峰值檢測電路說明書

1、 燕 山 大 學(xué) 課 程 設(shè) 計 說 明 書燕山大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書 題 目： 基于運算放大器的峰值檢測電路設(shè)計 學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 年級專業(yè)： 10級檢測2班 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 溫江濤 教師職稱： 講 師 燕山大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書 院（系）：電氣工程學(xué)院 基層教學(xué)單位： 儀器科學(xué)與工程系 學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）10級檢測二班設(shè)計題目基于運算放大器的峰值檢測電路設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)輸入信號是由10-100Hz的正弦波和三角波疊加而成。測量電路每0.2秒采集一次輸入信號的峰值。 設(shè) 計 要 求1：完成題目的理論設(shè)計模型；2：給出系統(tǒng)原理圖、關(guān)鍵器件的參數(shù)及設(shè)計

2、依據(jù)；3：完成電路的multisim仿真； 工作量1：完成一份設(shè)計說明書（其中包括理論設(shè)計的相關(guān)參數(shù)以及仿真結(jié)果）；2：提交一份電路原理圖；工作計劃周一上午到周二上午，教室內(nèi)做理論設(shè)計；周二下午到周五上午，自己有計算機的同學(xué)在教室內(nèi)做multisim仿真，沒有計算機的同學(xué)到實驗室進(jìn)行電路仿真；周五下午，教室內(nèi)整理設(shè)計材料、準(zhǔn)備撰寫設(shè)計說明書參考資料1:基于運算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計；2：模擬電子技術(shù)；3：電路理論；4：數(shù)字電子技術(shù)；指導(dǎo)教師簽字溫江濤基層教學(xué)單位主任簽字說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。 2013年6月28日目 錄摘要 ··

3、;··················································

4、;·····2第一章 設(shè)計要求及意義·········································31.1 設(shè)計要求&#

5、183;·············································31.2 設(shè)計意義···

6、;···········································3第二章 峰值檢測電路的設(shè)計原理····&

7、#183;····························4 2.1 峰值的跟蹤與保持···················

8、;···················52.2 復(fù)位開關(guān)·····························&#

9、183;················7 2.3 元件選取及參數(shù)計算·······························

10、;····10第三章 Multisim 仿真原理圖及結(jié)果分析·························11 3.1 Multisim 仿真原理圖·············&

11、#183;····················11 3.2仿真結(jié)果分析···························&

12、#183;·············12第四章 總結(jié)與體會··································&#

13、183;·········16參考文獻(xiàn)·······································&#

14、183;·············摘 要本次課設(shè)要求基于運算放大器設(shè)計峰值電路，并按要求利用Multisim軟件進(jìn)行仿真結(jié)果演示。峰值檢測電路（PKD，Peak Detector）的作用是對輸入信號的峰值進(jìn)行提取，產(chǎn)生輸出Vo = Vpeak，為了實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，電路輸出值會一直保持，直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。峰值檢測電路在AGC（自動增益控制）電路和傳感器最值求取電路中廣泛應(yīng)用。這種電路結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，易于實現(xiàn)，在工業(yè)儀表控制的采樣電路中具有相當(dāng)高

15、工程實用價值。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。關(guān)鍵字： 運算放大器 峰值檢測 555定時器 Multisim 第一章 設(shè)計要求及意義1.1 設(shè)計要求 本設(shè)計要求設(shè)計一個基于運算放大器的峰值檢測電路（PKD，Peak Detector），對輸入信號的峰值進(jìn)行跟蹤，保持，并輸出，Vo = Vpeak，直到遇到更大峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。 根據(jù)任務(wù)書要求，總結(jié)設(shè)計要求如下： （1）輸入信號是由10-100Hz的正弦波和三角波疊加而成

