数字电路信号峰值检测仪

1、数字电路课程设计题 目 信号峰值检测仪 学 院 电子与信息工程学院 专业班级 通信13（本1）班 学生姓名 张 峰 指导教师 张 军 撰写日期：2015 年6月18日目录绪论1一 、峰值检测基本原理2二 、系统方案设计22.1 系统总体框图设计22.2 峰值检测方案设计和论证3三 、硬件设计43.1 单片机A/D转换电路和LCD接口电路43.1.1 ATMEGA16简介43.1.2 ATMEGA16的管脚分布及功能53.1.3 LCD1602的接口电路53.2 小信号放大电路63.3 电源电路7四 、软件设计84.1 ATmega16单片机的模数转换器ADC介绍84.2 ATmega16单片机

2、的模数转换器ADC相关的I/O寄存器94.2.1 ADC多路复用器选择寄存器ADMUX:如图11所示94.2.2 ADC控制和状态寄存器AADCSRA：如图12所示。104.2.3 ADC数据寄存器ADCL和ADCH ：如图13所示114.3 系统软件框图设计12五 、系统仿真调试与结果分析135.1 系统仿真调试135.2 结果分析14六 、总结15七 、参考文献15附录16附录1 系统总电路图16附录2 主程序代码17附录3 头文件LCD1602.h19信号峰值检测研究与设计摘要 本设计介绍了峰值检测系统的设计原理、软硬件设计方法及系统性能指标调试方法。被测信号经传感器转化为电信号，再经运

3、放AD620和OP07放大、LF398采样/保持后进行A/D转化和信号处理后数字显示输出。研究的主要内容有：方案论证、硬件设计、软件设计、系统实物调试。硬件设计主要有小信号放大电路、峰值采样/保持电路、AD转换电路、LCD显示电路、电源电路及单片机最小系统。系统以ATMEGA16单片机作为控制核心，以LF398芯片为峰值采样/保持电路核心，实现了输入信号的峰值提取和数字输出，并给出了具体方案和实验样本。【关键词】 峰值 采样/保持电路 ATMEGA16单片机 LF398绪论峰值检测是电子测量、自动化仪表以及其它相关技术领域常会遇到的问题。峰值反映了信号极为重要的方面,尤其是小信号1。设计完善的

4、峰值检测系统，不仅可以用于对微弱信号进行检测 ,还可以通过传感器对其它非电信号如微弱的机械振动实现自动检测和控制 ,从而构成完整的测控系统 ,因此峰值检测具有广泛的实用价值 。峰值检测技术是数字存储示波器及数据采集卡中的重要技术之一, 用来实现波形的峰值捕捉2。在科研、生产的许多领域都需要用到峰值检测设备，比如检测某建筑物中梁的最大承受力 ,检测一根钢丝绳的最大允许拉力等，这就需要用到相应的检测设备。目前常用的方法是先求得检测信号的平均值，但使用平均值掩盖了被检测信号的突然脉冲，从而可能引起系统的失灵及不稳定3。若用由二极管和电阻电容构成的普通峰值检波电路来检波 ,效果会很差 ,主要表现在两个

5、方面:第一 ,若选择 RC电路时间常数大一些 ,则输出信号的波形会好一些 ,但检波输出之后的信号幅值和检波之前的信号幅值有明显的差距 ,输出信号幅值明显降低 ,峰值检波效率变差 ,同时 ,信号快变部分的丢失变得严重。第二 ,若选择 RC电路时间常数小一些 ,则会发现检波前后的信号幅值的差异变小 ,信号之中的快变分量明显变好 ,但输出信号的波形明显变差 ,不利于对信号的A/ D变换。为了得到良好的输出波形,同时峰值检波前后的信号幅值差异小 ,信号快变部分丢失小 ,检波效率高 ,以利于 A/ D 变换的需要 ,一种较好的方法就是采用基于单片机(MCU)和LF398的峰值检波电路，本文分析设计了一台

