電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告- 峰值檢測系統(tǒng)

PAGE12電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱:峰值檢測系統(tǒng)系（院）: 專業(yè): 班級: 姓名:學(xué)號: 指導(dǎo)教師: 學(xué)年學(xué)期: ~學(xué)年第學(xué)期 目錄1、內(nèi)容摘要…………22、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求…………………23、比較和選定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案，畫出系統(tǒng)框圖…………………23.1方案一………………………23.2方案二………………………34、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇…………44.1放大電路……………………44.2采樣／保持電路……………54.3采樣／保持控制電路…………64.4數(shù)字顯示表頭電路…………64.5數(shù)字鎖存控制電路……………75、電路的工作原理…………………86、組裝調(diào)試的內(nèi)容…………………97、系統(tǒng)需要的元器件………………108、參考文獻(xiàn)…………111、內(nèi)容摘要在科研、生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域都會(huì)用到峰值檢測設(shè)備，例如檢測建筑物的最大承受力，檢測鋼絲繩允許的最大拉力等等．準(zhǔn)確測量峰值對有關(guān)課題的研究是有重要意義的。2、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求(1)用傳感器和檢測電路測量某建筑物的最大承受力。傳感器的輸出信號為0mV～5mV，lmV等效于400kg。(2)測量值用數(shù)字顯示，顯示范圍為0000—1999。(3)峰值電壓保持穩(wěn)定。3、比較和選定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案，畫出系統(tǒng)框圖3.1方案一本課題的關(guān)鍵任務(wù)是檢測峰值并使之保持穩(wěn)定，且用數(shù)字顯示峰值．該方案用采樣／保持峰值電路，通過數(shù)據(jù)鎖存控制電路鎖存峰值的數(shù)字量。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。各組成部分的作用是：圖1峰值檢測系統(tǒng)的方案一框圖(1)傳感器：把被測信號量轉(zhuǎn)換成電壓量。(2)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。(3)采樣／保持：對放大后的被測模擬量進(jìn)行采樣，并保持峰值。(4)采樣／保持控制電路：該電路通過控制信號實(shí)現(xiàn)對峰值采樣，小于原峰值時(shí)，保持原峰值，大于原峰值時(shí)保持新的峰值。(5)A／D轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)宇量。(6)譯碼顯示：完成峰值數(shù)字量的譯碼顯示。(7)數(shù)字鎖存控制電路：對模數(shù)轉(zhuǎn)換的峰值數(shù)字量進(jìn)行鎖存，小于峰值的數(shù)字量不能鎖存。模數(shù)轉(zhuǎn)換和譯碼顯示構(gòu)成數(shù)字顯示表頭（圖1的虛線部分)。3.2方案二為實(shí)現(xiàn)峰值檢測，該方案采用數(shù)字式峰值保持器，該部分是圖2所示的虛線部分。圖2峰值檢測系統(tǒng)的方案二框圖方案二由傳感器、放大器、數(shù)字式峰值保持器和譯碼顯示器組成。該方案中除數(shù)字式峰值保持器外，其余三部分和方案一相同。數(shù)字式峰值保持器由比較器、控制門、方波發(fā)生器、計(jì)數(shù)器和D／A組成，各部分功能如下：(1)比較器：比Ui和UO的大小．當(dāng)Ui>Uo時(shí)，比較器輸出高電平，打開控制門，時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器．當(dāng)Ui<Uo時(shí)，比較器輸出低電平，封閉控制門，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。(2)方波發(fā)生器：產(chǎn)生一定頻率的方波信號，作為控制門的時(shí)鐘脈沖信號。(3)控制門：控制時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器．當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，該門開啟，時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)，該門關(guān)閉。(4)計(jì)數(shù)器：被測信號的峰值通過控制門使時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器，輸出數(shù)字量，供給譯碼顯示電路顯示峰值。計(jì)數(shù)器保持的數(shù)碼反映被檢測信號的峰值。(5)D／A：計(jì)數(shù)器的數(shù)字量送入D／A轉(zhuǎn)換器后，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。D／A輸出模擬量UO和被測量Ui比較，由比較結(jié)果1或0決定計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)還是保持峰值。綜上所述：方案一和方案二都可以將峰值保持并以數(shù)字形式輸出。