己在理論課上學不到的東西，感覺自己很有成就感，很高興。使我學到了許多在課堂上學不到的東西。我還了解到：只有親自上機操作才能學到真知識，我也更加明白了那句話：“紙上談來終覺淺，深知此事要躬行”的意義。但是在實際設計過程中還有一些地方掌握得不是很好，還需在以后的學習和實驗中多加練習和體會。作為電氣信息類專業(yè)的大學生，學習并掌握電路設計系統(tǒng)是很必要的。所以，只有掌握了自己所學專業(yè)的尖端技術并運用自如，才能在以后的工作中立于不敗之地。合理化建議：(1)希望學校在以后多多增加類

17、似的課程設計，多多鍛煉我們的上機和思維動手能力。(2)由于實驗室的電腦數(shù)量有限，不能滿足所有同學的上機時間，給一些同學帶來一些不便，希望學校以后能夠增加相關儀器設備。參考文獻1 .華成英、童詩白主編.模擬電子技術基礎(第四版).M北京：高等教育出版社，2006年2 .張福學主編.傳感器應用及其電路精選.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：科學出版社，2005年.4 .閻石主編.數(shù)字電子技術基礎.M北京：高等教育出版社，2006年.5 .趙淑范、王憲偉主編.電子技術實驗與課程設計.M北京：清華大學出版社,2006年.附錄I總電路圖45匚.0XXFG11412“V70二一12VU2614V112V5U11V5012V3288RT3288RT?0|.R3112k|并4/xa/R7-7-Wv8100|200|R6?00|?0|.R1L120i也12VR59412VU33288RT25V9115V5430|-0V415VLT1055ACHU4D21N*：C12910p285%D195%?MI26-R2Q1.I-0II2N4117A242748-32-115V10531|I|-0-II'V815VU