6、基于AVR单片机(MCU)和LF398的信号峰值检测仪 ,测量精度为0.005V,采用LCD1602液晶显示峰值。一 、峰值检测基本原理峰值检测电路（PKD，Peak Detector）的作用就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，电路输出值需一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。其效果原理如图1所示：图1 峰值检测基本原理二 、系统方案设计2.1 系统总体框图设计本系统的关键任务是检测出峰值并使之保持稳定和数字显示，其总体结构框图如图2所示。它由传感器、放大器、采样/保持电路、采样/保持控制电路、A/D转换电路、峰值显示电路组成。由传感器测量

7、得到一定的输入信号，该输入信号一般较小，需经放大器放大，放大后的信号送入峰值采样/保持电路，单片机将得到的峰值模拟信号进行A/D转换后数字输出并显示。图2 峰值检测系统设计总体结构框图2.2 峰值检测方案设计和论证方案1：如图3所示即为一般正峰值检测电路，其工作原理为：初始状态电容电压 Uc等于零时,当输入电压Ui 0 的时候,由于运放 U3 充当跟随器,故 Ui= Uo ,二极管 D2 导通 ,电压 Ui 对电容 C2充电 ,直至电容 C2上的电压 Uc 等于输入电压 Ui 的峰值，只要输入电压 Ui Uc ,二极管 D2 就截止,电容电压 Uc 保持不变,即电容电压 Uc 保持先前检测到的

8、输入电压 Ui 的峰值,只有输入电压 Ui Uc时,二极管 VD才导通 ,电容 C 进行充电。总之 ,电容电压 Uc 始终保持输入电压 Ui 的峰值。但此电路存在缺陷 ,当输入小信号波形的正向峰值小于二极管 D2 的正向导通电压时 ,二极管将截止 ,此峰值检测电路便不能工作。可见 ,此电路不能用于检测小信号波形的峰值。图3 一般峰值信号检测原理图方案2：如图4所示为小信号峰值检测电路,此电路是由一级运放构成 ,二极管VD置于反馈回路之中。运放 U1 与电容 C1一道构成峰值检测电路;运放 U2 构成跟随器 ,使峰值检测电路与后面的电路隔离。当小信号输入时 ,即使输入信号的正半周很小 ,由于运放

9、 U1的 Av ( Av为运放环路电压增益) 很大,而 U1 的输出电压等于Uin Av ,所以 U1 的输出电压也足以使二极管导通,迫使运放 U1 处于跟随状态,从而能实现对输入小信号的峰值进行检测。虽避免了方案1的不足之处，但是该方案对各个元件的参数要求较高，而且容易受干扰。图4 小信号峰值检测原理图方案3 ：如图5所示，采用LF398作为峰值采样/保持电路的核心，LF398是一种反馈型采样/保持放大器，它的第8个引脚为采样保持器的控制脚 ,输人高电平时 ,芯片工作在采样状态,输入低电平时 ,芯片工作在保持状态 。由于回路阻抗很大 ,所以保持功能很强 ,电路的保持功能是依靠C1对 Vi的充

10、电实现的 ,因而对C1的要求较高 ,一般选用有机薄膜介质电容。UA741构成比较器电路,将被测信号与保持信号Vo进行比较,若ViVo,比较器输出高电平 ,开启 LF398进人采样状态 ，若ViVo,比较器输出高电平 ,系统开启 LF398进人采样状态 ，若ViVo,比较器输出高电平 ,MCU检测到高低平后，系统将LF398的第8个管脚拉高，开启 LF398进人采样状态 ，若ViVo,比较器输出低电平，为了使LF398保持原有信号峰值，即当MCU检测到峰值采样完成时，系统将LF398的第8个管脚拉低，使LF398处于峰值保持状态，同时进行A/D转换和峰值显示，一段时间后系统重新进入到峰值的采样状

11、态，实现信号的实时峰值数据采集。本文给出了系统的设计原理、设计方法、软件设计过程、系统实物调试过程及系统结果分析，通过不断的努力和实验，最终实现了输入信号的峰值提取和数字输出。经过这次课程设计，我学会了不少的知识，学会了怎样查阅资料和利用工具书，以及熟练地使用PROTEUS仿真软件和相关开发工具。通过这次课程设计，我更加深刻地认识到只有将书本与具体的实践相结合，才会有真正的收获，才能巩固自已的所学，认识到自己的不足。尤其是在调试过程中我遇到了很多常见问题，通过对这些问题的探讨和解决，我也学会了一些基本原则和考虑因素，使自己得到了全方位的提升。七 、参考文献1彭介华.电子技术课程设计指导M.北京

