西南科技大学自动化方向设计

1、西南科技大学自动化专业方向设计报告设计名称： 脉冲峰值检测及保持电路设计 姓 名： 范 熠 学 号: 20115725 班 级： 自动1102班 指导教师： 王 坤 朋 起止日期： 2014.11.05 - 2014.12.6 西南科技大学信息工程学院制方 向 设 计 任 务 书学生班级： 自动1102班 学生姓名： 范熠 学号： 20115725 设计名称： 脉冲峰值检测及保持电路设计 起止日期： 2014.11.05 -2014.12.6 指导教师： 王 坤 朋 设计要求： 脉冲峰值检测与保持作为常用信号采集的基础，对于信号处理有着重要意义。该课题要求学生掌握一定的模拟电路和单片机的基本知

2、识，设计并完成脉冲峰值保持电路，实现保持一定频率的脉冲信号的峰值的功能以及单片机复位功能。 （1）查阅相关资料，了解脉冲峰值保持的现状及发展趋势； （2）完成基本电路设计； （3）完成参数计算与元器件的选择； （4）完成电路仿真； （5）编制元器件明细表； （6）完成实物并调试成功；方 向 设 计 学 生 日 志时间设计内容11.511.14分别查阅资料了解脉冲峰值检测和脉冲峰值保持；11.1511.21明确课程设计的设计目的和意义、控制要求、设计方案论证；11.2111.28完成电路设计，修改和仿真；11.2912.5完成设计实物，主要进行调试，并总结题目；12.6完成设计报告，答辩； 21

3、脉冲峰值检测及保持电路设计 摘要：本题目主要研究设计和介绍传统的脉冲峰值检测与保持电路，分析了脉冲峰值保持的基本原理，通过改进传统的脉冲峰值保持电路完成设计。设计利用电容存储电压的性能，来实现电压峰值保持的同时，使用运算放大器作为比较器，通过反馈比较，使输出的电压能够较为准确地跟踪输入电压的峰值。通过计算，从理论上得出了放大器及其他主要元件的型号大小，大致选出元件，再通过仿真和测试，确定元件的型号大小，最终完成调试达到普通脉冲的峰值保持，验证并改进传统脉冲峰值保持电路。 关键词：脉冲峰值保持；运算放大器；保持电容Pulse Peak Detection and Hold Circuit Abs

4、tract: This project mainly introduces, studies and designs the traditional pulse peak detecting and holding circuit and analyzes the basic theory of pulse peak holding to produce the design by improving the traditional pulse peak holding circuit. This project, through the feedback and comparison, ma

5、kes the outputting voltage follow and input the peak value of voltage accurately as the function of capacitance which stores voltage by using operational amplifier as comparer while holding the pulse peak of voltage. By calculating, it works out the size of amplifier and other components theoretical

6、ly, then picks out the components roughly, then confirms their sizes through simulation and tests, to complete the shakedown test in order to achieve the general pulse peak holding, prove and improve the traditional pulse peak holding circuit. Key words: Pulse peak holding ; operational amplifier ;

7、the capacitance of keeping一、设计目的和意义 脉冲信号作为一种常见的信号，我们经常需要检测脉冲信号的峰值以及其出现的时刻，比如心电图，雷达，核反应堆等场所都需要做到脉冲峰值检测，甚至峰值检测部分的性能在整个系统中起着至关重要的作用。大部分脉冲信号，峰值维持时间很短，不方便数据采集转换，所以在脉冲峰值采集的过程中，为保证A/D转换精度，或者在特定的场所，需要将脉冲峰值保持一定时间，且在保持过程中，信号变化量要足够小。如今对于脉冲峰值保持的主要方向是针对窄脉冲峰值保持，高频脉冲峰值保持，这些脉冲是现实生活中更常见的，峰值保持的难度更大也更有意义的，所以要做到这类复杂脉冲的

8、峰值检测与保持，首先需要足够了解传统的峰值检测与保持电路。本次设计的采用传统的峰值保持电路，通过改善元件的型号选择，以达到最佳的峰值保持。同时在设计过程中达到一定的学习和加深知识和能力目的： 1. 通过完成项目设计，强化理论知识，并联系实际加深对专业课程的理解和学习； 2. 加深对单片机的学习理解，利用单片机实现电路定时复位等简单功能； 3. 加强模拟电路的学习和应用，用模拟电路实现脉冲峰值保持； 4. 加强动手能力，完成仿真电路和硬件调试；二、控制要求1. 基本控制要求 （1）通过脉冲峰值保持电路，使脉冲达到一定的保持效果； （2）通过单片机复位电路，编程定时复位电路；2. 精确控制要求 （

