测控电路设计.doc

燕 山 大 学 课 程 设 计 说 明 书燕山大学课 程 设 计 说 明 书 题目： 基于运算放大器的峰值检测电路设计 燕山大学课程设计（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 号学生姓名专业（班级）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：给出系统原理图、关键器件的参数及设计依据；3：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以及仿真结果）；2：提交一份电路原理图；工作计划周一上午到周二上午，教室内做理论设计；周二下午到周五上午，自己有计算机的同学在教室内做multisim仿真，没有计算机的同学到实验室进行电路仿真；周五下午，教室内整理设计材料、准备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：电路理论；4：数字电子技术；指导教师签字温江涛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。2013年6月28日目 录摘要1第一章 引言2 第二章 基本原理3 2.1 波形引入3 2.2 峰值检测3 2.3 电路功能分析4第三章 电路设计和参数设计5 3.1 电路工作过程5 3.2 检测电路5 3.3 参数选取及计算 6 3.4 电路器件选取7第四章 仿真结果及分析8 4.1 multisim仿真结果 8 4.2 对微小输入幅值的分析 9 4.3 误差分析 10第五章 总结11第六章 课设心得12参考文献13 摘要 本文介绍一种基于运算放大器的的峰值检测电路设计，简要地介绍了峰值检测电路的工作原理与设计方案，并详细地介绍了该检测电路的参数设计和制作过程，通过multisim仿真与测试，记录和分析了该峰值检测电路的工作特性，论证了该电路的可行性。该峰值检测电路结构简单，性能稳定，易于实现，在工业仪表控制的采样电路中具有很高工程实际应用价值。关键词：运算放大器；峰值检测；multisim 第1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。第2章 基本原理峰值检测波形输入输出显示图1 原理框图2.1 波形引入 波形引入部分较为简单，在电路的开始加入一个波形发生器即可。注意波形发生器的引入方法。最好加入一个能产生不规则波形的波形发生器，这样检测到的峰值就是不断变换的。若引入的时正弦波，则检测显示的结果就是一条直线。本设计引入两个10hz -100hz的正弦波和三角波叠加输入。2.2 峰值检测（1）、峰值检测概念峰值检测电路在agc自动增益控制电路和传感器最值求取电路中广泛应用，平时一般作为程控增益放大器倍数选择的判断依据。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。就是要对信号的峰值进行采集并保持。图2 峰值检测电路时域波形（2）、峰值检测的基本原理峰值检测的基本原理很简单，通过一个简单的电压跟随器正相输入信号，输出直接接反相，这样输出的值就是输入值。若在输出与波形检测部分并接一电容，当波形值增加时，显示部分能指示出这一增加过程，同时电容也在充电，电容的电压不断增加。当波形的峰值下降时，由于电容已充电，这是波形显示部分显示的是电容记录的最大值为了防止电容电压下降，在电容与电压跟随器之间加一二极管。由于二极管的的单向导通性，二极管的电压不会“流失”这样就能保证显示部分记录的就是输入波形的最大值。即“遇增增，遇减不变”。2.3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：（1）、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 ；（2）、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；（3）、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；（4）、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。第3章 电路设计和参数设计3.1 峰值检测电路工作过程电路图中四个模块的功能分别是由c2、d2、oa1和555多谐振荡电路与双bjt组成的定时开关实现的。oa2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。oa2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。d1和r1可以防止oa1在检测到峰值后出现饱和，因此当一个新的峰值出现时，可以加快恢复速度。采用第三个二极管d3和上拉电阻r2，以消除二极管漏电流的影响。当一个新的波峰到达时，oa1的输出v1为正，d1截，d2导通，oa1利用反馈通路d2-d3-oa2使它的输入端之间保持虚短路。由于没有电流流过r1，就会使vo跟踪vi 。在此期间，d2、d3二极管对相当于一个单向开关，压降为两个pn结的压降和。oa1流出的电流经过d2对c2充电。oa1的输出比vo高了两个二极管的压降，即v1=vo+vd2。