峰值检测系统的设计.doc

一、概述
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。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。

二、方案论证
系统可采用如图1所示框图结构：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。
原理框图如图1所示。

图1 峰值检测系统方案原理框图

三、电路设计
1.传感器电路
传感器电路把被测信号转换为电压信号，本文不予考虑。
2.放大器电路
由传感器传递的电压信号为0～5mV，数字表头的示数范围为0000~1999，可得放大电路的放大倍数为400倍，即Au=400。而根据技术要求，放大器输入阻抗Ri>1MΩ；频带宽度为0Hz～1kHz；共模抑制比KCMRR>70dB，并考虑到传感器的微弱信号能够有效放大，故宜采取放大精度较高的高精度数字放大电路。 如图2所示，采用三个3288RT运算放大器，两端加载20V电压。由于Au=400,可分配第一级放大器放大倍数为5，即1+（R2+R3）/R1=5，取R1=1kΩ，R2=2kΩ，R3=3kΩ；可分配第二级放大器放大倍数为80，即R6/R4=80，取R4=R5=2kΩ，R6=R7=160kΩ。电路图如图2所示。

图2 高精度数字放大电路
3.采样/保持及控制电路
采样/保持及控制电路的设计核心是通过使用一个电压比较器比较输入电压和保持电路已保持的电压。当输入电压大于保持电压时，电压比较器输出高电平控制模拟开关打开，输入电压被采样保持；反之，电压比较器输出低电平控制模拟开关关闭，不采样/保持输入电压。电压比较器采用LM324电压比较器，开关应具有控制速度快、抖动极小、低驱动需求、体积小、工作可靠等很多优点，可采用MC74HC4066D。保持部分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。电路图如图3所示。

图3 采样/保持及控制电路
4.数字显示表头电路
该电路由A/D转换和译码显示电路组成，该电路可采用三位半数字电压表，元件选择如下：三位半A/D转换器MC14433，七路达林顿驱动器MC1413，BCD到七段锁存-译码-驱动器CD4511、基准电源MC1403和四个共阴极数码管。欲完成模数转换，则需要A/D转换的芯片，本课程设计所用的A/D转换芯片是MC14433, MC14433是专为驱动LED显示器而设计的三位半双积分式A/D转换器。它能直接驱动共阳极LED显示器，不需另加驱动电路和限流电路，使整机电路简化，显示清晰，亮度高，便于夜间观察。显示器采用七段共阳极数码管。当模拟信号从模拟信号输入端输入时，经过A/D转换电路后即可将模拟信号转换为数字信号并输出。
5.数字锁存控制电路
数字锁存控制电路时保证A/D转换的峰值数字被锁存在三位半A/D的输出锁存器里，且当被测信号不在量程内时，超量程或欠量程信号将控制小于峰值的数字量不能锁存。为完成峰值锁存必须掌握MC14433两个管脚的功能，其中一个管脚是数字显示更新输入控制端DU，另一个管脚是转换周期结束标志输出端EOC。DU功能为：当DU为高电平时，A/D转换结果被送入输出锁存器内；当DU为低电平时，A/D转换器仍输出锁存器中原来的结果。EOC的功能是：每一个A/D转换周期结束时，EOC端输出一个正脉冲。通常电路利用EOC端的输出控制DU，则每次A/D转换结果都被输出，而峰值检测电路只允许峰值结果输出，小于峰值不输出。所以电路必须设置在峰值时，EOC的输出才能控制DU。考虑三位半A/D转换器转换周期为1/3s，当峰值信号来到时，应允许EOC的输出在1/3s内控制DU端。由于采样/保持电路能在A/D转换周期内保持峰值的模拟量，所以在A/D转换周期间峰值数据不会受影响。

四、性能的测试
1.高精度数字放大电路的测试
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4所示。其中，A端为输入端，B端为输出端。

图4 放大前后波形对比
2. 采样/保持控制电路测试
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，分三种情况来验证采样/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。仿真图如图5所示。

图5 采样/保持波形
（2）当输入从1mV增加到4mV时，路采样并保持放大后的峰值1.6V。如图6所示。

图6 输入增大后采样/保持波形
（3）在4mV的基础上，将输入电压减至1mV，采样/保持电路仍保持波峰1.6V不变，说明电路能够检测峰值并保持稳定。如图7所示。

图7 输入减小后采样/保持波形

五、结论
通过测试表明，该设计方案放大精度高，输入阻抗大，频带宽，共模抑制比高；同时能够正常地实现对峰值信号采样和保持，符合设计的基本要求和现实需要。

六、性价比
本设计方案采用3288RT运算放大器构成放大电路，具有很高而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，最重要价格合理。用电压比较器LM324、控制开关MC74HC4066D及电容、电压追踪器构成采样/保持控制电路，设计简单，所需元件较少，而功能完善，所以性价比较高。总而言之，该电路设计思路简单，电路图可读性好，所用的器件在市场上容易找到而且性价比较高，价格比较便宜，制作简单，很适合将其投入市场。

七、课设体会及合理化建议
通过这次课程设计，梳理了所学过的模电和数电知识，熟悉了仿真软件Multisim11.0的使用，对电路的设计产生了兴趣。当然，也发现了自己诸多的不足。刚开始做这个课程设计的时候我对题目不是很了解，通过老师讲解之后使我对题目有了详细的了解。在实际设计过程中，遇到了许多的问题，但是通过向老师和同学请教之后便一一解决了。这次课设让我深刻的了解到Multisim这一仿真软件的功能全面和意义重大，使我们在学习中把理论和实践相结合的重要工具，也让我们自己设计验证电路成为了可能。
建议：（1）减少不能仿真的部分。（2）增加电路设计方面教学导向。

参考文献
[1] 阎石主编. 数字电子技术. [M]北京：高等教育出版社，2006年
[2] 童诗白等编著. 模拟电子技术基础. [M]北京：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] 孙余凯等编著.精选实用电子电路260例. [M]北京：电子工业出版社，2007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
集成运放
3288RT
5
2
R1
电阻
1kΩ
1
3
R2、R3
电阻
2kΩ
2
4
R4、R5
电阻
2kΩ
2
5
R6、R7
电阻
160kΩ
2
6
C1
电容
10uF
1
7
U6
电压比较器
LM324
1
8
U7
模拟开关
MC74HC4066D
1
9
XFG1
函数信号发生器

1
10
XSC1、XSC2、XSC3
示波器

3
11
XMM1
万用表

1

9