峰值检波器电路的设计.doc

苏苏 州州 市市 职职 业业 大大 学学 课课程程设设计计说说明明书书 名称 峰值检波器电路的设计 2012 年 6 月 4 日至 2012 年 6 月 8 日共 1 周 院 系 电子信息工程系 班 级 姓 名 学 号 系 主 任 教研室主任 指导教师 1 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 2 第二章第二章 系统设计方案系统设计方案 5 2 1 工作原理图 5 2 2 元器件清单 5 第三章第三章 主要元件介绍主要元件介绍 6 3 1 LF398 6 3 1 1主要性能主要性能 6 3 1 2引脚图和引脚名称引脚图和引脚名称 7 3 1 3功能框图功能框图 7 3 1 4极限参数极限参数 7 3 1 5推荐工作状态 如下表 推荐工作状态 如下表 7 3 2 LM311 9 3 3 稳压二极管 11 第四章第四章 峰值检波器的测试及性能指标峰值检波器的测试及性能指标 15 4 1峰值测量精度 15 第五章第五章 系统分析系统分析 16 5 1 系统的测量范围 16 5 2 系统的测量精度 16 5 3 误差来源 16 5 4 系统调试注意事项 16 5 5 系统设计存在的不足 18 第六章第六章 实验总结实验总结 19 2 第一章第一章 绪论绪论 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 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 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幅信号的解调 包络检波器包络检波器 图 1 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 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 3 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 同步检波器同步检波器 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 制的单边带调幅信号 即 us t Umcos ct mt 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 与 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 2 c m 另一项为 低频项 m 通过低通滤波器后将高频项滤除 即得到与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 峰值检波器峰值检波器 在电子设备中 常要求对信号的峰值进行检波 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 1 当 Vi Vo 时 信号由 端加入 OPA 的输出 Va 为正电压 二级管 D 导通 于是输出电流经 D 对电容 C 充电一直充至与 4 Vi 相等之电压 当 D 导电时此电路作用如同一电压跟随器 2 当 Vi Vo 时 OPA 的输出 Va 为逆向偏压 相当于开路 于是电容 C 既不充电也不放电 维持于输入之最大值电压 上述电路只能工作一次 所以我们要能够控制电容 C 的放电过程 使得 这个电路可以重复地工作 同时在电路中加入一定的保护措施以及加入阻抗匹配 的电路 比如跟随器等 以提高电路的带负载能力 5 第二章第二章 系统设计方案系统设计方案 2 12 1 工作原理图工作原理图 2 22 2 元器件清单元器件清单 元件名称元件个数功能注释 LF398N1 采样保持芯片DIP 封装 LM3111 电压比较器DIP 封装 电阻 24K 1 电阻 15K 1 电阻 30K 1 电阻 5 1K 1 可调电阻 1K 1 5V 稳压二极管 2CW12 1 钽电容 0 1uf 1 DIP 插座 2 双列直插插座 面包板 5 5cm 1 6 第三章第三章 主要元件介绍主要元件介绍 3 13 1 LF398LF398 LF398 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 LF398 由输入缓冲级 输出驱动级和控制电路三部分组成 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 控制电路中 A3 主要起到比较器的作用 其中引脚 7 为参考电压 当输入控制逻辑电平高于参考端电压时 输出一个低电平 信号驱动开关 K 闭合 此时输入信号经 A1 后跟随输出到 A2 再由 A2 的输出端跟随输出 同时向保持 电容 接引脚 6 端 充电 而当控制逻辑电平低于参考端电压时 输出一个高电 平信号使开关断开 以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的 因此 A1 A2 是跟随器 其作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换 以提 高采样 保持放大器的性能 3 1 1主要性能主要性能 反馈型采样 保持放大器 双极型 结型场效应管工艺制造 片内无保持电容 在采样或保持状态具有高电源抑制性能 低输入漂移 保持状态下输入特性不变 可与 TTL PMOS CMOS 兼容 双电源供电 电源范围宽 采样时间 10V 级 到 0 01 20us 增益误差 0 01 下降率 3mV s typ 失调电压 7mV 保持电容 0 01uf 图 5 7 3 1 