峰值检测系统

1、沈阳航空航天大学课 程 设 计（说明书）峰值检测系统的设计班 级 24060403 学 号 2012040604107 学 生 姓 名 郭 宁 指 导 教 师 于春和 沈阳航空航天大学课 程 设 计 任 务 书课 程 名 称 模拟与数字电子技术课程设计 课程设计题目 峰值检测系统的设计 课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标在科研、生产各个领域都会用到峰值检测设备：例如检测建筑物的最大承受力、检测钢丝绳允许的最大拉力等。本设计的任务是设计一个峰值检测系统，其关键任务是检测峰值并保持稳定。系统可采用如图1所示框图结构：它由传感器、放大器、采样/保持、采样/保持控制电路、A/D(模数转换)、

2、译码显示、数字锁存控制电路组成。各部分的作用如下：传感器：把被测信号量转换成电压量；放大器：将传感器输出的小信号放大，放大器的输出结果满足模数转换器的转换范围；采样/保持：对放大后的被测模拟量进行采样，并保持峰值；采样/保持控制电路：该电路通过控制信号实现对峰值采样，小于原峰值时，保持原峰值，大于原峰值时保持新的峰值；A/D转换：将模拟量转换成数字量；译码显示：完成峰值数字量的译码显示；数字锁存控制电路：对模数转换的峰值数字量进行锁存，小于峰值的数字量不锁存。传感器放大器采样/保持采样/保持控制电路数字锁存控制电路A/D转换译码显示数字显示表表头图1 峰值检测系统示例方案原理框图技术指标1.

3、放大器输入阻抗：Ri>1M；频带宽度：0Hz1kHz；共模抑制比：KCMRR>70dB。2. 测量值用数字显示，显示范围为：0 0001 999；二、设计要求1. 传感器输出信号为05mV，1mV等效于400kg；2. 根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数；3. 画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。三、实验要求1根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用软件仿真。2进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1. 童诗白，华成英主编模拟电子技术基础M北京：高等教育出版社，2006年2. 李万臣，谢红编著. 模拟电子技术基础实验与课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学

4、出版社，20013. 张福学编著. 传感器应用及其电路精选. 北京：电子工业出版社，1992.五、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表：序号评定项目评分成绩1设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）2设计结果可信（例如：系统分析、仿真结果）（15分）3态度认真，遵守纪律（15分）4设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分）5答辩（30分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 2014 年 12 月 26日一、 概述 在科研、生产各个领域都会用到峰值检测设备：例如检测建筑物的最大承受力、检测钢丝绳允许的最大拉力等。本设计的任务是设计一个峰值检测系统，其关键

5、任务是检测峰值并保持稳定。二、 方案论证本次课程设计的峰值检测系统是由传感器、放大器、采样/保持、采样/保持控制电路、A/D(模数转换)、译码显示、数字锁存控制电路组成。传感器是用来把被测信号量转换成电压量；放大器是将传感器输出的小信号放大，输出结果满足模数转换器的转换范围；采样/保持是对放大后的被测模拟量进行采样，并保持峰值；采样/保持控制电路通过控制信号实现对峰值采样，小于原峰值时，保持原峰值，大于原峰值时保持新的峰值。原理框图如下：传感器放大器采样/保持采样/保持控制电路数字锁存控制电路A/D转换译码显示数字显示表表头 图1 峰值检测系统方案原理框图三、 电路设计1、放大电路设计：选用电

6、压增益Au=400的放大电路完成系统对小信号放大的要求。本次课程设计中所用的放大电路为高精度放大电路，尽管放大电路种类繁多，但为了将传感器输出的微弱信号能够有效的放大，故而采用高精度放大器，采用高精度放大器的类型为RT3288，三个运算放大器分别用U1，U2，U3表示。该电路U1和U3的失调电压的量值和方向相同，可以相互抵消，减少了一些误差，所以此种电路精度很高。这种高精度放大器对完成弱信号的放大有重要的作用且放大器输入阻抗Ri远大于1M。由于此电路中放大器要完成400倍的放大任务，400倍分为两级放大，所以要求两级的放大倍数相乘等于分配等于400即可，选取第一级的电压增益Au1为5，分配第二

7、级的电压增益Au2为80，能够达到放大要求。放大电路设计如图2所示：图2 高精度数据放大器该放大电路主要由三个运放构成；其中由于U1和U3采用相同的运算放大器，使U1和U3的失调电压的量值和方向相同，可以相互抵消，从而抑制共模信号，与此同时，差模信号得到放大，并且差模放大倍数越大，共模抑制比越高，从而精确地得到放大性能。其具体放大原理如下：根据集成运放的虚短虚断原理有以下算式： R1=10O R3=2K R2=100 R4=200 设输入电压为=5mV，根据上述公式得出输出电压=2V。2、采样/保持电路设计：采用运放提高直流特性，减小偏置电流OPA128的偏置电流,将场效应管当二极管用，可以有

8、效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力；该部分电路如图3所示：图3 采样/保持控制电路（1）模拟峰值存储器，即电容器C2，用来记录电压峰值；（2）单向电流开关，快速恢复二极管，即二极管D1；（3）离运算放大器OPA128JM， KCMRR=90dB。可以快速精确采样和保持，具有降低偏置，降低失调电流，输入输出缓冲隔的作用。（4）采用FET集成运放提高直流特性，从而减小集成运放OPA128JM的偏置电流；（5）将场效应管当作二极管使用，可以有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动能力；（6）小电容是防止自激的，并记录峰值。3.A/D转换及数字显示系统的设计利用的A/D转换芯片是ICL7

