毕业设计---基于运算放大器的峰值检测电路设计

课 程 设 计 说 明 书 题目：基于运算放大器的峰值检测电路设计 课程设计（论文）任务书 院（系 ）： 电 气工程学院 基 层教学单位：仪器科学与工程系 学 号 080103020042 学生姓名 井涛 专业（班级） 08检测 1 班 设计题目 基于运算放大器的峰值检测电路设计 设 计 技 术 参 数 输入信号是由 10-100Hz 的正弦波和三角波叠加而成。测量电路每隔 0.2 秒采 集一次输入信号的峰值。 设 计 要 求 1：完成 题 目 的理论设计模型； 2：完成电 路 的 multisim 仿真； 工 作 量 1：完成一 份 设计说明书（其中包括理论设计的相关参数及仿真结果 ）； 2：提交一 份 电路原理图； 工 作 计 划 周一，查阅资料； 周二到周四，理论设计及计算机仿真； 周五，撰写设计说明书； 参 考 资 料 1：基于运 算 放大器和模拟集成电路的电路设计； 2：模拟电 子 技术； 3：数字电 子 技术； 4：电路理论 指导教师签字 基层教学单位主任签字 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。 2011年 6 月 25 日 3 燕山大学课程设计评审意见表 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日 答辩小组评语： 成绩： 组长： 年 月 日 课程设计总成绩： 答辩小组成员签字： 年 月 日 4 基于运算放大器的峰值检测电路设计 目 录 第 一 章 引言 . 2 第 二 章 基本原理 .2 2.1原理分析及原理框图 . . . .2 2.2 电路功能分 析 . 3 2.2 电路分块设计 . 4 第 三 章 电路 具体设计 . . . . . 7 3.1 峰值检测电路元件参数选取 . 7 3.2 采样信号发生器 . . 8 3.3 总体电路图 . . . 9 第 四 章 电路 仿真 测试 . 10 4.1 输出波形 multisim仿 真 . 10 4.2 对于微小输入 信号 的分 析 . 14 第 五 章 误差分析 . 17 5.1 复位误差 . . . 17 5.2 保持误差 . . . . . 21 第六章 整 体电路图 . . 22 第七章 结论 . 23 第八章 心得体会 . . . 24 参考文献 . 25 5 第一章、 引言 峰值检 测技术是数字存储示波器及数字采集卡中的重要技术之一，在科研、生产的很多领域都需要用到峰值检测设备，用来实现波形的毛刺捕捉或高占空比信号的检测、冲击信号峰值检测 ，比如检测建筑物中梁的最大承受力、钢材的最大允许拉力、 轴承振动噪声的峰值检测 等等。相比正常采样给出信号的一个完整的波形显示，峰值检测只记录发生在每个采样间隔期间内的最大最小峰值，这样就可以不增加存储深度，还可以捕获毛刺或者偶发事件。 峰值检测的实现方法有模拟式实现和数字式实现两种，模拟峰值检测是一个专门的硬件电路，它以电容上电压的形式存储信号的峰值，速 度比较慢，通常只能存储宽度大于几个微秒且具有相当幅值的毛刺。数字式峰值检测器围绕 ADC 构成，以尽可能高的采样速率连续对信号进行采样，通过峰值检测模块筛选出最大值和最小值，然后将峰值存储在一个专用的存储器中作为采样点值，特点是采样速度快，可以实现高频信号的峰值检测。 这次课设的给出需要检测的输入信号的是由 10-100Hz 的正弦波和三角波叠加而成，测量电路每 0.2s 采集一次输入信号峰值，属于对低频信号的峰值采集，因此采用模拟硬件电路的方式实现峰值检测。 第二章、基本原理 2.1 原理分析及原理框图 2.1.1 原理分析 峰值检测电路（ PKD， Peak Detector）的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输 6 出 Vo = Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。