峰值检波器电路的设计

峰值检波器电路的设计

第一章绪论

检波器，是检出波动信号中某种有用信息的装置。用于识别波、振荡或信号存在或变化的器件。检波器通常用来提取所携带的信息。检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号）。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。

从调幅波中恢复调制信号的电路，也可称为幅度解调器。与调制器一样，检波器必须使用非线性元件，因而通常含有二极管或非线性放大器。

检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号）。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。

1.1检波器的构成

1.2.1包络检波器电路

图1是典型的包络检波电路。由中频或高频放大器来的标准调幅信号ua(t)加在L1C1回路两端。经检波后在负载RLC上产生随ua(t)的包络而变化的电压u(t)，其波形如图2所示。这种检波器的输出u(t)与输入信号ua(t)的峰值成正比,所以又称峰值检波器。

1.2.2包络检波器波形

包络检波器的工作原理可用图2的波形来说明。在t1

电,u(t)增大;在t2

图3 同步检波器框图

图3为同步检波器的框图。模拟相乘器的一个输入为一单频调制的单边带调幅信号，即us(t)＝Umcos(ωct＋Ωmt),其中ωc为载波信号角频率,Ωm为调制信号角频率；另一输入是本机产生的相干信号，即uc(t)＝Uccos ωct,则乘法器的输出电压u0(t)与uS(t)和uc(t)的乘积成正比，即：u0(t)=Kus(t)*uc(t)，式中K为一比例常数。u0(t)中包括两项，一项为高频项(2ωc+Ωm),另一项为低频项(Ωm)。通过低通滤波器后将高频项滤除，即得到与调制波成对应关系的输出。uc(t) 通常可用本地振荡器或锁相环产生。同步检波器的抗干扰性能比包络检波器优越，但是它的电路比较复杂。

1.3检波器的工作原理

第二章系统设计方案

2.1工作原理

峰值检波器工作原理：峰值检波器，它是一个能记忆信号峰值的电路，其输出电压的大小，一直追随输入信号的峰值，而且保持在输入信号的最大峰值。

图4峰值检波器电路

当V1〉V。时：

信号由（+）端加入，OPA的输出Va为正电压，二级管D导通，于是输出电流经D对电容C充电一直充至与Vi相等之电压。

（当D导电时此电路作用如同—电压跟随器）

当V1〈V。时：

OPA的输出Va为逆向偏压，相当于开路，于是电容C既不充电也不放电，维持于输入之最大值电压

图5为输出与输入的充放电情形，其中输出波形V。，一直保持在输入波形Vi的最大峰值。

图5 电容C输入输出的充放电

2.2电路图

第三章元器件介绍

3.1电路所需元器件

元件名称元件个数功能

LF398 1 采样保持芯片

LM311 1 电压比较器

电阻24K 1

电阻15K 1

电阻30K 1

电阻5.1K 1

1K可调电阻 1

3V稳压二极管 1

0.1uf钽电容 1

8 DIP插座 2 双列直插插座

两芯插座 1

三芯插座 1

面板 1

导线、焊锡丝若干

3.2 LF398采样／保持器

采样保持电路实质上是一种模拟信号存储器，它在数字指令控制下，使开关通断，对输入信号瞬时值进行采样并寄存，通常用两个运算放大器构成高输入阻抗的采样/保持电路，如图6所示：

图6

放大器A1是射随器。它对模拟信号提供了高输入阻抗，并提供了一个低的输出阻抗，使存储电容CH能快速充电和放电，放大器A2在存储电容和输出端之间起缓冲作用。开关K1在指令控制下通断，对电容CH充电或放电，开关S1通常使用FET开关或MOSFET开关，存储电容CH一般取0.01~0.1μF。

采样/保持电路经常使用集成电路LF398，该器件的工作原理和使用方法说明如下：

LF398具有采样和保持功能，它是一种模拟信号存储器，在逻辑指令控制下，对输入的模拟量进行采样和寄存。图7是该器件的引脚图。各引脚端的功能如下：

①和④端分别为VCC和VEE电源端。电源电压范围为±5V～±15V。

②端为失调调零端。当输入Vi=0，且在逻辑输入为1采样使，可调节②端使V o=0。

③端为模拟量输入端。

⑤端为输出端。

⑥端为接采样保持电容CH端。

⑦端为逻辑基准端（接地）。

⑧端为逻辑输入控制端。该端电平为

“1”时采样，为“0”时保持。

图7

LF398内部电路原理图如图8所示。

当8端为“1”时，使LF398内部开关闭合，此时A1和A2构成1：1的电压跟随器，所以，V o = Vi，并使迅速充电到Vi，电压跟随器A2输出的电压等于CH上的电压。

