峰值检波器的测试及性能指标

1、成 绩 评 定 表学生姓名智博班级学号1103020116专 业测控课程设计题目峰值检波器的测试及性能指标评语组长签字：成绩日期 2014年 7月7日课程设计任务书学 院信息科学与工程专 业测控技术与仪器学生姓名智博班级学号1003020116课程设计题目峰值检波器的测试及性能指标实践教学要求与任务:电子测量技术是测控技术与仪器专业的专业基础课。本设计是对该课程综合应用能力的检验，在鼓励学生熟悉基本原理的前提下，注重与实际应用相联系，提出自己的方案，完善设计。1、熟悉被测对象的测量技术工作原理； 2、提出可行设计方案；3、根据方案设计硬件电路，应用Protel绘制电路原理图；4、软件编程并调试

2、；5、硬件焊接与调试；6、完成课程设计报告。工作计划与进度安排:第18周（6月23日-6月27日）：布置设计任务，查资料，完成总体设计框架。第19周（6月30日-7月4日）：完善设计内容，焊接调试，验收答辩。指导教师： 2014 年 6月20日专业负责人：2014 年6月21日学院教学副院长：2014 年6月23日 一 设计要求11.1检波器的作用11.2 检波器的分类11.2.1包络检波器11.2.2同步检波器2二 设计方案与论证3三 设计原理及电路图33.1峰值检波器工作原理33.2 工作原理图4四 元器件清单 5 五 元器件识别与检测5 5.1 LF39855.2 LM31175.3 稳

3、压二极管8六 软件制作与调试96.1 性能测试96.1.1 测量交流信号：96.1.2 测量具有直流分量的交流信号：96.2 性能指标106.3 电路分析10七 设计心得10八 参考文献11 一、设计要求1.1检波器的作用检波器，是检出波动信号中某种有用信息的装置。用于识别波、振荡或信号存在或变化的器件。检波器通常用来提取所携带的信息。检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号）。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调

4、幅信号的解调。从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。用以完成这个任务的电路称为检波器。最简单的检波器仅需要一个二极管就可以完成，这种二极管就被称做检波二极管。 目前，集成射频检波器现已得到了广泛的应用，而且每当要求更高的灵敏度和稳定性时，集成射频检波器有代替传统的二极管检波器的趋向。 从调幅波中恢复调制信号的电路，也可称为幅度解调器。与调制器一样，检波器必须使用非线性元件，因而通常含有二极管或非线性放大器。1.2 检波器的分类检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要另外加入一

5、个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号）。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。1.2.1包络检波器 图2是典型的包络检波电路。由中频或高频放大器来的标准 调幅信号ua(t）加在L1C1回路两端。经检波后在负载RLC上产生随ua(t）的包络而变化的电压u(t），其波形如图2所示。这种检波器的输出u(t）与输入信号ua(t）的峰值成正比，所以又称峰值检波器。 包络检波器的工作原理可用图2的波形来说明。在t1<t<t2时间内，输入信号瞬时值ua(t）大于输出电压u(t），二极管导通，电容C通过二极管正向电阻ri充电，u(t）增大；在t2<t<

6、;t3时间内，ua(t）小于u(t），二极管截止，C 通过RL放电，因此u(t）下降；到t3以后，二极管又重新导电，这一过程照此重复不已。只要RLC选择恰当，就可在负载RLC上得到与输入信号包络成 对应关系的输出电压u(t）。如果时间常数RLC太大，放电速度就会放慢，当输入信号包络下降时，u(t）可能始终大于ua(t），造成所谓对角切割失真（图2）。此外，检波器的输出通常通过电容、电阻耦合电路加到下一级放大器，如图1中虚线所示。如果Rg太小，则检波后的输出电压u(t）的底部即被切掉，产生所谓的底部切割失真。1.2.2同步检波器图3为同步检波器的框图。模拟相乘器的一个输入为一单频调制的单边带调幅

