基于运算放大器的峰值检测电路实用版.docx
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基于运算放大器的峰值检测电路实用版
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
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
2.1原理分析及原理框图
2.1.1原理分析
峰值检测电路(PKD,PeakDetector)的作用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
图2电路原理框图
2.2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
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
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
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
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
3.1峰值检测电路元件参数选取
3.1.1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1MΩ。
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10μf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
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
charnumber1;
voidmain()
{
TMOD=0X01;
ET0=1;
EA=1;
TR0=1;
TH0=(65536-10000)/256;
TL0=(65536-10000)%256;
number1=0;
P2=0X00;
while
(1)
{
switch(number1)
{
case9:
P2=0X01;
break;
case19:
P2=0x02;
break;
default:
P2=0x00;
}
}
}
voidintt0(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
整体电路图如下,改进后的请见第六章。
图8整体电路图
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%;
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%;
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%;
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%;
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
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
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