峰值檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、一、設(shè)計(jì)說(shuō)明本設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)峰值檢測(cè)系統(tǒng)，其關(guān)鍵任務(wù)是檢測(cè)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(zhuǎn)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(cè)信號(hào)量轉(zhuǎn)換成電壓量。放大器：將傳感器輸出的小信號(hào)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。采樣/保持：對(duì)放大后的被測(cè)模擬量進(jìn)行采樣，并保持峰值。采樣/保持控制電路：該電路通過(guò)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)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。A/D轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)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(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的峰值數(shù)字量

2、進(jìn)行鎖存，小于峰值的數(shù)字量不鎖存。二、技術(shù)指標(biāo)1 .放大器輸入阻抗R>1血；頻帶寬度：0HL1kHz;共模抑制比：KcMR>70dR2 .測(cè)量信用數(shù)字顯示，顯示范圍：0000-9999;三、設(shè)計(jì)要求1.傳感器輸出信號(hào)為05mV1mV效于400kg；2.根據(jù)技術(shù)指標(biāo)通過(guò)分析計(jì)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(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。四、實(shí)驗(yàn)要求1.根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路；2.進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析五、推薦參考資料1.張福學(xué)編著.傳感器應(yīng)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(shè)計(jì)報(bào)告指導(dǎo)教師年月日負(fù)責(zé)教師年月日

3、年月日成績(jī)?cè)u(píng)定表評(píng)語(yǔ)、建議或需要說(shuō)明的問(wèn)題：指導(dǎo)教師簽字：日期：成績(jī)摘要：本文主要設(shè)計(jì)了能夠檢測(cè)輸入信號(hào)峰值的電路，該電路分為三部分，第一部分是信號(hào)放大電路電路，主要有由三個(gè)放大器組成。第二部分是采樣保持電路，主要有運(yùn)放、場(chǎng)效應(yīng)管和電容電路組成。第二部分是A/D轉(zhuǎn)換及譯碼顯示電路，主要有由A/D轉(zhuǎn)換芯片和數(shù)碼管組成。該電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元器件用量少、成本低的特點(diǎn)。在眾多的這類電路中是比較簡(jiǎn)單實(shí)用的。關(guān)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(zhuǎn)換及譯碼一、概述本設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)峰值檢測(cè)系統(tǒng)，其關(guān)鍵任務(wù)是檢測(cè)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(zhuǎn)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(cè)信號(hào)量轉(zhuǎn)換成電壓量。放大器：將傳感器輸出的小信號(hào)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。采樣/保持：對(duì)放大后的被測(cè)模擬量進(jìn)行采樣，并保持峰值。采樣/保持控制電路：該電路通過(guò)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)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。A/D轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)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(duì)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)字量不鎖存。這次課程設(shè)計(jì)用的是計(jì)算機(jī)軟件仿真，計(jì)算機(jī)軟件仿真是利用計(jì)算機(jī)速度快、存儲(chǔ)容量大的特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)這一現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)裝置

5、上采用數(shù)學(xué)模擬的方法，運(yùn)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(shù)指標(biāo)的測(cè)量。本次課程設(shè)計(jì)，主要用Mutisim10軟件來(lái)進(jìn)行電路仿真分析與測(cè)試。二、方案設(shè)計(jì)根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)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(zhuǎn)換及譯碼顯示幾部分。其中放大器電路完成對(duì)輸入信號(hào)的放大，采樣/保持電路完成對(duì)信號(hào)的采樣及信號(hào)峰值保持的功能，A/D轉(zhuǎn)換及譯碼顯示電路主要完成將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(cè)系統(tǒng)示例方案原理框圖三、電路設(shè)計(jì)1、放大電路設(shè)計(jì)：選用電壓增益Au=400

6、的放大電路完成系統(tǒng)對(duì)小信號(hào)放大的要求。本次課程設(shè)計(jì)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(hào)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(gè)運(yùn)算放大器分別用U1,U2,U3表示。該電路U1和U2的失調(diào)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(duì)完成弱信號(hào)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(wù)，400倍分為兩級(jí)放大，所以要求兩級(jí)的放大倍數(shù)相乘等于分配等于400即可，選取第一級(jí)的電壓增益Au為5,分配第二級(jí)的電壓增益Ait為80,能夠達(dá)到放大要求。放大電路