16、。 （2）復(fù)位開關(guān)的周期為0.2s，即跟蹤電容每0.2s放電一次。 （3）要求對輸入信號的正相反相峰值同時進(jìn)行跟蹤。1.2 設(shè)計意義 峰值檢測是示波器中數(shù)據(jù)采集方式之一(另外有取樣方式和平均方式)，這種技術(shù)起源于存儲深度不能滿足捕獲毛刺的需要。取樣方式是通過平均的時間間隔對信號進(jìn)行取樣來進(jìn)行創(chuàng)建波形，正常取樣方式時，要捕捉窄的毛刺，示波器必須以高的采樣率才能捕捉到窄的毛刺，并且將全部采樣數(shù)據(jù)全部存儲起來。而當(dāng)信號的頻率比較低時，用示波器去觀察信號需要將示波器時基檔位調(diào)到等效采樣率比較低的檔位，而這時需要等效采樣率很低，利用取樣方式就不能捕捉到毛刺信號，利用峰值檢測技術(shù)就可以解決這個問題。 峰值

17、檢測不像正常取樣那樣給出一個詳細(xì)的完整波形顯示，而是以最高的采樣率捕捉信號，簡單的忽略某些采樣，只記錄發(fā)生在每個采樣間隔期間內(nèi)的最大和最小值，這樣就不用增加存儲存儲深度還可以捕捉毛刺或偶發(fā)事件。峰值檢測模式下，即使使用的是等效采樣率較低的時基檔位，也能捕捉到可能出現(xiàn)的某些毛刺信號。峰值檢測是數(shù)字示波器的重要技術(shù)指標(biāo)之一，在科研、生產(chǎn)的很多領(lǐng)域都需要用到峰值檢測設(shè)備，用來實現(xiàn)波形的毛刺捕捉或高占空比信號的檢測、沖擊信號峰值檢測，比如檢測建筑物中梁的最大承受力、鋼材的最大允許拉力、軸承振動噪聲的峰值檢測等等。主要用來實現(xiàn)以下3個功能：（1）波形的毛刺捕捉；（2）包絡(luò)的顯示功能，峰值檢測的方法對于捕

18、捉調(diào)制信號是非常有用的； （3）限制混疊的作用。第2章 峰值檢測電路的設(shè)計原理 顧名思義，峰值檢測器（PKD，Peak Detector）就是要對信號的峰值進(jìn)行采集并保持，產(chǎn)生輸出Vo = Vpeak，為了實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，電路輸出值會一直保持，直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位。其效果如圖2.1（a），電路如圖2.1（b）。圖2.1 峰值檢測器時域波形和電路方框圖由峰值檢測器的電路特性，可以確定下面四個功能模塊： （1）用來保持最近峰值的模擬儲存器，即電容器CH，它存儲電荷的功能,使 它充當(dāng)一個電壓存儲器，V = Q /C ； （2）當(dāng)一個新的峰值出現(xiàn)時，用來進(jìn)一步對電容充電的單向電流開關(guān)，

19、 即二極管D2； （3）當(dāng)一個新的峰值出現(xiàn)時，使電容電壓能夠跟蹤輸入電壓的器件，即電壓 跟隨器OA1； （4）能周期的將 vo 重新置零的開關(guān)SW，這里是用555多諧振蕩器和一個模擬 開關(guān) 作為采樣開關(guān)和采集電壓的電容相并聯(lián)實現(xiàn)的。 另外，圖2.1（b）中運放OA2 的作用是對電壓電容進(jìn)行緩沖，防止CH 通過R和任何外部負(fù)載所引起的放電。另外，D1 和R可以防止OA1在檢測到峰值后出現(xiàn)飽和，因此，當(dāng)新的峰值出現(xiàn)時，可以加快恢復(fù)速度。2.1 峰值的跟蹤與保持 一、輸入信號 圖2.2 輸入信號 輸入信號要求10100Hz正弦波和三角波疊加而成，電路中采用兩個函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的輸入