9、1）脉冲峰值保持效果误差必须小于±1%； （2）脉冲峰值保持时间大于200ms，即峰值保持有效的频率大于500Hz；三、设计方案论证1. 设计思路 通过脉冲峰值检测保持电路，可以使脉冲峰值得到一定的保持效果，再通过示波器输出，直接显示出脉冲峰值保持的效果，单片机复位电路，而设计重点就在于如何使峰值保持。2. 设计方案 方案一：采用AD采样芯片，通过单片机检测峰值，用DA输出保持 ADC0809 为单极性、8位转换精度、逐次逼进式A/D 转换器，其采样速度为每次转换约100µs。有8 个模拟信号输入通道IN0IN7, 由ADDA ADDB 和ADDC (ADDC) 为最高位作

10、为此8 路通道选择地址,在转换开始前,由地址锁存允许信号ALE 将此3 位地址锁入锁存器中,以确定转换信号通道;EOC 为转换结束状态信号,由低电平转为高电平时指示转换结束,此时可读入转换好的8 位数据,EOC 在低电平时指示正在进行转换；一旦EOC 从低电平变为高电平，即可将OE 置为高电平，然后对这些数据进行运算比较，求出峰值数据，再将这些数据通过D/A转换输出。 但就算使用再高速的AD采样芯片,采集的数据是有延时的，很难确定是采集到峰值，因此使用此方案的误差较大，不宜采用。 方案二：基于传统脉冲峰值检测电路，通过改进完成设计 完成峰值检测与保持的理论基础：峰值保持器的基本结构如图1 所示

11、，由放大器A、保持二极管D、保持电容CH、缓冲跟随器B等元件组成。当脉冲信号Ui到来时，D 导通，CH充电，当充电到脉冲峰值时D截止，CH就保持脉冲Ui的峰值。保持电容和放大器是影响峰值保持器性能的主要元件，它们的合理选择是设计峰值保持器的关键。当然，由于电路的处于开环状态，以及再优质的元器件也有参数误差和三极管be间存在门坎电压（一般为0.6V左右），所以需要在传统峰值保持电路的基础上加上闭环反馈环节，减少输出电压与输入电压的峰值的偏差以达到更好的峰值保持效果。图1 峰值保持器原理图通过比较以上两种方案，基于传统峰值保持器改进的设计既简单又更好的完成了脉冲峰值保持，所以选择第二种方案作为本设

12、计的方案。四、系统设计1. 原理分析峰值检测电路的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo = Vpeak，要实现这样的目标，电路输出的峰就值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。其波形如图2所示：图2 峰值检测电路波形2. 电路功能分析 2.1 电压存储器模块 图4 电压存储器如图4所示，电压存储器采用电容充当。电容在此既可以进行电压的存储又可以当做一个积分环节使用。电容充电如下式： （1）由图3分析，电压大于时，三极管导通，电容C3就如式（1）进行充电。当小于或等于时，三极管截止，就停止增加。从而实现了电压峰值的保持。但实际上由于三极管的门限电压，使电压还略大于时，三极管就

13、截止了，所以仅仅采用这样的电压存储器，还存在着很大的误差，必须采取措施才行。后面可以看到采用反馈的方式将会很好地消除误差。2.2 电压跟随器模块图5 电压跟随器为了所保持的电压峰值不受后面采样电路（负载）的影响，特设计一电压保持器。电压保持器具有极高的输入电阻，以至于后面的负载无论怎么变化，输出电压都不会因此改变。2.3 输入输出比较模块图6 电压比较器如图6所示，是由运算放大器组成的比较器。放大器的输入输出如下式： （2）式（2）中放大倍数A的值趋于无穷大，而放大器输出电压有极限值。故，当>时，就正向饱和，当<时，就负向饱和。下面来讨论讨论前面所讲的如何通过反馈来消除由于三极管门

14、限电压而引起的误差。在图4中，其实当-大于三极管的门限电压时，三极管才导通，电容C3就如式（1）进行充电。-小于三极管的门限电压时，三极管截止，就停止增加。当处于峰值的时候，还是略小于，也即相当于，输出电压略大于输入电压。但通过电压比较器，反馈回来的电压只要小于，放大器U1的输出电压就会正向饱和，致使三极管导通，对电容C3进行充电，直至等于。只要小于，放大器U1的输出电压就会负向饱和，三极管截止。从而实现了输出电压对输入电压峰值的无误差保持。 2.4附加复位功能模块在实际的应用当中，考虑到在采集到当前峰值后，有时候还想采集其他较小的峰值，因此，要对充好电的电容放电，重新充电采集。图7 复位电路

