基于运算放大器的峰值检测电路

燕

山

大

学

课程设计

说明书

题目：基于运算放大器的峰值检

测电路设计

学院（系）：电气

工程学院年级专业： 08级检测1学号： 080103020042

学生姓名：井涛

指导教师：温江涛

教师职称：讲师

燕山大学课程设计（论

文）任务书

院（系）：电气工程学院基层教学单位：仪

器科学与工程系

学号080103020042学生姓名井涛专业（班级）08检测1 班设计题目基于运算放大器的峰值检测电路设计

设

计技术参数输入信号是由 10-100Hz 的正弦波和三角波叠加而成。测量电路每隔0.2 秒采集一次输入信号的峰值。

设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：完成电路的m ultisim 仿真；

工作量1：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数及仿真结果）；2：提交一份电路原理图；

工

作计划周一，查阅资料；

周二到周四，理论设计及计算机仿真；周五，撰写设计说明书；

参考资料1：基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计；2：模拟电子技术；

3：数字电子技术；

4：电路理论

指导教师签字基层教学单位主任签字

说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

2011年 6 月 25 日

燕山大学课程设计评审意见表指导教师评语：

成绩：

指导教师：

年月日答辩小组评语：

成绩：

组长：

年月日课程设计总成绩：

答辩小组成员签字：

年月日

3

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)

4

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，Peak Detector）的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输

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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

输入信号

电压跟随

单向充电开关 电压存储器

脉冲采样开关信号

输出信号

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v o 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

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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B JT 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

8

9

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 B JT 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

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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

char number1;

void main()

{

TMOD=0X01;

ET0=1;

EA=1;

TR0=1;

TH0=(65536-10000)/256;

TL0=(65536-10000)%256;

number1=0;

P2=0X00;

while(1)

{

switch(number1)

{

case 9: P2=0X01;

break;

case 19: P2=0x02;

break;

default : P2=0x00;

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}

}

}

void intt0(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。

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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%；

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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%；

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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%；

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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%；

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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，占空比为7%；

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此时可以看出，由于BJT2N2923的导通压降，正向峰值检测电路放电时，电容的电压会保持在0.9V左右，此后再进入跟踪和保持模式，由于信号电压低于0.9V，输出电压不能跟随信号的峰值。

而对于反向峰值检测电路，由于电容上保持的电压是负值，在放电时由于BJT的导通电压，电容放电完全后，输出电压还会继续增加，即出现一个正的尖峰脉冲，持续时间很短，幅度大概为0.1V左右，对峰值检测影响不大，这个误差会在后面改进。因此反向峰值检测电路中不会出现类似正向电路那样的情况，对小信号的峰值也可以有很好的检测效果。

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对于正向峰值不能保持的问题，我们采取如下手段进行改进，即将两个三极管控制开关的接地点改为接-1V的电平，这样就放电时输出电压最低值可以达到0.01V左右，可以充分完成对于微小信号的峰值检测，两个波形图如下。

2）信号1：频率为88Hz，幅度为0.3V的正弦波；

信号2：频率为50Hz，占空比为50%，幅度为0.1V的三角波；

采样周期为0.2s，占空比为7%；

3）信号1：频率为30Hz，幅度为0.3V的正弦波；

信号2：频率为20Hz，占空比为10%，幅度为0.1V的三角波；

采样周期为0.2s，占空比为7%；

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第五章、误差分析

5.1 复位误差

电路工作在复位模式时，输出的电压值应该接近0V,这样对于较小的输入信号就可以很好的检测出其峰值。但是由于BJT的导通压降，复位模式下输出电压值距离0V较大，这就是复位误差。

5.1.1 正向复位误差

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