20、信號，與運放741構(gòu)成一個求和放大器，反饋電阻R3=10K，與信號串聯(lián)的電阻R5=R6=10K相等，最后求和后的輸入信號的加權(quán)系數(shù)都是-1，即為正弦波和三角波的反向疊加。 二、峰值跟蹤與保持電路1.正向峰值檢測電路圖 圖2.3 正向峰值檢測電路正向峰值檢測電路如圖2.3，當(dāng)輸入信號的一個新的峰值到大時當(dāng)一個新的波峰到達(dá)時，U1的輸出V1為正，D9截止，D4導(dǎo)通，U1利用反饋通路D4-U4 -R2 使它的輸入端之間保持虛短路。由于沒有電流流過R 2，就會使輸出信號Vo 跟蹤Vi 。此為跟蹤模式，如圖2.4（a）。在此期間，D3、D4 二極管對相當(dāng)于一個單向開關(guān)，U1流出的電流經(jīng)過D4對C 1充電

21、。U1的輸出比Vo高了兩個二極管的壓降。R 6將D3的陽極拉起，才能消除D3的漏電流影響，只用D4來保持反相偏置，C3在跟蹤模式期間，穩(wěn)定具有容性負(fù)載的運放U1。在經(jīng)歷了峰值之后，輸入Vi開始下降，U1的輸出也開始下降，D9導(dǎo)通，D4 截止，由于虛短，U1的輸出比輸入Vi低了一個二極管的壓降，電路進(jìn)入保持模式，如圖2.4（b），在此期間，電容電壓保持恒定，D9和R2是為了防止U1在檢測到峰值后出現(xiàn)飽和。圖2.4 跟蹤模式與保持模式中峰值檢測器的等效電路2.反向峰值檢測電路 圖2.5 反向峰值檢測電路將正向峰值檢測電路中的二極管反向，如圖2.5所示，其他部分不變，即得到了可以檢測反向峰值的電路，

22、工作原理和正向峰值檢測電路類似。2.2 復(fù)位開關(guān)任務(wù)書要求復(fù)位開關(guān)每0.2s閉合一次，設(shè)計由555定時器構(gòu)成的可調(diào)占空比的多諧振蕩器產(chǎn)生頻率為5Hz的方波控制模擬開關(guān)閉合和斷開。 （a）方波發(fā)生器 （b）模擬開關(guān) 圖2.6 復(fù)位開關(guān)1、 方波發(fā)生器多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。其工作原理如下：(1) 起始狀態(tài)。電路剛通電時，電容C來不及充電，C上無電荷，Vc=0，Vc為施密特觸發(fā)器的輸入端，施密特觸發(fā)器輸出高電平，Vo=1

23、，TD 截止，電容充電，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)1。(2) 暫穩(wěn)態(tài)1。TD 截止，Vcc經(jīng)電阻R1，R2，向C充電。Vc逐漸升高，相當(dāng)于施密特觸發(fā)器輸入信號為上升沿，在上限閾值電壓T+改變狀態(tài)，Vo由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑瑫悍€(wěn)態(tài)1結(jié)束，進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)2。(3) 施密特觸發(fā)器輸出低電平，TD導(dǎo)通，電容C經(jīng)過R2和TD向接地端放電，Vc逐漸降低，相當(dāng)于施密特觸發(fā)器輸入信號為下降沿，在下限閾值T-改變狀態(tài)，Vo由低電平轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑瑫悍€(wěn)態(tài)2結(jié)束，自動返回暫穩(wěn)態(tài)1。圖2.7 多謝振蕩器的電氣原理圖和電路符號圖2.8 多諧振蕩器的電壓波形圖為使占空比可調(diào)，可利用二極管單向?qū)▽崿F(xiàn)。圖2.9 占空比可調(diào)改進(jìn)電路脈沖周期為：