15、如图7所示，在正常保持峰值是，R5处给低电平，致使三极管截止。需要复位时，R5处给高电平，致使三极管导通，此时，电容C3通过二极管放电。在本设计中，采用的是由51单片机输出高低电平，来自动地复位电路。简单的说就是用单片机输出一定频率（小于输入脉冲频率）的方波，使输出脉冲信号以峰值保持和未保持的方式交替。如图8，使用单片机小系统完成，在P3.6输出高低电平的方波信号，导通关断三极管Q2使充电电容完成充放电。图8 单片机复位电路五、设计结果及分析 1. 仿真结果及分析 利用multisim 画出完整原理图（见附图1），进行仿真。图9 正弦波峰值保持 如图9所示，这是输入为1KHZ的5V正弦波信号，

16、其中蓝色的是输出的保持信号，当按下复位键时，电容放电，输出不再保持峰值。由图可见该电路可以很好的保持1KHZ的正弦波信号。图10 三角波峰值保持 该图是当输入为占空比为50%的5v三角波时的结果示意图，对于三角波，该电路同样能够很好的实现峰值保持电路。图11 三角波峰值保持 如图11，当三角波的占空比换为20%时，该电路同样能够很好的保持峰值。图12 矩形波峰值保持 如图12为占空比为20%的矩形波，该电路同样能够保持峰值。因此，综上在仿真的理想情况下，保持电容可以保持输入信号的峰值电压，但是实际中二极管的反向电阻不是无穷大，保持电容存在漏电，所以该电路的电容实际会存在放电现象，不能保持峰值不

17、变，会有一定的下降，但是在低精度要求的环境下是完全能够满足要求的。 2. 实际电路调试结果及分析 硬件实物连接（见附图4），并进行调试。图13 正弦波峰值保持 如图13是一个脉冲峰值保持的过程，正弦波为输入波形，正弦波频率为60Hz，在输入脉冲达到峰值时，峰值被保持，在下一个脉冲峰值到来之前一直维持在峰值，即充电电容在没有放电的情况下一直保持在峰值状态。图14 三角波峰值保持如图14所示，三角波所达到的脉冲峰值效果与正弦波相似。图15 复位按钮作用如图15，按下复位电路按键开关，脉冲在峰值保持的情况下，通过复位电路提供高电平，充电电容放电，输出不能不能维持峰值保持。图16 复位按钮作用如图16

18、所示，为复位电路按钮一直按下的情况，脉冲峰值不能保持，所以波形展示的是充电电容充电再放电的过程，在放电完成之前又开始充电，所以输出波形不能下降到足够低。图17 单片机定时复位 如图17，利用单片机进行定时复位的波形图，定时输出高低电平，即输出方波，使输入脉冲以峰值保持和不保持的方式交替输出。结束语 通过一个月的课程设计，从得到题目，查阅相关资料，熟悉题目，再通过老师的指导，找到了资料查阅的方向，进一步知道了应该怎样去应对和解决这个题目，开始动手解决题目，在完成的过程中也遇到了许多的问题，在解决的过程中当然也学到了很多，比如开始计划用单片机产生脉冲，就去了解了单片机产生三角波的方法，虽然最后决定

19、不用这个方法，但是加深了对单片机应用的了解。在整个课程设计的过程中，学到最多的当然还是关于脉冲峰值的保持，了解了目前峰值保持技术和传统峰值保持的差异，以及传统峰值保持的原理，最终实现了脉冲峰值的检测与保持，并完成了实体电路的调试，提升自己的动手能力。最后感谢指导老师在整个过程的辛勤指导和同学的热心帮助，也感谢这次课程设计让自己得到了一定的能力提升。参考文献1 康光华. 电子技术基础模拟部分(第五版)M. 高等教育出版社, 2006.2 陈国杰, 曹辉, 周有平. 脉冲峰值保持器的设计方法与元件选择J. 核电子学与探测技术,2011,31(12), 1378-1385.3 胡贤龙, 翁东山, 冯旗 , 周世椿. 窄脉冲信号峰值保持器J. 核电子学与探测技术,2009,29(1),42-45.4 姜志海, 黄玉清, 刘连鑫等. 单片机原理及应用(第3版)M. 电子工业出版社, 2013