7、信号，即us(t)Umcos(ctmt),其中c为载波信号角频率,m为调制信号角频率；另一输入是本机产生的相干信号，即uc(t)Uccos ct,则乘法器的输出电压u0(t)和uS(t)和uc(t)的乘积成正比，即u0(t)=KuS(t)*uc(t)式中K为一比例常数。u0(t)中包括两项，一项为高频项(2c+m),另一项为低频项(m)。通过低通滤波器后将高频项滤除，即得到和调制波成对应关系的输出。uc(t) 通常可用本地振荡器或锁相环产生。同步检波器的抗干扰性能比包络检波器优越，但是它的电路比较复杂。随着电子技术的进步，这种解调方法的应用日益广泛。 二、设计方案与论证在电子设备中，常要求对信

8、号的峰值进行检波：如大动态范围的正弦信号经对数压缩后，为了得到反映正弦信号的有效值，就不能用一般的平均值或有效值检波器，而只能用峰值检波器。峰值检波器是一个能记忆信号峰值的电路，其输出电压的大小，一直追随输入信号的峰值，而且保持在输入信号的最大峰值。 三、设计原理及电路图3.1 设计原理LF398的输出电压与输入电压通过比较器LM311进行比较，当输入电压高于输出电压时，LF398的逻辑控制引脚被置成高电平，使LF398处于采样状态。当输入电压达到峰值而下降时，LF398的逻辑控制引脚被置成低电平，使LF398处于保持状态。从而，实现了对“峰”值的保持。3.2 电路原理图 四、元件清单元件名称

9、元件个数功能注释LF398N1采样保持芯片DIP封装LM3111电压比较器DIP封装电阻24K1电阻15K1电阻30K1电阻5.1K1可调电阻1K15V稳压二极管（2CW12）1钽电容0.1uf1DIP插座2双列直插插座面包板5*5cm1导线、焊锡丝若干五、元器件识别与检测5.1 LF398LF398是一种反馈型采样/保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样/保持放大器。与LF398结构相同的还有LF198、LF298等，都是由场效应管构成，具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要基

10、本保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在AD转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能完成这种功能的器件叫采样保持器。采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。当作为单一放大器时，其直流增益精度为0.002%,采样时间小于6us时精度可达0.01%;输入偏置电压的调整只需在偏置端(2脚)调整即可,并且在不降低偏置电流的情况下,带宽允许1MHz,其主要技术指标有:1、工作电压：+5-+18V2、采样时间：<10us3、可与TTL、PMOS、CMOS兼容4、当保持电容为0.01

11、uF时，典型保持步长为0.5mV5、低输入漂移，保持状态下输入特性不变6、在采样或保持状态时高电源抑制采样保持放大器LF398的直流和交流调零电路:调节1k电位器可使DC失调电压Vos为零。在保持设置模式下，调节10k电位器可使AC失调电压Vos为零。LF398具有采样和保持功能，它是一种模拟信号存储器，在逻辑指令控制下，对输入的模拟量进行采样和寄存。下图是该器件的引脚图。各引脚的功能如下：和分别为VCC和VEE电源电压输入引脚。电源电压范围为±5V±15V。为偏置调零引脚。当输入Vi=0，且在逻辑输入为1采样时，可调节使Vo=0。为模拟量输入引脚。为输出引脚。为接采样保持

12、电容的引脚。为参考电压输入引脚（接地）。为逻辑输入控制引脚。该引脚电平为“1”时采样，为“0”时保持。LF398内部电路原理图如下图所示。当8端为“1”时，使LF398内部开关闭合，此时A1和A2构成1：1的电压跟随器，所以，Vo = Vi，并使迅速充电到Vi，电压跟随器A2输出的电压等于CH上的电压。5.2 LM311LM311电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路。其输出兼容RTL,DTL和TTL以MOS电路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。LM311是一种高灵活性的电压比较器，能工作于5到30V

13、单个电源或±15V分离电源。该设备的输入可以是与系统地隔离的，而输出则可以驱动以地为参考或以VCC为参考，或以VEE电源为参考的负载。LM311为集电极开路输出,使用时应在输出端与正电源之间连接负载电阻。下图是该器件的引脚图。LM311，采用SOIC 封装方式。 比较器类型:通用 响应时间:200ns 电源电流:5.1mA 针脚数:8 工作维度范围:0°C to +70°C 封装类型:SOIC 比较器数目:1 电源电压 最大:36V 电源电压 最小:5V 表面安装器件:表面安装 输入偏移电压 最大:7.5mV各引脚的功能如下：GROUND/GND接地INPUT +

