峰值檢測電路設計論文.doc

峰值檢測 指導教師： 參賽學生 參賽學校及院系： 峰值檢測電路設計 摘要在生產(chǎn)、科研等各個領域都會用到峰值檢測設備。本設計介紹了峰值檢測系統(tǒng)的設計原理、軟硬件設計方法，系統(tǒng)性能指標調(diào)試方法以及multisim的仿真模擬。以STC89C52單片機為核心處理器，主要控制電壓的輸出，最后在數(shù)碼管上顯示。在峰值檢測系統(tǒng)中，通過NE5532P型運算放大器和開關二極管1N60組成采樣保持電路。其輸出電壓經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器送至單片機，經(jīng)過單片機的控制和處理最終輸出相應的數(shù)字電壓，最后采用multisim仿真，與實際測量效果進行對比分析得出結(jié)論，實現(xiàn)了峰值的連續(xù)檢測和保持。 關鍵詞： 峰值檢測；采樣/保持電路;A/D轉(zhuǎn)換器；STC89C52;multisim 目錄 一、系統(tǒng)方案 1 1.1總體方案論證與選擇 1 1.2總體設計思路 2 二、電路與理論分析 2 2.1峰值檢測基本原理 2 2．2峰值檢測理論分析與計算 3 三、軟件設計與流程圖 4 四、系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析 4 4.1系統(tǒng)調(diào)試 4 4.2誤差分析 7 五、總結(jié) 7 六、參考文獻 8 附錄1 總電路圖 9 附錄2 源程序 9 附錄3 元器件清單 12 一、系統(tǒng)方案 1.1總體方案論證與選擇 方案一：基于ICL-7135雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片的數(shù)字電路設計。用采樣/保持峰值電路，通過數(shù)據(jù)鎖存控制電路鎖存峰值的數(shù)字量。設計的原理圖較為復雜，它由被測信號、采樣/保持、采樣/保持控制電路、A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）、譯碼顯示、數(shù)字鎖存控制電路組成。需要用到的主要芯片有LF398采樣/保持芯片,555定時器，ICL-7135型A/D轉(zhuǎn)換器，74LS47譯碼器，8段數(shù)碼管等。 方案二：運用一個運算放大器的模擬電路設計。將運算放大器的正極與信號源連接，運算放大器的輸出直接與負極相連，組成一個簡單的電壓跟隨器，在輸出端即既能檢測信號源的峰值電壓。 方案三：運用兩個運算放大器的模擬電路設計。運用信號源正向上升電壓對電容進行充電，當信號源達到峰值的時候充電結(jié)束，此時電容兩端的電壓也就等于信號源的峰值，由于電容電壓不能突變，此時可以直接測量電容電壓也就檢測出信號源的峰值。該電路主要包括模擬峰值存儲器,單向電流開關，輸入輸出緩沖隔離，電容放電復位開關（這部分非必須，如：如果電容值選取合適，兩次采樣時間間隔較大） 對比三個方案可以看出，方案一采用了大量的芯片，電路較為復雜，相比之下，各芯片成本較高，而且LF398芯片在proteus和multisim等常用電路模擬軟件中均無模擬模型，為電路的模擬造成困難。而方案二與方案三，需用用到的都是常見的器件，更容易獲得，而且便于模擬，有利于對電路整體性能的把握，便于實現(xiàn)。但是相比方案三，方案二采用電容器儲能，并且有輸出緩沖，能有效呢抑制電容器放電，運用電容器電壓不能發(fā)生突變的原理便與測量，因此選擇方案三更為合理。 1.2總體設計思路 根據(jù)電路要求，模擬峰值存儲器，可以選擇合適范圍的電容器存儲電壓；單向電流開關（即開關二極管）則選用具有開關快速恢復能力的二極管；輸入輸出緩沖隔離，即運算放大器；AD轉(zhuǎn)換器則用來實現(xiàn)模擬電壓1到數(shù)字電壓的轉(zhuǎn)換；最后，再利用單片機和數(shù)碼管控制處理輸出相應的數(shù)字電壓。 當信號源正向電壓通過運放時，二極管導通，電容器不斷充電，輸出電壓即為電容器上存儲的模擬峰值電壓，當信號源電壓下降時，由于單向電流的開關作用，抑制了電容器放電，可以短時間維持電容器電壓，峰值保持不變，此時檢測電容器兩端的電壓即信號源峰值。 電路設計框圖如圖1.1所示： A/D轉(zhuǎn)換電路 采樣保持電路 信號源 STC89C52單片機 數(shù)碼管輸出顯示 圖1.1 電路設計框圖 二、電路與理論分析 2.1峰值檢測基本原理 峰值檢測電路（PKD，PeakDetector）的作用就是對輸入信號的峰值進行提取，產(chǎn)生輸出Vo=Vpeak，為了實現(xiàn)這樣的目標，電路輸出值需一直保持，直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復位， 其效果原理如圖2.1所示： 圖2.1峰值檢測基本效果原理 峰值檢測的基本原理很簡單，通過一個電壓跟隨器，正相輸入信號，輸出直接接反相，這樣輸出值與輸入值相等。若在輸出與波形檢測部分并接一電容，當波形值增加時，顯示部分能指示出這一增加過程，同時電容也在充電，電容的電壓不斷增加。