9、107, ICL7107是专为驱动LED显示器而设计的三位半双积分式A/D转换器，它能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动电路和限流电路，使整机电路简化，显示清晰，亮度高，便于夜间观察，显示器采用七段共阳极数码管。当模拟信号从模拟信号输入端输入时，经过A/D转换电路后即可将模拟信号转换为数字信号并输出，A/D转换及数字显示电路见图4。图4 A/D转换和数码显示电路四、性能的测试首先测试放大电路的放大功能，首先输入5mV的正弦信号，将信号的输入端与放大器的输出端一同接入示波器，由于放大器的电压增益为400，那么正常情况下输出信号的峰值应为2V，打开电路开关用示波器测得的数值为理论计算值，观察

10、波形和峰值验证放大电路是否正确，由实际测得的数值知该放大电路较好的完成了放大指标。仿真图如图4所示：A通道为输入端，B通道为输出端。图4 放大电路波形仿真图对于采样/保持控制电路的结果测试，该课程设计题目要求当有信号输入时，采样/保持控制电路会自动检测输入信号的峰值，并显示其峰值，当改变输入信号的峰值时，如果输入信号的峰值比原信号的峰值大，则检测的峰值跟随较大的峰值，当输入信号的峰值比原信号的峰值小的时候，则检测的峰值依然跟随较大的峰值。为检测以上要求是否达到标准，分别采用输入信号峰值为5mV时检测，然后改变输入峰值，使其为3mV；再采用输入信号峰值为5mV时检测，然后改变输入峰值，使其为7m

11、V，选用示波器，并将信号源的输入信号与电容中保持的信号一同接入，观测波形：其中B为输入端，A为输出端。当输入为5mV时，测得输出检测的信号电压为1.997V，约等于2V，使输入5mV电压正好放大了400倍，较好的完成了题目要求的放大指标。该部分检测电路的输出波形如图5所示； 图5 输入5V时的采样波形当输入信号峰值为5mV时，改变输入信号的峰值使其为3mV时，输出波形如图6所示；图6 输入3mV时的波形说明：当输入3mV电压时，放大电路放大为1.2V，小于2V，由于场效应管具有单向导电性，所以此时场效应管处于截止状态，因此电容C2电位不变，所以采样/保持电路要保持原先的2V电压，该电路输出电压

12、仍然是2V。当输入信号峰值为5mV时，改变输入信号的峰值使其为7mV时，输出波形如图7所示。图7 输入7mV时的波形当信号源输入7mV的电压时，经过放大电路放大为2.8V，大于原先的2V电压，场效应管导通，电容器C2开始充电，电位增大，所以采样/保持电路要输出电位为2.8V的采样信号。另外，当输入信号峰值为5mV时，增大输入峰值为6mV，在增大至8mV，最后减小到3mV，观察示波器显示是否满足题目要求，结果显示数值依然满足要求，也就是说当输入信号峰值既有增大又有减小的时候，示波器检测的峰值依然满足课程设计题目的要求。输出波形如图8所示。图8 输入信号既有增大又有减小时的情况五、结论：设计电路符

13、合技术指标。通过对输入信号的验证，该电路较好的完成了本次课程设计的要求。七、课设体会及合理化建议两周的模拟与电子技术课程设计已经结束了，通过这次模拟与电子技术课程设计，我掌握了峰值检测系统的原理及电路的设计，同时也明白了峰值检测系统性能指标测试方法，而且进一步熟练了multisim10软件的使用，开始做这个课程设计的时候我对题目不是很了解，通过老师讲解之后使我对题目有了详细的了解，在实际设计过程中，遇到了许多的问题，但是通过向老师和同学请教之后便一一解决了，有的是自己从中悟出来的经验，使自己真的了解并学到了许多自己在理论课上学不到的东西，感觉自己很有成就感，很高兴。使我学到了许多在课堂上学不到

14、的东西。但是在实际设计过程中还有一些地方掌握得不是很好，还需在以后的学习和实验中多加练习和体会。作为机械电子专业的大学生，学习并掌握电路设计系统是很必要的。所以，只有掌握了自己所学专业的尖端技术并运用自如，才能在以后的工作中立于不败之地。合理化建议：（1）希望学校在以后多多增加类似的课程设计，多多锻炼我们的上机和思维动手能力。（2）设计软件的版本过低，部分原件在软件中无法找到，影响设计，希望以后更新软件的原件库。参考文献1华成英、童诗白主编.模拟电子技术基础（第四版）.M北京：高等教育出版社，2006年2.张福学主编.传感器应用及其电路精选.M北京：电子工业出版社，1992年3.尹勇、李林凌主编.Multisim电路仿真入门与介绍.M北京：科学出版社，2005年.4.阎石主编.数字电子技术基础.M北京：高等教育出版社，2006年.5.赵淑范、王宪伟主编.电子技术实验与课程设计.M北京：清华大学出版社,2006年.附录I 总电路图附录II 元器件清单序号编号名称型号数量1U1、U2、U3集成运放3288RT3 2U4集成运放LT1055