信号峰值检测仪课程设计报告.docx
《信号峰值检测仪课程设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《信号峰值检测仪课程设计报告.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
信号峰值检测仪课程设计报告
东北石油大学
课程设计
课程电子线路综合课程设计
题目信号峰值检测仪
院系电子科学学院
专业班级电子15-2班
学生姓名宋忠民
学生学号150********7
指导教师韩连福
2017年7月10日
3.2待测电信号放大电路模块的设计………………………………...6
3.3信号峰值检测电路模块的设计…………………………………...8
3.4NE555芯片25khz时钟信号产生电路模块的设计………………9
第1章概述
1.1引言
峰值检测是电子测量自动化仪表以及其它相关技术领域常会遇到的问题。
峰值反映了信号极为重要的方面，尤其是小信号。
设计完善的峰值检测系统，不仅可以用于对微弱信号进行检测，还可以通过传感器对其他非电信号如微弱的机械振动实现自动检测和控制，从而构成完整的检测系统，因此峰值检测具有广泛的使用价值。
峰值检测通过对输入信号的峰值进行提取，产生输出，从而实现对信号的监控，保证系统中其他结构工作的稳定性，避免了过大输入对系统造成的损伤，延长了设备的使用寿命。
峰值检测是电子测量、自动化仪表以及其它相关技术领域常会遇到的问题。
峰值反映了信号极为重要的方面。
尤其是小信号。
设计完善的峰值检测系统，不仅可以用于对微弱信号进行检测，还可以通过传感器对其它非电信号如微弱的机械振动实现自动检测和控制，从而构成完整的测控系统，因此峰值检测具有广泛的实用价值。
峰值检测技术是数字存储示波器及数据采集卡中的重要技术之一，用来实现波形的峰值捕捉。
在科研、生产的许多领域都需要用到峰值检测设备，比如检测某建筑物中梁的最大承受力，检测一根钢丝绳的最大允许拉力等，这就需要用到相应的检测设备。
目前常用的方法是先求得检测信号的平均值，但使用平均值掩盖了被检测信号的突然脉冲，从而可能引起系统的失灵及不稳定。
若用由二极管和电阻电容构成的普通峰值检波电路来检波，效果会很差，主要表现在两个方面：
第一，若选择RC电路时间常数大一些，则输出信号的波形会好一些。
但检波输出之后的信号幅值和检波之前的信号幅值有明显的差距,输出信号幅值明显降低，峰值检波效率变差,同时,信号快变部分的丢失变得严重。
第二，若选择RC电路时间常数小一些。
则会发现检波前后的信号幅值的差异变小。
信号之中的快变分量明显变好，但输出信号的波形明显变差。
不利于对信号的A/D变换。
峰值检测电路是将某一段时间内信号的最值反映出来，遇到信号峰值就跟着，若没有更大的就保持，其工作状态主要包括跟踪、保持和复位，可以广泛应用于信号采集和处理、仪器仪表、自动控制等众多领域。
如用来实现波形的毛刺捕捉、冲刺信号峰值检测等。
因此峰值检测器有广泛的市场应用，且随着电子产业和信息产业的不断发展，对信号的采集处理方面的要求愈加突出，它将发挥愈来愈大的作用。
第2章总体设计方案
2.1系统设计方案
1.基本原理分析
峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路。
最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路，如下图2-1。
交流电源在正半周的一段时间内，通过二极管对电容充电，使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。
只要RC够大，可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。
交流电源在正半周的一段时间内，通过二极管对电容充电，使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。
这种简单电路的工作过程是，在交流电压的每一周期中，可分为电容充电和放电两个过程。
在交流电压的作用下，在正半周的峰值附近一段时间内，通过二极管对电容C充电，而在其它时段电容C上的电压将对电阻R放电。
图2-1简单峰值检测电路
基于该简单的峰值检测器，如采用集成电路对其功能实现，性能进行优化，则更具有实用性。
峰值检测器之原理可概括为：
当输入信号为峰值更大值时，电容刷新进行充电，相关原件记录新的峰值，如若未有新峰值，相关元件则进行保持功能。
2.设计思路
本课设的关键任务是检测出峰值并使之保持稳定和数字显示。
将输入量的峰值检测出来并保持，在通过数据锁存控制电路所存峰值的数字量。
通过A/D数模转换，将模拟量转换为数字量，然后需要将数字量显示在数码管上。
该方案由待测电信号放大电路、信号峰值检测电路、NE555芯片25KHZ时钟信号产生电路、模数转换电路、锁存器锁存数字信号连接数码管显示电路五部分组成。
2.2系统设计框图
图2-2信号峰值检测系统框图
第3章单元电路的设计