當波形的峰值下降時，由于電容已充電，這是波形顯示部分顯示的是電容記錄的最大值。為了防止電容電壓下降，在電容與電壓跟隨器之間加一二極管。由于二極管的的單向?qū)ㄐ裕O管的電壓不會“流失”，這樣就能保證顯示部分記錄的就是輸入波形的最大值。即“遇增增，遇減不變” 圖2.2峰值檢測電路原理圖 2．2峰值檢測理論分析與計算 如電路圖所示，由于二極管的單向?qū)щ娦?，應該選擇具有更快開源速度的二極管，本系統(tǒng)選用了1N6000B；對運放的頻帶寬度為了滿足要求，選用了高性能低噪聲的NE5532P；對時間常數(shù)τ（τ=R3.C1）τ越小，在低頻階段下降明顯，τ 增大，輸出相應時間變慢，而C1越大，下降速率越慢，C1越大，下降速率越快，為了滿足要求，本系統(tǒng)選用了3.3.uf電容和100k的電容。 三、軟件設計與流程圖 軟件部分采用模塊化程序設計的方法，由主控制程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)碼管顯示部分子程序等組成。我們選用了帶8k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器STC89C52微處理器，內(nèi)部自帶XT2046型A/D轉(zhuǎn)換器（工作電壓在-0.3+Vcc—+0.3+Vcc）擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程以及512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線。 程序流程圖如下圖所示： 開始 模擬信號輸入 A/D轉(zhuǎn)換器初始化 向A/D轉(zhuǎn)換器寫入數(shù)據(jù) A/D轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù) 譯碼顯示 STC89C52控制處理 數(shù)字電壓輸出 數(shù)碼管顯示輸出電壓 圖2.3 流程框圖 四、系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析 4.1系統(tǒng)調(diào)試 在實驗過程中，根據(jù)電路原理圖，將系統(tǒng)分為模擬峰值存儲器、單相電流開關、輸入輸出緩沖隔離三個部分進行測試。測試使用的工具主要有：萬用表，函數(shù)信號發(fā)生器，示波器等。 如下圖所示，首先按照電路原理圖接通電路，再將函數(shù)信號發(fā)生器和示波器接入電路，然后將輸出端與STC89C52單片機相應端口連接，通過改變輸入信號的頻率和幅值，（頻率范圍為50kHz-500kHz,幅值范圍為0-5V）在數(shù)碼管上面觀察并記錄輸出信號的幅值，即實現(xiàn)了對輸入信號的峰值進行采樣和保持，從而來獲取輸入電壓與輸出電壓的線性關系。 圖2.3峰值檢測實物圖 表1.1實際峰值檢測結(jié)果 圖2.4輸出Uo與Ui的線性關系 圖2.4Multisim仿真效果 表1.2仿真峰值檢測結(jié)果 圖2.5輸出Uo與Ui的線性關系 4.2誤差分析 用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的輸入信號，用示波器在輸出端檢測到的波形中并不完全是一條直線，里面存在一些雜波，對測量結(jié)果造成了一定的影響。 若選擇RC時間常數(shù)大一些，輸出信號的波形會好一些，但輸出信號的幅值和輸入信號的幅值有明顯的差別；若選擇RC時間常數(shù)小一些，輸出信號之中的快變分量會變好，但波形會變差；若選擇求取檢波信號的平均值，又會因為平均值而掩蓋被檢測信號的突然脈沖，從而引起系統(tǒng)的失靈和不穩(wěn)定。 這些現(xiàn)象主要與運算放大器的和開關二極管的性能參數(shù)和電容的選擇有關。最后，通過查閱資料，我們最后換用了輸出驅(qū)動能力優(yōu)良、小信號帶寬高以及電源電壓范圍較大的NE5532運算放大器，然后我們換用了反向恢復時間極短的1N6095開關二極管和3.3.uf的電容。同時，我們還對運放的電源端并聯(lián)了電容，用來避免輸出波形受到噪聲的影響，提高其抗干擾能力，從而提高輸出波形的穩(wěn)定性。 五、總結(jié) 通過分析實驗結(jié)果，我們得出了以下一些結(jié)論： （1） 本系統(tǒng)實現(xiàn)了對輸入信號的峰值采樣和保持，能夠允許測量的檢波的頻率范圍為50Hz到500Hz，峰值為100mv到5v。 （2） 理想仿真效果輸入Ui與輸出Uo滿足Uo=0.968*Ui+0.048的線性關系,實物測量輸入Ui與輸出Uo滿足Uo=0.975*Ui-0.03的線性關系，兩者之間誤差較小，結(jié)果較為準確。 （3） 對于微小信號，由于電源的紋波電壓較大，對測量結(jié)果的精度影響較大，誤差也比較明顯。 通過這次電子設計，我們掌握了峰值測量系統(tǒng)的原理及電路設計，同時也明白了峰值檢測系統(tǒng)性能指標測試方法。并且，還熟練地掌握了multisim仿真軟件和keil編程軟件。