它的时域波形如图 1 所示： 图 1 峰值检测电路时域波形 2.1.2 原理框图 图 2 电路原理框图 2.2 电路功能分析 由峰值检测器的电路特性，并根据参考文献一关于峰值检测器的内容，可以确定下面四个功能模块： （ a） 用来保持最近峰值的模拟储存器 ， 即电容 器 ， 它存储电荷的功能 使它充当一个电压存储器 ， V = Q / C ； （ b） 当一个新 的 峰值出现 时 ，用来进 一 步对电容 充 电的单向 电 流 开 关，即二输入信号 电压跟随 单向充电开关 电压存储器 脉冲采样开关信号 输出信号 7 极管； （ c） 当一个新的峰值出现时，使电容电压能够跟踪输入电压的器件， 即电压跟随器； （ d） 能周期的将 vo 重新置零的开关 ， 这里是用两个 NPN 型 BJT 串联起来作为采样开关 和采集电压的电容相并联实现的。 2.3 电路分块设计 将整个电路分为三大部分，分别是正向峰值检测的电路、反向峰值检测电路和复位开关电路。下面对三个部分进行分别设计。 2.3.1 正向峰值 检测电路 图 3 正向峰值检测电路 正向峰值检测电路原理图如图 3所示。与参考文献一中类似，由电容 C2实现电压存储器的功能； U1为实现电容电压跟随输入峰值变化的电压跟随器。对于给电容 C2充电的单向开关，我们采用了一个场效应管 Q3，目的是减小反向电流同时增加第一个运放的输出 8 驱动力 U2的作用是对电容电压进行缓冲，以防止通过 R1 和 任 何外部负载所引起的 放电。U2 选用具有超低偏执电流的 BJT 输入运算放大器，以减少 C2的放电。 正向峰值检测的工作过程分为两部分，即跟踪模式和保持模式。在跟踪模式期间，D2、 Q3二极管对相当于一个单向开关 ，当一个新的峰值到达时， OA1的输出 V1为正， D1截止 D2导通， U1利用反馈通路 D2-Q3-U2-R1使输入端之间保持虚短路。由于没有电流流过 R1，Vo会跟踪 Vi， U1流出的电流经过 D2对 CH充电。在经历了峰值以后，进入保持模式， Vi开始下降，这也使 U1的输出开始下降 .此时 D2截止 D1导通，这就给 U1提供了另一条反馈通路。 在保持模式期间 ， R2将 Q3极拉起 ， 使它与阴极具有相同的电位，这样就消除了 Q3的泄露，只用 D2 来保持反相偏置。 2.3.2 反向峰值检测电路 图 4 反向峰 值检测电路 将正向峰值检测电路中的 D1、 D2反向，用一个反向的二极管 D5代替 Q3，其他部分不变，即得到了可以检测反向峰值的电路，工作原理和正向峰值检测电路类似。 2.3.3 采样开关 9 图 5 采样开关电路 图 6 脉冲信号发生模块 如图所示开关是由两个 BJT 来 实 现的。给它们的基极加上一个正的脉冲会使两个 10 BJ导通， C2放电 。 一旦脉冲结束 ， 两个 BJT 截 止 ； 然而 ， 因为 R7、 R8 将 Q1 的发射极拉至与集电 极具有相 同 的电位 ,Q1、 Q4的漏电就被 消 除了；仅 用 Q2、 Q5来维持开 关 电压。 控制开关电路脉冲信号由 80C51给出，使用单片机定时编程使其 P2.0和 P2.1分别输出占空比为 1:14的脉冲信号，周期为 0.2s,并且两者的相位相差半个周期。 第三章 、电路具体设计 3.1 峰值检测电路元件参数选取 3.1.1 正向峰值检测电路： 1） 对于 U2的要求是输入胼胝电流必须足够的低，这样才能使峰值之间的电容放电最小，因此应该选择双 JFET运放，这里我们采用 3554AM运放。对 U1的要求是它应该具有足够低的直流输入误差和输出电流能力，以便再短暂的峰值期间对 CH进行充电。通过仿真测试，精密高速的 OP-249和 3554AM都可以满足要求。 2） 二极管选用通用的 1N914，采样开关电路使用两个 2N2923晶体管来实现。上拉电阻 R2用于限流，故选择 1M。 3） 充电电容 C2必须足够的大，才能降低漏电流的影响，然而太大的电容值会导致充电时间过长，影响电路快速性，经过多次仿真模拟，选用 10 f的电容作为 C2，既可以保证回应速度，又能很好的保持峰值。 