12、：高等教育出版社2孙梅生，李美莺，徐振英. 电子技术基础课程设计M.北京高等教育出版社3梁宗善. 电子技术基础课程设计M. 武汉：华中理工大学出版社4张玉璞，李庆常. 电子技术课程设计M. 北京：北京理工大学出版社5谢自美.电子线路设计实验测试（第二版）M.武汉：华中科技大学出版社6附录附录1 系统总电路图附录2 主程序代码/*毕业设计：峰值信号检测 */#include #include #include lcd1602.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar table=Peak voltage;uchar ta

13、ble1=. (V);uint ad_result,ad4;/AD转换结果寄存器配置；/*端口初始化设置*/void init_port() DDRD|=BIT(5)|BIT(6)|BIT(7);/RS,RW,EN设置； DDRC=0XFF;/*ATMEGA16内部AD转换函数*/uint ad_mage16() uint addata; DDRA&=BIT(PA0);/1111 1110 PA0设置为输入; PORTA&=BIT(PA0);/1111 1110 设置为不带上拉电阻的输入; ADMUX=0X00;/参考电压、右对齐、模拟通道选择设置； ADCSR=0X86;/开AD转换使能位：

14、ADEN，64分频; ACSR =(1ACD);/关闭模拟比较器 ADCSR|=BIT(ADSC);/0100 000 启动AD转换位：ADSC; while(!ADCSR&(BIT(ADIF);/判断转换标志位ADIF是否为1，转换完毕； addata=ADCL;/右对齐，先读取低8位； addata=addata+ADCH*256;/读取10位AD转换结果的高两位； return addata;/*数据显示转换*/uint data_change(uint x) long z; uint y; z=(4875*(long)x)/1024; y=(uint)z; return y;/*AD转

15、换结果显示函数*/void result_disp() uchar i; /*调用AD数据显示转换*/ ad_result=（data_change(ad_mage16()+246)/250; for(i=0;i4;i+) ad3-i=ad_result%10; ad_result=ad_result/10; /*显示“Peak voltage“*/ write_com(0x80+2);/第4列开始显示 delay(5); for(i=0;i12;i+) write_dat(tablei); delay(5); /*显示转换结果的最高位ad0*/ write_com(0x80+0x40+4);

16、 delay(5); write_dat(ad0+0x30); delay(5); /*显示小数点*/ write_com(0x80+0x40+5); delay(5); write_dat(table10); delay(5); /*显示转换结果的低3位*/ write_com(0x80+0x40+6); for(i=1;i4;i+) write_dat(adi+0x30); delay(5); /*显示转换结果的单位*/ write_com(0x80+0x40+9); delay(5); for(i=1;i5;i+) write_dat(table1i); delay(5); /*主函数*

17、/void main() init_port();/端口初始化函数调用 init_lcd();/液晶初始化函数 while(1) result_disp();/显示结果函数调用 附录3 头文件LCD1602.h #include /*macros.h头文件中包含了AVR的位操作指令BIT*/#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint ms) uint i,j;for(i=0;ims;i+) for(j=0;j1141;j+); /*将数据命令写入LCD*/void write_com(

18、uchar com) PORTD&=BIT(5);/RS=0; PORTD&=BIT(6);/RW=0;/ delay(5); PORTC=com;/ delay(5); PORTD|=BIT(7);/E=1; delay(1); PORTD&=BIT(7);/E=0;/*从LCD中读取数据*/void write_dat(uchar dat) PORTD|=BIT(5);/RS=1; PORTD&=BIT(6);/RW=0; /delay(5); PORTC=dat; /delay(5); PORTD|=BIT(7);/E=1; delay(1); PORTD&=BIT(7);/E=0;/*定义数字显示位子*/void write_sfm(uchar add,uc