毕业设计基于运算放大器的峰值检测电路设计.doc

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1、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

2、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 .22.1原理分析及原理框图. . . .22.2 电路功能分析 . 32.2 电路分块设计 . 4第三章 电路具体设计

3、. . . . . 73.1 峰值检测电路元件参数选取. 73.2 采样信号发生器. . 83.3 总体电路图. . . 9第四章 电路仿真测试 . 104.1 输出波形multisim仿真. 104.2 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. . . 175.2 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

4、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

5、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

6、号输出信号图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

7、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

8、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

9、电路，工作原理和正向峰值检测电路类似。2.3.3 采样开关图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 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：

10、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10f的电容作为C2，既可以保证回应速度，又能很好的保持

11、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：#includechar number1; void main()TMOD=0X01;ET0=1;EA=1;TR0=1;TH0=(65536-10000)/256;TL0=(65536-10000)%256;number1=0;P2=0X00;whil

12、e(1) switch(number1) case 9: P2=0X01; break; case 19: P2=0x02; break; default : P2=0x00; 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。图8 整体电

13、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%；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%；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%；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

14、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%；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%

15、；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。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

16、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%； 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

17、，这就是复位误差。5.1.1 正向复位误差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：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

18、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：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%）：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

19、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10F的电容器，在电路仿真时几乎观察不到保持误差。第六章、整体电路图经过改进后的整体电路图如下：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

20、，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

21、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出电压为8.9mV左右，电路可能无法给出精确的峰值跟踪结果；2） 电路只能用于检测频率较低的信号，对于高频信号，由于整个电路的动态特性，可能存在稳定性问题。数字式的峰值检测芯片一定程度上可以解决这些问题，但是在检测常见信号时，使用模拟峰值检测电路还是很合适的。第八章、心得体会当我敲入这篇心得体会的时候，为期一周的测控电路课程设计已经接近尾声了。通过

22、这次课设，我深刻地认识到，理论与实践的结合是十分有必要的，仅有书本的知识而不去实际设计、仿真、实验，是无法透彻理解所学，就更别提应用所学了。拿到题目后，我们综合了所学知识，参考经典峰值电路的设计，迅速地给出了自己的设计。然而搭好电路仿真时，却又出现了这样那样的问题，例如复位输出电压较大等等。我和我的搭档一个问题一个问题的去分析，去改进，书本上没有提到的问题我们就试着用不同的方法去改进，终于使得整个设计符合要求，理论与实践得到了很好的切合。这次课设还让我体会到团队工作的好处。当前这个社会，是一个讲究分工、各取所长的社会，合理的结组，扬长避短，才能发挥各自最大的能力。这是我们第一次进行测控电路的课程设计，由于我们自身能力有限，很多方面不能做的尽善尽美，在以后的学习和工作实践中，我会更加注意实践，努力学牢知识，力争做一名合格的电气工程学院毕业生。 参考文献1Sergio Franco. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits.2009.2阎石. 数字电子技术基础. 高等教育出版社. 2008.3康华光. 电子技术基础(模拟部分). 高等教育出版社. 2008.