4） 3.1.2 反向峰值检测电路 反向峰值检测电路的元件选取 同正向电路， 仅仅将两个单向导通的开关 D2和 Q3用同类型器件反向接入电路即可。 3.2 采样信号发生器 11 利用 80C51定时计数功能来产生脉冲信号， P2.0和 P2.1分别输出占空比为 1:19的脉冲信号，周期为 0.2s，两个信号相差半个周期，分别作为正向和反向峰值检测的控制信号。 编程程序如下： #include char number1； void main() TMOD=0X01； ET0=1； EA=1； TR0=1； TH0=(65536-10000)/256； TL0=(65536-10000)%256； number1=0； P2=0X00； while(1) switch(number1) case 9: P2=0X01； break； case 19: P2=0x02； break； default : P2=0x00； 12 void intt0(void) interrupt 1 TH0=(65536-10000)/256； TL0=(65536-10000)%256； number1+； if(number1=20)number1=0； 通过修改 变量 number1和 number2的数值，可以很容易的修改采样周期和脉冲信号占空比。 产生的脉冲方波波形图： 图 7 脉冲控制信号波形图 3.3 总体电路图 整体电路图如下，改进后的请见第六章。 13 图 8 整体电路图 第四章、 电路仿真测试 4.1 用一个三角波和一个正弦波的叠加作为输入信号，以下是几个仿真结果。 1） 信号 1: 频率为 15Hz，幅值为 10V的正弦波； 信号 2：频率为 20Hz，占空比为 5%，幅值为 5V的三角波； 采样周期为 0.2s，占空比为 7%； 14 2） 信号 1：频率为 100Hz，幅值为 10V的 正弦波； 信号 2：频率为 88Hz，占空比为 10%，幅值为 10V的三角波； 采样周期为 0.2s，占空比为 7%； 15 3） 信号 1：频率为 50Hz，幅值为 6V的正弦波； 信号 2：平率为 88Hz，占空比为 20%，幅值为 6V的三角波； 采样周期为 0.2s，占空比为 7%； 16 从 2和 3的波形图中可以得知，当信号变化速度较快的时候，峰值检测会有较大的失真，有些采样期间内的峰值没有捕捉到。可以通过减小采样脉冲占空比的方法减小电容器放电时间，以减少漏掉峰值的现象。 4） 信号 1： 频率为 50Hz，幅值为 6V的正弦波； 信号 2：频率 为 88Hz，占空比为 20%，幅值为 6V的三角波； 采样周期为 0.2s，占空比为 1%； 17 从 4的波形图中可以得知，减小采样脉冲占空比，可以很大程度地避免漏掉某时间段的峰值。 4.2 对微小输入信号的分析 为了测试电路对微小信号的灵敏度，用一组幅值较小的输入信号测试峰值检测电路。 1） 信号 1：频率为 50Hz，幅值为 0.1V的正弦波； 信号 2：频率为 33Hz，幅值为 0.3V，占空比为 50%的三角波； 采样周期 0.2s，占空比为 7%； 18 此时可以看出，由于 BJT2N2923的导通压降，正向峰值检测电路放电时 ，电容的电压会保持在 0.9V左右，此后再进入跟踪和保持模式，由于信号电压低于 0.9V，输出电压不能跟随信号的峰值。 而对于反向峰值检测电路，由于电容上保持的电压是负值，在放电时由于 BJT的导通电压，电容放电完全后，输出电压还会继续增加，即出现一个正的尖峰脉冲，持续时间很短，幅度大概为 0.1V左右，对峰值检测影响不大，这个误差会在后面改进。因此反向峰值检测电路中不会出现类似正向电路那样的情况，对小信号的峰值也可以有很好的检测效果。 19 对于正向峰值不能保持的问题，我们采取如下手段进行改进，即将两个三极管控制开关的 接地点改为接 -1V的电平，这样就放电时输出电压最低值可以达到 0.01V左右，可以充分完成对于微小信号的峰值检测，两个波形图如下。 