2引脚图和引脚名称引脚图和引脚名称 LF398 引脚图及引脚名称如图 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 3 1 3功能框图功能框图 LF398 功能框图如下图所示 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 3 1 4极限参数极限参数 正电源电压 19V 负电源电压 19V 正电源电流 6mA 8 负电源电流 6mA 贮存温度 65 150 3 1 5推荐工作状态 如下表 推荐工作状态 如下表 参数名称符号最小值典型值最大值单位 正电源电 压 V 5 15 18V 负电源电 压 V 5 15 18V 正电源电 流 I 4 5mA 负电源电 流 I 4 5mA 输入电压 VIN 11 5 11 5V 保持电容 CH0 01uF 工作温度 TA070 9 3 23 2 LM311LM311 3 2 13 2 1 LM311LM311 的电气特性的电气特性 Parameter 参数 Conditions 测试 条件 Min 最小Typ 典型 Max 最 大 Units 单 位 Input Offset Voltage 输入偏移电压 注 16 TA 25 RS 50k 2 07 5mV Input Offset Current 输入失调电流 注 16 TA 25 6 050nA Input Bias Current 输入偏置电流 TA 25 100250nA Voltage Gain 电压增 益 TA 25 40200V mV Response Time Note 17 响应时间 注 17 TA 25 200ns Saturation Voltage 饱和电压 VIN 10 mV IOUT 50 mA TA 25 0 751 5V Strobe ON Current Note 18 TA 25 2 05 0mA Output Leakage Current 输出漏电流 VIN 10 mV VOUT 35V TA 25 ISTROBE 3 mA V 5V 0 250nA Input Offset Voltage 输入偏移电压 注 16 RS 50K10mV Input Offset Current 输入失调电流 注 16 70nA Input Bias Current 输入偏置电流 300nA Input Voltage Range 输入电压范围 14 513 8 14 713 0V Saturation Voltage 饱和电压 V 4 5V V 0 VIN 10 mV 0 230 4V 10 IOUT 8mA 3 2 2LM3113 2 2LM311 的引脚图及其功能的引脚图及其功能 1 LM311 LM311 是一种高灵活性的电压比较器 能工作于 5 到 30V 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 引脚图 图 6 LM311 双列 8 引脚图 引脚功能 GROUND GND 接地 INPUT 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 NC 空脚 11 3 2 33 2 3 LM311LM311 内部电路图内部电路图 图 8 LM311 内部电路图 3 33 3 稳压二极管稳压二极管 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 在电路中与适当电阴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 利于这一特性 稳压管访 12 问就在电路到起到稳压的作用了 而且 稳压管与其它普能二极管不同之反向击 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 3 3 13 3 1 管的伏安管的伏安 特性特性 稳压二极管 又 叫齐纳二极管 它的 电路符号是 此二极 管是一种直到临界反 向击穿电压前都具有 很高电阻的半导体器件 在这临界击穿点上 反向电阻降低到一个很少的数值 在这 个低阻区中电流增加而电压则保持恒定 稳压二极管是根据击穿电压来分档的 因 为这种特性 稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用 其伏安特性见图 9 所 示 稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用 通过串联就可获得更多的 稳定电压 3 3 23 3 2 稳压管的应用稳压管的应用 1 浪涌保护电路 如图 10 稳压管在准确的电压下击穿 这就使得它可作为限制 或保护之元件来使用 因为各种电压的稳压二极管都可以得到 故对于这种应用特 别适宜 图中的稳压二极管 D 是作为过压保护器件 只要电源电压 VS 超过二极管 的稳压值 D 就导通 使继电器 J 吸合负载 RL 就与电源分开 13 图 10 2 电视机里的过压保护电路 如图 11 EC 是电视机主供电压 当 EC 电压过高 时 D 导通 三极管 BG 导通 其集电极电位将由原来的高电平 5V 变为低电平 通过 待机控制线的控制使电视机进入待机保护状态 图 11 3 电弧抑制电路如图 12 所示 电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管 也可接入一只普通二极管原理一样 的话 当线圈在导通状态切断时 由于其电磁能 释放所产生的高压就被二极管所吸收 所以当开关断开时 开关的电弧也就被消除 了 这个应用电路在工业上用得比较多 如一些较大功率的电磁吸控制电路就用到 它 图 12 4 串联型稳压电路 如图 13 