方案一是對模擬量進(jìn)行采樣／保持并鎖存峰值的數(shù)字量，它可以采用集成采樣／保持電路和大規(guī)模集成電路3位半A／D轉(zhuǎn)換器。方案二是采用數(shù)字式峰值保持器，主要電路是計(jì)數(shù)器和D／A轉(zhuǎn)換，隨著輸出的位數(shù)增多，需要的器件也跟著增多．比較兩個(gè)方案可知，前者比后者電路簡單，采用的器件先進(jìn)，所用元器件少，且容易實(shí)現(xiàn)．因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇方案一。4、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇4.1放大電路由于輸入信號為0-5mV，則若選用3位半A/D，數(shù)字表頭顯示將是0000-1999感器輸出1mV等效于400kg，則5mV等效于2000kg，因而選用放大倍數(shù)Au=400電路就能完成系統(tǒng)對小信號放大的要求。(1)選擇電路：放大電路種類很多，為將傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大，采用高精度數(shù)據(jù)放大器，如圖3所示。該電路中Ai，和Ao的失調(diào)電壓量值和方向相同，可以互相抵消，所以此種電路精度很高．這種高精度數(shù)據(jù)放大器對完成弱信號的放大有重要作用。圖3高精度數(shù)據(jù)放大器(2)參數(shù)計(jì)算：由于Ui=Ux=0～5mV，U01=2V，根據(jù)公式：U01／Ui＝-(R4∕R3)（1+2R2／R1）,將U01與Ui的數(shù)值代入，有400=-(R4∕R3)（1+2R2／R1）放大器為完成400倍的放大，分配第一級放大器放大倍數(shù)1+2R2／R1=8，分配第二級放大倍數(shù)400／8=50=R4／R3，則電阻的阻值分別為R1=1.6kΩ,R2=5.6kΩ,R3=2kΩ,R4=100kΩ。(3)器件選擇：R1，R2，R3和R4都選1／8W金屬膜電阻，其阻值分別為1.6kΩ，5.6kΩ，2kΩ和100kΩ。A1，A2和A3，選用μA741型運(yùn)算放大器。由于μA741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(hù)功能、功耗較低、電源電壓適應(yīng)范圍較寬等特點(diǎn)，所以該放大電路采用此器件比較合適。4．2采樣／保持電路該電路的核心器件選用LF398采樣／保持集成電路芯片，它具有體積小、功能強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。它的功能是對模擬信號進(jìn)行采樣和存儲．具體電路如圖4所示。LF398的8腳是采樣／保持的邏輯控制腳，當(dāng)該腳輸入高電平時(shí)，LF398進(jìn)行采樣，輸入低電平時(shí)保持。保持時(shí)，回路阻抗很大，故保持能力很強(qiáng)；采樣時(shí)，輸入信號使采樣／保持電容CH迅速充電到Ui。CH的質(zhì)量對電路的性能影響很大，一般對此電容要求很高，如要求它的絕緣電阻大、漏電小?？蛇x用有機(jī)薄膜介質(zhì)電容，如聚苯乙烯和聚丙烯電容，取CH=0.1μF。4.3采樣／保持控制電路采樣／保持控制電路可選用比較電路，如圖5所示。比較電路將LF398的輸入端電壓與輸出端電壓相比較，產(chǎn)生一個(gè)控制信號Uk，用Uk控制LF398的邏輯控制腳。圖4采樣保持電路圖5采樣／保持控制電路當(dāng)Ui>Uo2時(shí)，比較器輸出Uk為高電平，使LF398采樣。當(dāng)Ui<Uo2時(shí)，比較器輸出Uk為低電平，使LF398保持。圖5中，二極管保證輸出低電平時(shí)，輸出端箝位于0電平(管壓降忽略)。Uk還用來控制數(shù)字鎖存控制電路。比較器選用運(yùn)算放大器μA741。二極管選普通硅二極管2CKll。4.4數(shù)字顯示表頭電路數(shù)字顯示表頭電路由A／D轉(zhuǎn)換和譯碼顯示兩部分組成(見圖1-4-1)。該電路可采用三位半數(shù)字電壓表電路。選擇器件如下：三位半A/D轉(zhuǎn)換器MCl4433，七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器MCl413，BCD到七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器CD4511，能隙基準(zhǔn)電源MCl403和四個(gè)共陰極LED發(fā)光數(shù)碼管。注意數(shù)字顯示表頭電路中MCl4433的EOC和DU端不是直接相連，而是通過數(shù)字鎖存控制電路連接．該表最大量程為1999kg，以1．999代表1999kg，小數(shù)點(diǎn)不用顯示。4.5數(shù)字鎖存控制電路數(shù)字鎖存控制電路是保證A/D轉(zhuǎn)換的峰值數(shù)字被鎖存在三位半A/D的輸出鎖存器內(nèi)。為完成峰值鎖存必須掌握A／D轉(zhuǎn)換器兩個(gè)管腳的功能，其中一個(gè)管腳是數(shù)字顯示更新輸入控制端DU，另一個(gè)管腳是轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出端EOC。DU的功能是：當(dāng)DU的電平為1時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果被送入輸出鎖存器；當(dāng)DU的電平為0時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器仍輸出鎖存器中原來的轉(zhuǎn)換結(jié)果。EOC的功能是，每一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)，EOC端輸出一個(gè)正脈沖。通常電路利用EOC端的輸出控制DU，則每次A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果都會(huì)被輸出，而峰值檢測電路只允許峰值結(jié)果輸出，小于峰值則不輸出。