7、設(shè)計(jì)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(gè)運(yùn)放構(gòu)成；其中由于U1和U2采用相同的運(yùn)算放大器,使U1和U2的失調(diào)電壓的量值和方向相同，可以相互抵消，從而抑制共模信號(hào)，與此同時(shí)，差模信號(hào)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(yùn)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(shè)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(shè)計(jì)：說(shuō)到峰值檢測(cè)器，我們想到的最簡(jiǎn)單的電路便是由一個(gè)二極管和一個(gè)電容構(gòu)成的電路，但我們知道，超級(jí)二極管有一個(gè)缺點(diǎn)，就是Vi從負(fù)電壓變成正電壓的過(guò)程中，為了閉合有二極管的負(fù)反饋回路，運(yùn)放要結(jié)束負(fù)飽和狀態(tài)，輸出電壓要從負(fù)飽和電壓值一直到（Vi+V二極管）。這個(gè)過(guò)程需要花費(fèi)時(shí)間，如果在這個(gè)過(guò)程，輸入發(fā)生變化，輸出就會(huì)出現(xiàn)失真。所以，這個(gè)電路工作時(shí)性能很不理想，對(duì)1nF的電容器，100ms后達(dá)到穩(wěn)定的峰值，誤差達(dá)10%而且，由于沒(méi)有輸入輸出的緩沖，在實(shí)際應(yīng)用中，電容器中的電荷會(huì)被其他部分電路負(fù)載消耗，造成峰值檢測(cè)器無(wú)法保持信號(hào)峰值電壓。基于上面的原因，我們有必要對(duì)上述電路進(jìn)行改進(jìn)，于

9、是，我設(shè)計(jì)出了下面的電路。該圖有幾個(gè)用心之處：（1）采用運(yùn)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(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)二極管用，可以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；（3）小電容是防止自激的。實(shí)際應(yīng)用中可以用TL082雙運(yùn)放和1N4148來(lái)代替場(chǎng)效應(yīng)管，性能價(jià)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(guò)電路圖我們可以清楚的看到該電路有這么幾個(gè)模塊組成：（1）模擬峰值存儲(chǔ)器，即電容器C2,用來(lái)記錄電壓峰值；（2）單向電流開(kāi)關(guān)，即二極管D1;（3）輸入輸出緩沖隔離，即運(yùn)算放大器OPA128JM此外，該電路還有幾個(gè)特別之處：（1）采用FET集成運(yùn)放提高

10、直流特性，從而減小集成運(yùn)放OPA128JM勺偏置電流；（2）將場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)作二極管使用，可以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)能力；（3）小電容是防止自激的。3.A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)欲完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，則需要A/D轉(zhuǎn)換的芯片，本課程設(shè)計(jì)所用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是ICL7107,ICL7107是專為驅(qū)動(dòng)LED顯示器而設(shè)計(jì)的三位半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器,它能直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極LED顯示器，不需另加驅(qū)動(dòng)電路和限流電路，使整機(jī)電路簡(jiǎn)化，顯示清晰，亮度高，便于夜間觀察，顯示器采用七段共陽(yáng)極數(shù)碼管。當(dāng)模擬信號(hào)從模擬信號(hào)輸入端輸入時(shí)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路后即可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸出，A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)

11、字顯示電路見(jiàn)圖4。N3S04-模擬信號(hào)輸入7U4圖4A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)碼顯示電路四、性能的測(cè)試首先測(cè)試放大電路的放大功能，首先輸入5mv的正弦信號(hào)，將信號(hào)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(hào)的峰值應(yīng)為2V,打開(kāi)電路開(kāi)關(guān)用示波器測(cè)得的數(shù)值為理論計(jì)算值，觀察波形和峰值驗(yàn)證放大電路是否正確，由實(shí)際測(cè)得的數(shù)值知該放大電路較好的完成了放大指標(biāo)。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(duì)于采樣/保持控制電路的結(jié)果測(cè)試，該課程設(shè)計(jì)題目要求當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，采樣/保持控制電路會(huì)自動(dòng)檢測(cè)輸入信號(hào)的峰值，并顯示其峰值，當(dāng)改變輸入信號(hào)

12、的峰值時(shí)，如果輸入信號(hào)的峰值比原信號(hào)的峰值大，則檢測(cè)的峰值跟隨較大的峰值，當(dāng)輸入信號(hào)的峰值比原信號(hào)的峰值小的時(shí)候，則檢測(cè)的峰值依然跟隨較大的峰值。為檢測(cè)以上要求是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，分別采用輸入信號(hào)峰值為5mV時(shí)檢測(cè)，然后改變輸入峰值，使其為3mV再采用輸入信號(hào)峰值為5mV寸檢測(cè)，然后改變輸入峰值，使其為7mV選用示波器，并將信號(hào)源的輸入信號(hào)與電容中保持的信號(hào)一同接入，觀測(cè)波形：其中B為輸入端，A為輸出端。當(dāng)輸入為5mv時(shí)，測(cè)得輸出檢測(cè)的信號(hào)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(biāo)。該部分檢測(cè)電路的輸出波形如圖5所示；圖5輸入5V時(shí)的采樣波形當(dāng)