24、T=TH+TL=(R1+2R2)CLn2占空比為： P=R1/(R1+R2)2、 模擬開關(guān)模擬開關(guān)S1連接方波發(fā)生器后可周期性的將輸出信號Vo置零。當(dāng)開關(guān)S1閉合時，即產(chǎn)生方波處于高電平時，電壓存儲器CH ，就會瞬時放電，S1斷開時，產(chǎn)生方波處于低電平時，峰值檢測電路正常工作。但是由于電容器CH 存在泄露和介質(zhì)吸收，會造成放電不完全，或者漏電流，產(chǎn)生反彈作用。使得測出的峰值不準(zhǔn)確，存在誤差。 圖2.10 理想模擬開關(guān)和它的i-v特性圖2.11（a）介質(zhì)吸收 （b）反彈作用2.3 元件選取及參數(shù)計算1、 峰值檢測部分 1.運放的選取 對U1，U2的要求是它應(yīng)該具有足夠低的直流輸入誤差和足夠高的輸

25、出電流能力，以便在短暫的復(fù)制器對電壓存儲器CH 充電，對U4，U5的要求是輸入偏置電流足夠低，因此選用雙JFET器件，選用Multisim元件庫中精密高速的運放3554AM可滿足要求。 2.電容器的選取 C3，C4可穩(wěn)定有容性負(fù)載的運算放大器U1，U2，作為補償電容，數(shù)量級一般是幾十皮法，設(shè)計中取C3=C4=10pF。 在電路中有電壓存儲作用的電容器C1，C2必須足夠大，才能降低漏電流的影響，然而太大的電容值會導(dǎo)致充電時間過長，影響電路快速性，經(jīng)過多次仿真模擬，選用1nF的電容作為C1，C2既可以保證回應(yīng)速度，又能很好的保持峰值。3. 二極管和電阻的選取 二極管起單向開關(guān)的作用，采用通用的1N

26、914即可。D3，D5的上拉電阻R6，R7用于是二極管的陽極和陰極有相同的電位，起限流作用，要求阻值足夠大，取R6=R7=1M。R1，R2的作用是給D9，D1提供一個電流通路，這里選取R1=R2 = 10K。2、 復(fù)位開關(guān)部分方波由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生，本設(shè)計中采用型號為LM555CN的555定時器。使方波占空比可調(diào)的二極管D7，D8為1N1202C。在使用555定時器構(gòu)成定時器產(chǎn)生方波，周期T=0.2s,取占空比為1%，C6=20uF，分別帶入脈沖周期為： T=TH+TL=(R8+2R9)C6Ln2占空比為： P=R8/(R8+R9)求得 R8=144 R9=14.256K4.

27、模擬開關(guān) 要求模擬開關(guān)漏電流要小，經(jīng)過多次仿真實驗，選取COMS開關(guān)AD7510DIJD，漏電流最小，復(fù)位效果最好。 第3章 Multisim 仿真原理圖及結(jié)果分析 3.1 Multisim 仿真原理圖圖3.1 Multisim 仿真原理圖3.2 仿真結(jié)果分析示波器A通道接輸入信號，B通道接正向峰值，C通道接反向通道，D通道接方波。（1）信號1：頻率為10Hz，幅度為3V的正弦波； 信號2：頻率為21Hz，占空比為50%，幅度為2V的三角波； 采樣周期為0.2s，占空比為1%； 其仿真結(jié)果如下：圖3.2 仿真圖像（1）（2）信號1：頻率為50Hz，幅度為6V的正弦波； 信號2：頻率為88Hz，占空比為20%，幅度為6V的三角波； 采樣周期為0.2s，占空比為1%； 其仿真結(jié)果如下： 圖3.3 仿真圖像（2）（3）信號1：頻率為50Hz，幅度為1V的正弦波； 信號2：頻率為88Hz，占空比為20%，幅度為1V的三角波； 采樣周期為0.2s，占空比為1%； 其仿真結(jié)果如下：圖3.4 仿真圖像（3）（4）信號1：頻率為10Hz，幅度為3V的正弦波； 信號2：頻率為21Hz，占空比為50%，幅度為2V的三角波； 采樣周期為0.2s，占空比為5%； 其仿真結(jié)果如下：圖3.5 仿真圖像（4） 由仿真圖可以看出，當(dāng)方波輸出高電平時，開關(guān)閉合，即電容放電期間，電路無法跟蹤峰值，電路復(fù)位，當(dāng)方波