在實際實驗的過程中，我們遇到了很多難題，面對沒有學過的知識點和比較模糊混淆的概念和原理大家都想盡辦法自行學習掌握。我們還發(fā)現(xiàn)很多理論知識在實踐中可能會有很多偏差，只有自己動手實踐才能得出正確的答案。同時，在這幾天的學習過程中，我們培養(yǎng)了良好的團隊協(xié)作能力和默契，大家齊心協(xié)力，分工合作，高速有效的完成自己的任務。 作為測控專業(yè)的學生我們深刻地感受到了電子設計的魅力，為以后更加深入的學習培養(yǎng)了濃厚的興趣并且打下了堅實的基礎。在這次電子設計中，我們收獲良多，也將更加努力學習知識，豐富自我。 六、參考文獻 [1]劉定良單片機技術與應用中南大學出版社2005年8月 [2]譚浩強 C程序設計（第二版）清華大學出版社2005年1月 [3]路勇 電子電路實驗及仿真 北京：清華大學出版社 2004年 [4]劉潤華 現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計.[M]大慶：石油大學出版社，1998年 [5]魏海明、楊興瑤 實用電子電路500例[M]北京：化學工業(yè)出版社 1996年 附錄1 總電路圖 采樣保持電路 附錄2 源程序 #include"reg51.h" #include"XPT2046.h" //--定義使用的IO--// #define GPIO_DIG P0 sbit LSA=P2^2; sbit LSB=P2^3; sbit LSC=P2^4; //--定義全局變量--// unsigned char codeDIG_CODE[11]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x3e}; //0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、V的顯示碼 unsigned char code DIG[6]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed}; //0.、1.、2.、3.、4.、5.的顯示碼 unsigned char DisplayData[8]; //用來存放要顯示的8位數(shù)的值 void DigDisplay(void); void main(void) { uint temp,count; while(1) { if(count==50) { count=0; // temp = Read_AD_Data(0x94); // AIN0 電位器 // temp = Read_AD_Data(0xD4); // AIN1 熱敏電阻 // temp = Read_AD_Data(0xA4); // AIN2 光敏電阻 temp = Read_AD_Data(0xE4); // AIN3 外部輸入 temp = temp/(3.5*1000/4096); } count++; DisplayData[7]=DIG_CODE[0]; DisplayData[6]=DIG_CODE[0]; DisplayData[5]=DIG_CODE[0]; DisplayData[0]=DIG_CODE[10]; DisplayData[4]=DIG[temp%10000/1000]; DisplayData[3]=DIG_CODE[temp%1000/100]; DisplayData[2]=DIG_CODE[temp%100/10]; DisplayData[1]=DIG_CODE[temp%10/1]; DigDisplay(); } } void DigDisplay(void) { unsigned char i; unsigned int j; for(i=0;i<5;i++) { switch(i) //位選，選擇點亮的數(shù)碼管， { case(0): LSA=0;LSB=0;LSC=0; break; //顯示第0位 case(1): LSA=1;LSB=0;LSC=0; break; //顯示第1位 case(2): LSA=0;LSB=1;LSC=0; break; //顯示第2位 case(3): LSA=1;LSB=1;LSC=0; break; //顯示第3位 case(4): LSA=0;LSB=0;LSC=1; break; //顯示第4位 } GPIO_DIG=DisplayData[i]; //發(fā)送段碼 j=50; //掃描間隔時間設定 while(j--); GPIO_DIG=0x00; //消隱 } } 附錄3 元器件清單 序號 編號 名稱 型號 數(shù)量 1 U1A、U2A 運算放大器 NE5532P 2 2 R1、R2 電阻 9.1K 2 3 R3 電阻 100K 1 4 Function Generator 示波器 1 5 Oscilloscope 信號源 1 6 XT2048 A/D轉(zhuǎn)換器 1 7 STC89C52 單片機 1 8 C1、C2、C3、C5 電容 3.3.uf 4 9 D1、D2 二極管 1N6000B 1