13、輸入信號(hào)峰值為5mV時(shí)，改變輸入信號(hào)的峰值使其為3mv時(shí)，輸出波形如圖6所示；圖6輸入3mV時(shí)的波形說(shuō)明：當(dāng)輸入3mVt壓時(shí)，放大電路放大為1.2V,小于2V,由于場(chǎng)效應(yīng)管具有單向?qū)щ娦?，所以此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(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(dāng)輸入信號(hào)峰值為5mV時(shí)，改變輸入信號(hào)的峰值使其為7mv時(shí)，輸出波形如圖7所示。圖7輸入7mV時(shí)的波形當(dāng)信號(hào)源輸入7mV勺電壓時(shí)，經(jīng)過(guò)放大電路放大為2.8V,大于原先的2V電壓,場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電容器C2開(kāi)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(hào)。另外，當(dāng)輸入信號(hào)峰值為

14、5mv時(shí)，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(jié)果顯示數(shù)值依然滿足要求，也就是說(shuō)當(dāng)輸入信號(hào)峰值既有增大又有減小的時(shí)候，示波器檢測(cè)的峰值依然滿足課程設(shè)計(jì)題目的要求。輸出波形如圖8所示。圖8輸入信號(hào)既有增大又有減小時(shí)的情況五、結(jié)論：通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的驗(yàn)證，該電路較好的完成了本次課程設(shè)計(jì)的要求。六、性價(jià)比本次設(shè)計(jì)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(diào)電壓調(diào)整能力和短路保護(hù)能力，功率較低，電源電壓適應(yīng)范圍較寬等特點(diǎn)，最重要是價(jià)格合理，所以選用該放大器件比較合適。通過(guò)測(cè)試所設(shè)計(jì)的電路符合課題所提出的要

15、求和指標(biāo)，能把輸入的小信號(hào)放大400倍，并長(zhǎng)時(shí)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(chǎng)效應(yīng)管使該電路的采樣性能得到了很大的提高，同時(shí)穩(wěn)定性得到了增強(qiáng)。止匕外，該電路設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單，電路圖可讀性好，所用的器件在市場(chǎng)上容易找到而且性價(jià)比較高，價(jià)格比較便宜，制作簡(jiǎn)單，很適合將其投入市場(chǎng)。七、課設(shè)體會(huì)及合理化建議三周的電子綜合課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束了，通過(guò)這次電子綜合課程設(shè)計(jì)，我掌握了峰值檢測(cè)系統(tǒng)的原理及電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也明白了峰值檢測(cè)系統(tǒng)性能指標(biāo)測(cè)試方法，而且進(jìn)一步熟練了multisim10軟件的使用，開(kāi)始做這個(gè)課程設(shè)計(jì)的時(shí)候我對(duì)題目不是很了解，通過(guò)老師講解之后使我對(duì)題目有了詳細(xì)的了解，在實(shí)際

16、設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到了許多的問(wèn)題，但是通過(guò)向老師和同學(xué)請(qǐng)教之后便一一解決了，有的是自己從中悟出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，使自己真的了解并學(xué)到了許多自己在理論課上學(xué)不到的東西，感覺(jué)自己很有成就感，很高興。使我學(xué)到了許多在課堂上學(xué)不到的東西。我還了解到：只有親自上機(jī)操作才能學(xué)到真知識(shí)，我也更加明白了那句話：“紙上談來(lái)終覺(jué)淺，深知此事要躬行”的意義。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中還有一些地方掌握得不是很好，還需在以后的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中多加練習(xí)和體會(huì)。作為電氣信息類專業(yè)的大學(xué)生，學(xué)習(xí)并掌握電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)是很必要的。所以，只有掌握了自己所學(xué)專業(yè)的尖端技術(shù)并運(yùn)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(xué)校在以后多多增加類

17、似的課程設(shè)計(jì)，多多鍛煉我們的上機(jī)和思維動(dòng)手能力。(2)由于實(shí)驗(yàn)室的電腦數(shù)量有限，不能滿足所有同學(xué)的上機(jī)時(shí)間，給一些同學(xué)帶來(lái)一些不便，希望學(xué)校以后能夠增加相關(guān)儀器設(shè)備。參考文獻(xiàn)1 .華成英、童詩(shī)白主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版).M北京：高等教育出版社，2006年2 .張福學(xué)主編.傳感器應(yīng)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(xué)出版社，2005年.4 .閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).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(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).M北京：清華大學(xué)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