在经历了峰值之后，进入保持模式，r2将d3的阳极拉起，使它与阴极具有相同的电位。这样就消除了d3的泄露；只用d2来保持反相偏置，可以利用类似的技术的使复位开关漏电流最小。d1和r1是为了防止oa1在检测到峰值后出现饱和。复位开关是由两个bjt来实现的。给它们的基极加上一个正的脉冲会使两个bjt导通，c2放电。一旦脉冲结束，两个bjt截止；然而，因为r9将q1的发射极拉至与集电极具有相同的电位，q1的漏电就被消除了；仅用 q2来维持开关电压。这里开关脉冲采用555定时器构成多谐振荡器电路，产生周期为0.2s的脉冲，使峰值检测电路复位。3.2 检测电路图3 波峰检测电路图3.3 参数选取及计算输入信号是由10-100hz的正弦波和三角波叠加而成。这里采用正弦信号源和信号发生器产生二角波来替代输入信号。两个信号源分别串联一10k的电阻，然后并联在一起组成vi 。c1在跟踪模式期间，稳定具有容性负载的放大器oa1，c1一般选取儿十个皮法，这里选用60 pf；r1的作用是给d1提供一个电流通路，这里选取r1=10 k；r2将d3的阳极拉起，使它与阴极具有相同的电位，这里取r2 =10 k；同理取r9=10 k；c2必须足够大，才能降低漏电流的影响；但是又必须足够小，才能在较短时间内完成快速充电放电。经过仿真测试，这里选取c2=1nf。555多谐振荡器产生t1=t1+t2=0.2s的方波。取 ，由于:t=t1+t2=(r5+r6) c3 ln 2t1=r6 c3 ln 2，t2=r5 c3 ln 2 取c3=10uf，经计算得到：r6=5.77 k；r5=23.08 k。分别取标准电阻值：r6=5.76 k；r5=23.2 k 。取c4=10nf。3.4 设计电路器件选取oa1、oa2选取3554am；主电路中的二极管d1、d2、d3只选取1n914；二极管d4、d5取1n1202c；555选择lm555cn；npn二极管选2n2923。第四章 仿真结果及结果分析4.1 multisim仿真结果当输入频率为10hz，振幅为7v的正弦波和频率为15hz，振幅为10v，占空比为50%的三角波时的波形为：当输入当输入频率为25hz，振幅为5v的正弦波和频率为100hz，振幅为10v，占空比为50%的三角波时的波形为：4.2 对于微小输入幅值的分析由于bjt的满偏压降大概为0. 45v，于是当放电期间，会呈现出vo 0.45v。但是在跟踪和保持模式期间，仍然可以检测出峰值电压。仿真分析如下：当输入为33hz，幅值为0.3v，占空比为50%的三角波与振幅为7v，频率为15hz的正弦波叠加时的输出波型如下图：4.3 误差分析观察4.1的两个图，发现输出波形在放电期间不为零，这主要是由于bjt的集电极到发射极有压降，为vce 0.45v。对于555多谐振荡器，输入不为严格的5v，而是r7/rx与r8分压产生的接近5v的电压。其中，rx二为555振荡器电路中电阻叠加之和。于是有vi1 。这会影响到而且由于r5，r6进行了近似，所以t 0.2s，而不是严格的0.2s。对于降低误差，选取阻值较小的r5，r6，减小555振荡电路的并联电阻影响。在主测量电路中，在跟踪期间，d2一d3二极管有一导通压降，于是呈现出vo vi 。峰值为vo=vi(peak）一2vd。第5章 总结 峰值检测器主要包括信号跟随、信号保持、信号复位等。即当输入信号vi增大时，电路对其采样，并使输出vo。能够很好的跟随输入；当输入信号vo减小时，电路进入保持阶段，即保持前一个峰值并输出；当vi再次大于此保持电压时，电路继续跟踪vi进行采样；当复位信号到来时，电容放电，然后开始采样一保持的下一周期。通过电容和二极管、op搭接成的电压跟随器，可以很好的对测量信号进行峰值保持，然后送给信号处理电路进行分析。峰值保持器为较高频率的信号采样提供了一个很好的解决方案。具有很高的工业实用价值。本电路结构简单，易于实现，成本较低，可以作为测量仪表中的一个模块，提高仪表的准确性和灵敏性。第6章 课设心得经过将近一周的时间勉强完成了所做的题目。回想这一周感觉有些狼狈，因为对模拟电路知识掌握的太少，课设的时候力不从心。回头去复习学过的那一点点知识，也感觉很吃力。忽然在那时候明白了，平时该用哪种态度去面对学习，该怎样去学习。也对自己虚度过的3年深深感到自责。不过，在这一周中也是快乐的，因为有收获总会使人感到开心满足，即便是那么一点点。从刚开始拿到题目的茫然，到现在已经可以胸有成竹的讲出峰值检测的原理和设计。从查阅资料开始，慢慢的了解关于题目的内容，然后开始设计，将想法在multisim上实现，经过不断的修改完善得到最终结果。multisim是一款非常强大的电路模拟软件，我会在以后深入的学习使用。通过这次课设，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。这一周中也得到了很多老师和同学的帮助，正因为这些帮助使我很好的完成了课设，在此表示感谢。参考文献1(美国)赛尔吉欧佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计m.西安交通大学出版社.20092康华光.电子技术基础:模拟部分(第五版)m.高等教育出版社.20103.梁青等.multisim 11电路仿真与实践m.清华大学出版社.20124张新喜.multisim10电路仿真及应用 m.机械工业出版社.2011第 12