2） 信号 1：频率为 88Hz，幅度为 0.3V的正弦波； 信号 2：频率为 50Hz，占空比为 50%，幅度为 0.1V的三角波； 采样周期为 0.2s，占空比为 7%； 3） 信号 1：频率为 30Hz，幅度为 0.3V的正弦波； 信号 2：频率为 20Hz，占空比为 10%，幅度为 0.1V的三角波； 采样周期为 0.2s，占空比为 7%； 20 第五章、 误差分析 5.1 复位 误差 电路工作 在 复位模式时， 输出的电压值应该接近 0V,这样 对于较小的输入信号就可以很好的检测出其峰值。但是由于 BJT的导通压降，复位模式下输出电压值距离 0V较大， 这就是复位误差。 5.1.1 正向 复位 误差 21 由于采样开关使用的 BJT的导通压降，正向放电时电压最低为 0.9mV左右，如下图所示： 但是将开关电路接到 -1V的偏置电压上后，这个误差被极大的减小了。我们将脉冲信号的占空比调整为 99%，即使电路始终处于复位模式，来观察输出的电压值，波形图如下： 22 由图， ChannelC是正向检测电路的输出，这里即是持续放电的电压，大约为 8.6mV，由此可见改变偏置电平减小了放电误差。 5.1.2 反向 复位 误差 类似的，对于反向峰值检测 ,同样也存在由于 BJT的导通误差导致的放电误差，在放电器件，反向输出电压可以达到正的 0.9V左右，在波形图中就成为一个正的尖峰脉冲。为了使反向放电误差有明显的现实，我们将反向控制脉冲信号的占空比调整为 99%，即使反向峰值检测电路一直处于复位放电状态，波形图如下： 23 为了减小这个误差，类似于正向检测电路，将采样开关的接地端改为 -1V的偏置电平，这样就解决了由于 BJT导通压降带来的放电误差，改进后的仿真波形如下（控制 脉冲的占空比为 99%）： 24 由图可知， ChanneB为反向峰值检测电路的输出电压，当控制脉冲的占空比保持在 99%的时候，它的输出保持在 8.6mV左右，说明这种改进措施很大程度上的减小了放电误差。 5.2 保持误差 当电路工作在保持模式时，输出电压 Vo应该严格保持在常数。实际上，由于漏电流的存在，电容会根据漏电的极性，缓慢地充电和放电。 要减小保持误差，需减小漏电流。选用 2N4117作为单向供电开关，并且在印制电路板的时候采用输入防护技术，可以使保持模式的漏电流极大的减小。在保证跟踪速度的前提下，选取较大的 电容值，可以降低漏电流的影响，这里我们选择 10 F的电容器，在电路仿真时几乎观察不到保持误差。 25 第六章 、 整体电路图 经过改进后的整体电路图如下： 26 第 七 章 、 总结 6.1 设计总结 在经典峰值检测电路的基础上，我们对各个部分进行了细致的分析和仿真，依次对电压跟随部分、单向开关部分、电压存储器部分、采样开关部分进行了理论设计、实际器件选择和电路仿真， 设计出了完整的模拟式峰值检测电路。通过仿真验证，电路可以很好的检测出采样期间信号的峰值，跟踪峰值变化，并无失 真地保持，复位输出电压非常接近 0V（ 8.9mV） 。利用单片机产生采样脉冲控制信号，实现了 可变 采样周期 。 6.2 设计 的 创新点 1) 用 2N4117型 BJT代替经典设计中的单向开关二极管， 有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力 ； 2）将经典设计中采样开关电路接地端 改接 -1V的偏置电压，可以有效减小复位误差，使电路在复位期间输出电压接近 0V（约为 8.9mV）； 3）利用单片机的定时和开关功能产生采样脉冲控制信号，由于单片机编程简单， 驱动能力也能够满足要求，通过对程序中变量值的修改，可以方便地更改控制脉冲 的占空比和周期，更加方便 我们的电路仿真和实验。另外，在电路中嵌入单片机，不但使脉冲控制信号参数变得可调，而且方便了我们进一步改进电路，例如加入 A/D转换模块，将转换成的数字信号输入单片机，就可以实现数据的记录和分析 。 6.3 设计 的 缺点 与不足 1） 电路只能用于检测幅度较大的信号，对于微小信号（平均峰值小于 10mV），由于改进后的电路复位输