所以電路必須設(shè)置在峰值時(shí)，EOC的輸出才能控制DU。考慮三位半A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換周期為1/3s，當(dāng)峰值信號來到時(shí)，應(yīng)允許EOC的輸出在1/3s內(nèi)控制DU端。由于采樣／保持電路能在A／D轉(zhuǎn)換周期內(nèi)保持峰值的模擬量，所以在A／D轉(zhuǎn)換周期間峰值數(shù)據(jù)不會(huì)受影響，經(jīng)過前面分析，設(shè)計(jì)數(shù)字鎖存控制電路。(1)電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的數(shù)字鎖存控制電路如圖6所示。電路由單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路C、或門GA和與門GB組成。圖6中輸入信號Uk來自比較器的輸出，Uk=1表示峰值采樣，Uk=0峰值保持。電路工作情況如下：圖6數(shù)字鎖存控制電路①當(dāng)Uk=1時(shí)，或門GA輸出1，允許UEOC通過與門GB，若UEOC是高電平，則UDU也是高電平。UDU可以控制DU端，峰值數(shù)據(jù)被鎖存在A／D轉(zhuǎn)換器的輸出鎖存器中。②當(dāng)Uk由高電平變成低電平時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器C的3端是下降沿觸發(fā)的脈沖展寬延時(shí)電路輸入端，在輸入脈沖作用下，Uo在1／3s內(nèi)仍保持高電平。在1／3s內(nèi)Uo使或門GA輸出1，此間EOC的輸出電平UEOC能通過與門GB,UEOC是高電平時(shí)，UDU也是高電平，UDU也能控制DU端，使輸出鎖存器鎖存峰值數(shù)據(jù)。③當(dāng)Uk=0V，Uo=0V時(shí)，或門GA輸出為0，封鎖與門GB，UEOC不能通過與門GB，與門GB的輸出UDU為低電平，UDU封鎖A／D轉(zhuǎn)換器的輸出鎖存器，輸出鎖存器仍輸出原來的峰值數(shù)據(jù)。(2)參數(shù)計(jì)算：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3腳輸入信號Uk由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí),使輸出脈沖U0延時(shí)1／3s的高電平，數(shù)字鎖存控制電路就能控制A／D的輸出鎖存器鎖存峰值數(shù)據(jù)。輸出脈沖的延時(shí)時(shí)間Tx=1／3s由外接部件RT和CExt的數(shù)值大小所決定。根據(jù)公式Tx=CExtRTln2=0.7CExtRT;取CExt=lμF，將Tx=1／3s，C Ext=1μF代入上式，得1/3s=0.7RT×10-6s，即RT=476kΩ取標(biāo)稱值RT=510kΩ。(3)器件選擇：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器選74LSl21，或門選74LS32，與門選74LS08。CExt選lμF的聚苯乙烯電容，RT選510kΩ的金屬膜電阻。5、電路的工作原理根據(jù)方案一的框圖和設(shè)計(jì)的各部分單元電路，繪制出本課題的整機(jī)電路圖，如圖7所示。圖中正電源用+5V，負(fù)電源用一5V。圖7峰值檢測系統(tǒng)原理圖6、組裝調(diào)試的內(nèi)容①使用的主要儀器和儀表。②調(diào)試電路的方法和技巧。③測試的數(shù)據(jù)和波形并與計(jì)算結(jié)果比較分析。④調(diào)試中出現(xiàn)的故障、原因及排除方法7、系統(tǒng)需要的元器件MC144333位半A/D轉(zhuǎn)換1CD4511BCD碼—七段碼譯碼器1MC14137路輸出達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器1MC1403低壓基準(zhǔn)電壓源14位共陰數(shù)碼管或3位半共陰數(shù)碼管174LS084組2輸入與門174LS324組2輸入或門174121CT54121/CT74121單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1LF398采樣保持放大器1uA741運(yùn)放4電阻3007電阻1.6K2電阻5.6K2電阻2K2電阻100K2電阻510K1電阻470K1電阻300K1滑動(dòng)變阻器1K1電容0.1UF31UF1二極管2CK1118、參考文獻(xiàn)1.康華光主編，電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分),第四版，北京:高等教育出版社，19992.康華光主編，電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)字部分),第四版,北京：高等教育出版社，19993.童詩白主編,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),第三版,北京:高等教育出版社,20014.閻石主編，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，第四版，北京：高等教育出版社，19985.孫梅生、李梅鶯、徐搌英編，電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)，北京：高等教育出版社，19896.張志悅，鄒延引編，數(shù)字電路設(shè)計(jì)與實(shí)用電路，廣州：華南理工大學(xué)出版社，19887．陳汝全主編，電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊，北京理工大學(xué)出版社，