张业敏峰值检测系统的设计

沈阳航空工业学院 课 程 设 计

(说明书)

峰值检测系统的设计

班级 / 学号 7402101-010 学 生 姓 名 张 业 敏 指 导 教 师 于 春 和 沈阳航空工业学院 课 程 设 计 任 务 书

课 程 名 称 模拟电子线路课程设计 院（系） 电子信息工程学院 专业 电子信息工程 班级 7402101 学号 200704021010 姓名 张业敏 课程设计题目 峰值检测系统的设计 课程设计时间: 2009 年 06 月 29 日 至 2009 年 07 月 05 日 课程设计的内容及要求：

一、设计说明 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，准确测量峰值对有关课题的研究是有非常重要意义的，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。其框图如图1所示：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)、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。 图1 峰值检测系统示例方案原理框图 二、技术指标 1. 用传感器和检测电路测量某物体最大的承受力，传感器输出信号为0～5mV，1mV等效于400kg；2. 要求放大器输入阻抗Ri>1MΩ；3. 峰值电压保持稳定。 三、设计要求 1.在选择器件时，应考虑成本；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。 四、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；2．进行实验数据处理和分析。 五、推荐参考资料 1. 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. 六、按照要求撰写课程设计报告 指导教师 年 月 日 负责教师 年 月 日 学生签字 年 月 日 成绩评定表 评语、建议或需要说明的问题：

指导教师签字： 日期： 成 绩

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 一、 方案设计 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：

图1 峰值检测系统方案原理框图 二、 电路设计 （一）放大电路选用电压增益Au=400的放大电路就能完成系统对小信号放大的要求。 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，如图2所示。三个运算放大器分别用U1，U2，U3表示。该电路U1和U2的失调电压的量值和方向相同，可以相互抵消，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。

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2 高精度数据放大器 说明：此电路中放大器要完成400倍的放大任务，分配第一级的电压增益1uA

为5，分配第二级的电压增益2uA为80，能够达到放大要求。 （二）采样/保持及控制电路 电容的作用是对采样后的模拟信号进行存储。同时也要用万用表显示结果。万用表与电容之间设置一个电压跟随器，保证输出电压跟踪跟电容两端的变化而变化，以隔离对输出信号的影响。 该电路可以采用比较电路，电路如图3所示： 图3 采样/保持放大电路 比较电路对采样保持的输入电压与输出电压进行比较，由比较的结果控制是采样还是保持，当输入电压大于输出电压时，控制电路进行采样，否则，控制电路保持。当采样时，当比较器的输入电压U1>U2时，输出电压为高电平，开关导通，对电容C1充电，C1两端电压跟踪输入电压变化，输出电压也跟踪输入电压变化，实现采样功能。保持时，当U1关断开，电容C1两端电压保持在开关瞬时的输入电压值。其中，模拟开关具有控制速度快、抖动极小、低驱动需求、体积小、工作可靠等很多优点， 可广泛应用于电子电路的通断控制、多路切换控制等领域。 （三）电路工作整体原理图如下： 图4 峰值检测系统整体电路图 说明：首先让信号源输入1mv交流信号，通过电压增益为400的放大电路后，得到400mV的输出信号。将输出信号接入采样/保持控制电路，该部分原理参考上页，得到直流的输出信号，从而实现峰值的采样。 三、参数计算，元器件选择。 （1）参数计算 放大电路：设输入电压iU=5mv，输出电压oU=2v。根据公式oU/iU=-3R/2R (1+21R/7R)，将oU和iU代入公式中得，oU/iU=2/(5×310)=-3R/2R (1+21R/7R)，即400=-3R/3R (1+21R/7R)。 放大器完成400倍的放大任务，分配第一级的电压增益为1+(1R+5R)/7R=5，其中1R=5R,分配第二级电压增益为400/5=80所以5R/4R=80，则电阻值分别为

1R=5R=4kohm，2R=7R=3kohm，3R=6R=240kohm，4R=2kohm。

（2）器件选择

1R-7R均选择1/8w金属膜电阻，其标称值如上，三个运算放大器均选用

3288RT型放大器。 采样/保持控制电路中也选择3288RT型运算放大器，比较器选用理想放大器。电容参数设为40uf。开关选用MC4016BD型模拟开关。 四、 电路测试 1、测试放大电路的放大功能，输入1mv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，其中放大器的电压增益为400，观察波形和峰峰值验证放大电路是否正确。仿真图如图5所示。其中，B端为输入端，A端为输出端。

图 5 放大电路输入输出波形仿真图 2、对于采样/保持控制电路的结果测试，选用示波器，并将放大后的输入信号与电容中保持的信号一同接入，观测波形，分两种情况来验证采样/保持控制电路是否正确。 （1）当输入为1mv时，电路采样并保持放大后的峰值400mv，当输入为3mv时，电路采样并保持放大后的峰值1.2v，当输入为4mv时，电路采样并保持放大后的峰值1.6v。其中A为输入端，B为输出端。 图6 输出信号的波形 （2）在输入3mv信号的基础上，改变输入信号为5mv，电路采样并保持输出峰值2V。然后减小输入信号为1mv，采样/保持电路仍保持波峰2v不变，说明电路能够检测峰值并保持稳定。波形如图7所示

图7 输出信号的波形 五、 结论、性价比

通过本次课程设计，我学到了许多。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multisim2001软件的使用，这些收获都是在理论课上所不能学到的，相信对以后的工作会有很大帮助！ 性价比：本次设计所使用的的主要器件是OPAMP_5T_VIRTUAL型放大器，它具有很高的输入共模电压和输入差模电压范围，具有失调电压调整能力和短路保护能力，功率较低，电源电压适应范围较宽等特点，最重要是价格合理，所以选用该放大器器件比较合适。 实验结论: 通过测试，我所设计的峰值检测系统能够检测信号的峰值并保持稳定。

参考文献 [1]．张福学编著.传感器应用及其电路精选.[M]北京：电子工业出版社，1992年 [2]．华成英 童诗白主编．模拟电子技术基础．[M]高等教育出版社，2006年 [3]．刘润华等编著.现代电子系统设计.[ M]大庆：石油大学出版社，1998年 [4]．黄智伟编著．全国大学生电子设计竞赛电路设计．[ M]北京：北京航空航天大学出版社，2006年 [5]．魏海明 杨兴瑶编．实用电子电路500例．[ M]北京：化学工业出版社，1996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 1 U1、U2、U3、U4、U5 运算放大器 3288RT 6

2 1C 电容 40uF 1 3 1R、5R 电阻 4kΩ 2 4 2R、7R 电阻 3kΩ 2 5 3R、6R 电阻 240kΩ 2 6 4R 电阻 2kΩ 1 7 Function Generator 示波器 2 8 Oscilloscope 信号源 1 9 Multimeter 万用表 1 10 ANALOG_SWITCH_VIRTUAL 模拟开关 MC4016BD 1