当8端为“0”时，LF398内部开关断开，输出电压V o 值为控制端8由“1”跳到“0”时CH 上保持的电压，以实现保持目的。端8的逻辑输入再次为“1”、再次采样时，输出电压跟随变化。

采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；低电平，保持。输入的正弦波信号经LF398后变为抽样信号。电路如图9所示：

图9

3.2.1 LF398芯片介绍

LF398是一种高性能单片采样/保持器。它具有很高的直流精度、很快的采样时间和低的下降速度。器件的动态性能和保持性能可通过合适的外接保持电容

图8 LF398电路原理图

R124k

C1

0.01uf

D2

D1

R2

1k

+12V

-12V +5V

-5V

1

23

4

5

6

78

A

LF398

ui U o

P2.5

达到最佳。例如选择1000PF 的保持电容，具有6us 的采样时间，可达到12bit 的精度。LF398的价格低廉。电源电压可从±5～±18V 任意选择，其性能几乎无影响。采样/保持的逻辑控制可与TTL 或CMOS 电平接口。它可广泛地应用于高速A/D 转换系统、数据采集系统和要求同步采样的领域。该器件外形采用8脚DIP 封装结构。

性能特点：A.具有12bit 吞吐精度；B.采样时间：小于10us;C.宽带噪声：小于20uV;D.可靠的整体结构；E.输入阻抗：大于1010Ω；F.TTL 和CMOS 逻辑接口。

主要参数：

输入偏流：小于50nA;b.增益：1；c.输入失调：小于±7mV;d.输出阻抗：小于0.5Ω；e.电源电压:±5～±18V;f.电源电流：±4.5～±6.5mA 。

内部结构说明：

图10 LF398内部电路结构

LF398内部电路结构如图10，N1是输入缓冲放大器，N2是高输入阻抗射极输出器。逻辑控制采样/保持开关：当开关S 接通时，开始采样，当开关断开时，进行保持。

3.2.2基本接法与应用

下图是LF398的基本连接图。失调电压的调整是通过与V ＋的分压并调整1K Ω电位器实现的。保持电容CH 应选用300～1000PF 的高性能低漏电云母电容器。控制逻辑在高电平时为采样，在低电平时为保持。本设计采用此种连接方法。电路如图11所示：

N2+

_

_+

N1

C1

S

30K

150

56OUT

HOC

2

OFAD Vi 3

8

7

MREF MCTR LF398

图11

3.3 LM311

3.3.1 引脚图

图12

3.3.2 引脚功能

GROUND/GND：接地。

INPUT +：正向输入端。

INPUT -：反向输入端。

OUTPUT：输出端。

BALANCE：平衡。

BALANCE/STROBE：平衡/选通。

V+：电源正。

V-：电源负。

3.4 稳压二极管

稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡~稳压二极管工作于反向击穿区，由于

它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。

3.4.1 稳压管的伏安特性

图13

稳压二极管(又叫齐纳二极管)它的电路符号是：此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很少的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。其伏安特性见图13所示，稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。

3.4.2 稳压管的应用

1.浪涌保护电路(如图14)：稳压管在准确的电压下击穿，这就使得它可作为限制或保护之元件来使用,因为各种电压的稳压二极管都可以得到，故对于这种应用特别适宜。图中的稳压二极管D是作为过压保护器件。只要电源电压VS超过二极管的稳压值D就导通，使继电器J吸合负载RL就与电源分开。

图14

2、电视机里的过压保护电路(如图15)：EC是电视机主供电压，当EC电压过高时，D导通，三极管BG导通，其集电极电位将由原来的高电平(5V)变为低电平，通过待机控制线的控制使电视机进入待机保护状态。

图15

3、电弧抑制电路如图16所示，电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管(也可接入一只普通二极管原理一样)的话，当线圈在导通状态切断时，由于其电磁能释放所产生的高压就被二极管所吸收，所以当开关断开时，开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多，如一些较大功率的电磁吸控制电路就用到它。

图16

4、串联型稳压电路(如图17)：在此电路中，串联稳压管BG的基极被稳压

二极管D钳定在13V，那么其发射极就输出恒定的12V电压了。这个电路在很多场合下都有应用。

图17

3.4.3 稳压二极管的参数

1.Vz—稳定电压。指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度的不同而略有改变。由于制造工艺的差别，同一型号稳压管的稳压值也不完全一致。例如，2CW51型稳压管的Vzmin为3.0V, Vzmax则为3.6V。