14、正向输入端INPUT - 反向输入端OUTPUT输出端BALANCE 平衡BALANCE/STROBE平衡/选通V+ 电源正V-电源负5.3 稳压二极管稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡。稳压二极管工作于反向击穿区，由于它在电路中与适当电阻配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小。这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源

15、电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。而且，稳压管与其它普通二极管不同的是反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。稳压管是利用反向击多区的稳压特性进行工作的， 因此、稳压管在电路中要反向连接。稳压管的反向击穿电压称为稳定电压、不同类型稳压管的稳定电压也不一样，某一型号的稳压管的稳压值固定在口定范围。例 如：2CW11的稳压值是3.2伏到45伏，其中某一只管子的稳压值可能是35伏，另一只管子则可能是4，2伏。在实际应用中，如果选择不到稳压值符合需要的稳压

16、管，可以选用稳压值较低的稳压管，然后串联一办或几只硅二极管“枕垫”，把稳定电压提高到所需数值。这是利用硅二极管的正向压降为0607伏的特点 来进行稳压的。因此，二极管在电路中必须正向连接，这是与稳压管不同的。 稳压管的动态电阻是随工作电流变化的，工作电流 越大。动态电阻越小。因此，为使稳压效果好，工作电流要选得合。工作电流选得大些，可以减小动态电阻，但不能超过管子的最大允许电流（或最大耗散功率）。 各种型号管子的工作电流和最大允许电流，可以从手册中查到。稳压管的稳定性能受温度影响，当温度变化时，它 的稳定电压也要发生变化，常用稳定电压的温度系数来表示这种性能例如2CW19型稳压管的稳定电压Uw

17、= 12伏，温度系数为0.095% ，说明温度每升高1，其稳定电压升高11.4毫伏。为提高电路的稳定性能，往往采用适当的温度补偿措施。 六、软件制作与调试6.1 性能测试6.1.1 测量交流信号：分别输入80KHz最大值为1V,1.5V,2V,3V,5V的正弦波，测量输出电压，并计算误差。表1 交流信号测量表输入信号直流分量输入信号峰值检测信号峰值相对误差1V1.30V1.20V-7.6%1.5V2.00V1.90V-5.0%2V2.65VV2.50V-9.4%3V3.90V3.70V-5.1%5V6.50V6.30V-3.1%6.1.2 测量具有直流分量的交流信号：输入80KHz最大值为2V

18、的正弦波，调节直流分量0.5V、1V、1.5 V、2V，-1V，测量输出电压，并计算误差。 表2 交直流信号测量表输入信号直流分量输入信号峰值检测信号峰值相对误差0.5V2.5V2.3V -8%1V3.0V2.75V -8.3%1.5V3.5V3.3V -5.7%2.0V4.0V3.8V -5.0%-1.0V1.0V0.9V -10%6.2 性能指标 1）电压传输Kd系数说明检波器对高频信号的解调能力 输入为高频等幅波Kd=Uo/Uim输入为高频调幅波Kd=Um/maUim注： Kd总是小于1， Kd越接近1越好2) 输入电阻 说明检波器对前级电路的影响程度Ri=Uim/Iim此外检波器还有反

19、映其失真系数的指标THD等。6.3 电路分析当输入信号为正半周时二极管导通对电容充电，一直充电到峰值即最大值，当输入电压负半周时二极管截止，电容不放电，保持电压（峰值电压），这样电容两端电压一直处于峰值，可以检测出信号的峰值。 七、设计心得 经过为期五天的努力，我们终于完成了本次课程设计的要求，峰值检波器的设计，通过这次电子测量课程设计，我们懂得了许多关于检波器的实现原理。总的设计大致分为以下几点谈谈。 经过五天的努力，我们终于完成了本次的课程设计，峰值检波电路的设计。通过这次的课程设计，我们懂得了许多的道理，现就以下几点谈一下我们的感受。首先，首先，就是在焊接时必需要仔细有耐心，在课程设计的过程中，经常会遇到这样或那样的问题，例如电路应该怎样设计，不能实现功能时应该怎样去调试等等。这个过程是最难的，也是最耗费时间的，所以当设计不出来或者调试不出来时，一定要有耐心，可以去查阅相关的书籍，可以和同学一起商量，