在此电路中 串联稳压管 BG 的基极被稳压二极 管 D 钳定在 13V 那么其发射极就输出恒定的 12V 电压了 这个电路在很多场合下 都有应用 图 13 14 3 3 33 3 3 稳压二极管的参数稳压二极管的参数 1 稳定电压 2 电压温度系数 3 动态电阻 4 稳定电流 最大 最小稳定电流 5 最大允许功耗 1 Vz 稳定电压 指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值 该值 随工作电流和温度的不同而略有改变 由于制造工艺的差别 同一型号稳压管的 稳压值也不完全一致 例如 2CW51 型稳压管的 Vzmin 为 3 0V Vzmax 则为 3 6V 2 Iz 稳定电流 指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值 低于此 值时 稳压管虽并非不能稳压 但稳压效果会变差 高于此值时 只要不超过额定 功率损耗 也是允许的 而且稳压性能会好一些 但要多消耗电能 3 Rz 动 态电阻 指稳压管两端电压变化与电流变化的比值 该比值随工作电流的不同 而改变 一般是工作电流愈大 动态电阻则愈小 例如 2CW7C 稳压管的工作 电流为 5mA 时 Rz 为 18 工作电流为 1OmA 时 Rz 为 8 为 20mA 时 Rz 为 2 20mA 则基本维持此数值 4 Pz 额定功耗 由芯片允许温升决定 其 数值为稳定电压 Vz 和允许最大电流 Izm 的乘积 例如 2CW51 稳压管的 Vz 为 3V Izm 为 20mA 则该管的 Pz 为 60mWo 5 Ctv 电压温度系数 是说明稳定 电压值受温度影响的参数 例如 2CW58 稳压管的 Ctv 是 0 07 C 即温度每 升高 1 C 其稳压值将升高 0 07 6 IR 反向漏电流 指稳压二极管在规定 的反向电压下产生的漏电流 例如 2CW58 稳压管的 VR 1V 时 IR O 1uA 在 VR 6V 时 IR 10uA 15 第四章第四章 峰值检波器的测试及性能指标峰值检波器的测试及性能指标 4 14 1峰值测量精度峰值测量精度 1 测量交流信号 分别输入 80KHZ 有效值为 0 5V 1 0V 1 5V 2 0V 的 正弦波 测量输出电压 并计算误差 表 1 交流信号测量表 输入信号电压 i u V 输入信号峰值 1p u V 检测信号峰值 2p u V 相对误差 100 1 12 p pp u uu 2 测量具有直流分量的交流信号 输入 80KHZ 幅度为 2V 的正弦波 直 流分量分别为 1 0V 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 V 输入信号峰值 1p u V 检测信号峰值 2p u V 相对误差 100 1 12 p pp u uu 16 第五章第五章 系统分析系统分析 5 15 1 系统的测量范围系统的测量范围 频率测量范围即有效频率范围 是指能保证仪器其他指标正常工作的输入信 号或输出信号的频率范围 常规的单片机测频系统频率测量范围小于 500kHz 5 25 2 系统的测量精度系统的测量精度 测量都是对 真实 值的大致估计 也就是说测量的数值总是和 真实 值有一 定的误差 那么这样一个误差的大小就是通常所说的测量精度 它反映了测量仪 器系统所能真实还原测量信号值的能力 测量误差的来源是多方面的 对于测量 设备而言 除了 ADC 本身的各种误差因素外 前端的信号调理和整个板卡的布局 都会影响到总的测量精度 此外 测量精度还受到众多外部因素的影响 如环境 的噪声 工作温度等 因此 在评测一个仪器系统的测量精度时 除了 ADC 的位 数 还应该考虑设备的绝对精度值 多种误差因素的综合值 以及系统工作在 真实环境中遇到的温度 噪声及其他外部因素的影响 5 35 3 误差来源误差来源 系统误差定义 在规定测量条件下 对同一量进行多次测量时 如果测量误 差能够保持恒定或按照某种规律变化 则这种误差成为系统误差或确定性误差 简称为系差 如电表零点不准 温度 湿度 电源电压变化等引起的误差 测 量误差分为系统误差 随机误差和粗大误差三类 产生误差的原因有很多 例如 仪器误差 使用误差 人身误差 环境误差 方法误差等 17 5 45 4 系统调试注意事项系统调试注意事项 1 示波管 示波管是示波器的主件 是一个呈喇叭形抽成真空的玻璃泡 如图 12 4 所 示 内部装 有电子枪和二对互相垂直的偏转板 喇叭口的球面内壁上涂有荧光物质 构 成荧光屏 2 频率设置 按电压 频率 相位切换按钮切换显示器为频率显示 KHz 指示灯亮 按设置按钮 进入频率设置状态 此时频率显示最高位开始闪烁 按位选择按钮 改变闪烁位到所需步长 按调节按钮 改变频率 如果闪烁在 100 000KHz 位 则频率增加或减少 其余类推 再次按设置按钮 退出频率设置状态 电子枪由灯丝 f 阴极 k 栅极 G 以及一组阳极 A 所组成 灯丝通过炽热 使 阴极发热而发射电子 由于阳极电位高于阴极 所以电子被阳极加速 当高速电 子撞击在荧光屏的壁上会使荧光物质发光 在屏上就能看到一个亮点 改变阳极 电位 可以使不同发射方向的电子恰好会聚在荧光屏的某一点上 这种调节称为 聚焦 栅极的电位较阴极 k 为低 改变栅极电位的高低 可以控制电子枪发射电 子数的多少 使荧光屏上的亮点发生明暗变化 这种调节称为辉度调节 两对偏转板的作用是用来控制亮点在荧光屏上的位置的 Y 轴偏转板加上信 号电压可以控制电子束的纵向偏转 X 轴偏转板加上电压可控制电子束的横向偏 转 在一定范围内 光点偏离荧光屏中心的距离与偏转板上所加电压的大小成正 比 3 电压设置 按电压 频率 相位切换按钮切换显示器为电压显示 V 指示灯亮 按设置按钮 进入电压设置状态 此时电压显示最