2.Iz—稳定电流。指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值。低于此值时，稳压管虽并非不能稳压，但稳压效果会变差;高于此值时，只要不超过额定功率损耗，也是允许的，而且稳压性能会好一些，但要多消耗电能。

3.Rz—动态电阻。指稳压管两端电压变化与电流变化的比值。该比值随工作电流的不同而改变，一般是工作电流愈大，动态电阻则愈小。例如，2CW7C稳压管的工作电流为5mA 时，Rz为18Ω;工作电流为1OmA时，Rz为8Ω;为20mA时，Rz为2Ω; 20mA 则基本维持此数值。

4.Pz—额定功耗。由芯片允许温升决定，其数值为稳定电压Vz和允许最大电流Izm的乘积。例如2CW51稳压管的Vz为3V，Izm为

20mA，则该管的Pz为60mWo 5.Ctv—电压温度系数。是说明稳定电压值受温度影响的参数。例如2CW58稳压管的Ctv是+0.07%/°C，即温度每升高1°C，其稳压值将升高0.07%。 6.IR—反向漏电流。指稳压二极管在规定的反向电压下产生的漏电流。例如2CW58稳压管的VR=1V时，IR=O.1uA;在VR=6V时，IR=10uA。

第四章 峰值检波器的测试及性能指标

4.1峰值测量精度

4.1.1测量直流信号

分别输入0.5V 、1V 、2V 、5V 的直流电压，测量输出电压，并计算误差。 表1 直流信号测量表：

4.1.2测量交流信号

分别输入50KHZ 有效值为1V 、2V 、4V 、5V 的正弦波，测量输出电压，并计算误差。

表2 交流信号测量表

输入信号电压

i

u （V ）

输入信号峰值

1

p u （V ）

检测信号峰值

2

p u

（V ）

相对误差

%

100*1

1

2p p p u u u

1 1.44 1.4 -2.8%

2 2.84 2.7 -4.9% 4

5.62

5.4

-3.9%

输入信号电压u i

（V ）

检测信号峰值u 0

（V ）

相对误差

0.5 0.5 0 1 1 0

2 1.9 -5%

5

4.7

-6%

5 7 6.8 -2.9%

表3 交直流信号测量表

4.1.3测量具有直流分量的交流信号

输入50KHZ、幅度为2V的正弦波，直流分量分别为-1V、0.5V、1V、2V，测量输出电压，并计算误差。

输入信号直流分量

（V）输入信号峰值1p

u

（V）

检测信号峰值2p

u

（V）

相对误差

%

100

*

1

1

2

p

p

p

u

u

u

-1 1 0.9 -10%

0.5 2.5 2.4 -4%

1 3 2.7 -10%

2 4 3.8 -5%

4.2 频率响应

输入有效值为2V的正弦波，当频率分别为20HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1KHZ、2KHZ、5KHZ、10KHZ、50KHZ、100KHZ时，测量输出电压，并画出频率响应图

频率20HZ 100HZ 200HZ 500HZ 1KHZ 2KHZ 5KHZ 10KHZ 50KHZ 100KHZ 输出电压（V） 2.3 2.2 2.1 2.1 2.0 2.0 2.1 2.1 2.0 1.9

图18 频率响应图

第五章系统分析

5.1 系统的测量范围

频率测量范围即有效频率范围，是指能保证仪器其他指标正常工作的输入信号或输出信号的频率范围。常规的单片机测频系统频率测量范围小于500kHz。

5.2 系统的测量精度

测量都是对“真实”值的大致估计，也就是说测量的数值总是和“真实”值有一定的误差，那么这样一个误差的大小就是通常所说的测量精度，它反映了测量仪器系统所能真实还原测量信号值的能力。测量误差的来源是多方面的，对于测量设备而言，除了ADC本身的各种误差因素外，前端的信号调理和整个板卡的布局都会影响到总的测量精度；此外，测量精度还受到众多外部因素的影响，如环境的噪声、工作温度等。因此，在评测一个仪器系统的测量精度时，除了ADC的位数，还应该考虑设备的绝对精度值（多种误差因素的综合值），以及系统工作在真实环境中遇到的温度、噪声及其他外部因素的影响。

5.3 误差来源

系统误差定义：在规定测量条件下，对同一量进行多次测量时，如果测量误差能够保持恒定或按照某种规律变化，则这种误差成为系统误差或确定性误差，简称为系差。如电表零点不准，温度、湿度、电源电压变化等引起的误差、，测量误差分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。产生误差的原因有很多，例如仪器误差、使用误差、人身误差、环境误差、方法误差等。

