基于运算放大器的峰值检测电路-----实用版

1 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 2 第一章 引言第一章 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 基本原理第二章 基本原理 2 1 原理分析及原理框图原理分析及原理框图 2 1 1 原理分析原理分析 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 3 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 原理框图原理框图 输入信号输入信号 电压跟随电压跟随 单向充电开关单向充电开关 电压存储器电压存储器 脉冲采样脉冲采样 开关信号开关信号 输出信号输出信号 图 2 电路原理框图 2 2 电路功能分析电路功能分析 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 4 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 5 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 采样开关采样开关 6 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 7 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 电路具体设计第三章 电路具体设计 3 1 峰值检测电路元件参数选取峰值检测电路元件参数选取 3 1 1 正向峰值检测电路 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 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 8 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 0 x02 break default P2 0 x00 9 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 总体电路图总体电路图 整体电路图如下 改进后的请见第六章 10 图 8 整体电路图 第四章 电路仿真测试第四章 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 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 11 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 12 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 13 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 14 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 16 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 17 第五章 误差分析第五章 误差分析 5 1 复位误差复位误差 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 正向复位误差正向复位误差 18 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 19 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 20 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 21 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 22 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 第六章第六章 整体电路图整体电路图 经过改进后的整体电路图如下 23 第七章 总结第七章 总结 6 1 设计总结设计总结 24 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