5.4 系统调试注意事项

(1) 示波管

示波管是示波器的主件，是一个呈喇叭形抽成真空的玻璃泡

有电子枪和二对互相垂直的偏转板，喇叭口的球面内壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。

（2）频率设置

①按电压/频率/相位切换按钮切换显示器为频率显示（KHz指示灯亮）。

②按设置按钮，进入频率设置状态，此时频率显示最高位开始闪烁。

③按位选择按钮，改变闪烁位到所需步长。

④按调节按钮，改变频率，如果闪烁在100.000KHz位，则频率增加或减少，其余类推。

⑤再次按设置按钮，退出频率设置状态。

电子枪由灯丝f 、阴极k 、栅极G以及一组阳极A所组成。灯丝通过炽热，使阴极发热而发射电子。由于阳极电位高于阴极，所以电子被阳极加速，当高速电子撞击在荧光屏的壁上会使荧光物质发光，在屏上就能看到一个亮点．改变阳极电位，可以使不同发射方向的电子恰好会聚在荧光屏的某一点上，这种调节称为聚焦。栅极的电位较阴极k为低，改变栅极电位的高低，可以控制电子枪发射电子数的多少，使荧光屏上的亮点发生明暗变化，这种调节称为辉度调节。

两对偏转板的作用是用来控制亮点在荧光屏上的位置的，Y轴偏转板加上信号电压可以控制电子束的纵向偏转，X轴偏转板加上电压可控制电子束的横向偏转。在一定范围内，光点偏离荧光屏中心的距离与偏转板上所加电压的大小成正比。

（3）电压设置

①按电压/频率/相位切换按钮切换显示器为电压显示（V指示灯亮）。

②按设置按钮，进入电压设置状态，此时电压显示最高位开始闪烁。

③按位选择按钮，改变闪烁位到所需步长。

④按调节按钮，修改电压。

⑤再次按设置按钮，退出电压设置状态。

设置/显示的电压为波形峰值电压，调节范围为0.02V～5.00V，电压精度优

于10％。

注意：输出波形为正弦波时，显示为有效电压．修改步长为最前面各步长的0. 707倍。此外还要注意的有

1．接入电源前，要检查电源电压和仪器规定的使用电压是否相符。

2．各旋钮转动时切忌用力过猛。

3．为了保护荧光屏不被灼伤，使用时，亮度不能太强，而且也不能让光点长时间停在荧光屏的一点上。

4．示波器应聚焦良好。

5.5 系统设计存在的不足

首先，在电路板布局中，有可能存着设计的不足，它的整体搭接会影响最终的效果；其次，元器件的功能不足，如此次的电容没有达到理想中的要求；最后，在调试过程中，同学们对电子仪器的不熟悉，会导致使用不完善。

第六章实验总结

这次的课程设计题目是《峰值检波器电路的设计》，以往我们焊电路板时，电路板上的布线都是现成的，而这次老师发给我们的板子是万能板，需要自己布线，开始老师要我们先打好草稿，之后才能更好的焊接。我们都只是稍微布置了一下，便开始焊接了。元器件的测量以及焊接现在对我们来说已经不是什么大问题了。

待元器件都焊好后，就是布线了。为了省事，刚开始时，我们都是直接用导线将两端口直接“架桥”似的焊在一起。慢慢的随着“桥”的增多，眼也开始花了，不久老师发现我们焊的这些“桥”都不由得汗颜了一把，后来找来了别班的一个板子，呃，焊的真好看，又清楚。看完后有些人回去改好，有些不能改的也就这样了，我看我的板子再对照那个好看的板子，简直惨不忍睹啊，所以回去重新焊一个去，此时才懂得老师要我们好好打草稿的原因，首先在草稿上将电路图画出（不能有交叉的线），然后再焊，这样思路清晰，不容易出错，虽然花的时间稍微多了点，但质量有保障又美观。电路板焊好之后就要检查其好坏，再进行修改然后测量相关数据。

课程设计，是以学生自己动手动脑，亲手设计，制作，组装与调试为特色的。它培养我们的实践能力和创新精神。实验过程中遇到问题，和同学相互讨论，明白了团队合作的重要性。通过这次的课程设计，我了解到要完成一个课程设计的过程大致是这样的：知道它的原理，然后制定设计方案，绘画出原理图。具体的也要了解每个器件，它的作用和原理等。再对电路有了分析的基础上测量和进