3.1总电路的设计
将待测信号源经LM358构成的运算放大电路放大输出后，接一单刀双掷开关，开关一端接ADC16模数转换芯片转化为16位二进制数字信号，开关另一端接峰值信号检测电路并且输出信号峰值再接入ADC16模数转换芯片转换成16位数字信号，拨动开关可选择测量实时信号和峰值信号，NE555构成的多协振荡器输出25KHZ方波为ADC16提供时钟信号以保证ADC16能正常工作输出相应的数字信号，由于模数转换的过程是需要一定时间的，转换过程中会出现乱码所以在16输出端接入两个74LS273锁存器当ADC16转换完成后ADC16的SOC引脚会输出低电平再接入7406非门就会产生一个上升沿驱动74LS273锁存并输出转换完成的16位数字量，最后将16位数据通过16跟数据线接在4个16进制数码管上显示出相应的值，完成信号实时检测和峰值检测。
仿真电路有改进的地方也有不完善的地方，仿真电路用到了16位模数转换芯片其分辨率高达0.15MV，采用了运放电路将待测信号放大5倍后进行测量也提高了测量的精度，再有就是单刀双掷开关的设计可以选择性的测量信号峰值和实时信号，仿真也解决了采样保持的问题NE555构成的多谐振荡器发出25KHZ的时钟信号对于测量50HZ的电压信号其精度也非常高。
仿真也有部分功能不够完善的部分，数码管采用的是4位16进制输出数字没有十进制看起来直观。
仿真使用Multism13.0仿真软件进行，ADC模数转换芯片的转换范围是-5V~+5V当信号为5V时数码管显示FFFF为-5V时显示0000。
测量结果为[0.00015*（数码管显示数字）-5]/5V。
图3-1是由仿真软件Multism13.0绘制的应用ADC16设计的峰值信号检测仪，ADC16的引脚图如图3-2。
图3-1由ADC16构成的信号峰值检测仪
图3-2ADC16的芯片引脚示意图
3.2待测电信号放大电路模块的设计
该模块如图3-3所示用LM358组成的非反向放大器以实现对待测信号的放大和输出，LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358正负极分别用+12V和-12V供能，放大倍数为5*（R5/R4+1），当输入端接收到待测信号时能够稳定的进行放大并输出，当待测电信号在0~1v内变化时，输出电压的范围为0-5V，用以供给后续电路部分模数转换器正常工作，符合ADC输入电压范围。
如图3-4所示用LM358组成的非反向放大器放大倍数的验证。
图3-5所示为验证结果。
图3-3LM358组成的非反向放大器
图3-4所示用LM358组成的非反向放大器放大倍数的验证
图3-5万用表测量结果
3.3信号峰值检测电路模块的设计
该模块用于检测并稳定输出信号的峰值，如图3-6所示峰值信号检测器是由两级运算放大器组成的。
第一级运放U4将输入信号的峰值传递到电容C上，并保持下来。
第二级运放U7组成缓冲放大器，将输出与电容隔离开来。
为了获得优良的保持性能和传输性能，运放应具有输入阻抗高、响应速度快和跟随精度好等优点。
当输入电压V1上升时，V01跟随上升使二极管D2、D1导通，电容C充电，VC上升。
当输入电压V1下降时，V01跟随下降，D2、D1截止，VC值保持不变。
当V1再次上升使V01上升并使D2、D1导通，再次对电容C充电（VC高于前次充电时电压）；当V1再次下降时，D2、D1又截止，VC将峰值再次保持。
输出VO反映VC的大小，并可通过AD转换电路和译码显示峰值。
峰值检测电路的Multism13.0仿真电路如图3-7所示，仿真波形如图3-8所示。
图3-6峰值信号检测电路
图3-7峰值检测电路的Multism13.0仿真电路
图3-8峰值检测波形图
示波器A端接入一个正弦波，B端接的是输出波形，从仿真图中能直观看出此电路能实现峰值检测功能。
3.4NE555芯片25KHZ时钟信号产生电路模块的设计
该模块电路是由NE555为核心构成的多谐振荡器，输出25KHZ的方波为AD模块提供时钟信号，驱动ADC16正常转换。
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。
只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
如图3-9所示为NE555构成的多谐振荡器，当R1=1.154K
，R2=2.309K
时该模块电路便能输出25KHZ的方波。
图3-10所示为方波波形图。
图3-9NE555构成的多谐振荡器
图3-10多谐振荡器输出的25KHZ方波波形
3.5模数转换模块的设计
该模块是整个电路的核心部分，用到了ADC16模数转换芯片，将采集到的模拟信号转换成数字信号并输出。
ADC16是8位A/D转换器，所以其分辨率高达0.00015，它的转换方法为逐次逼近法。
VIN是信号输入端，SOC是外部时钟脉冲输入端，Vref+和Vref-是参考电压端子，用来提供D/A转换器权电阻的标准电平，EOC转换结束标志当转换完成后会输出低电平。
ADC16转换信号的量程为Vfs,Vfs=Vref+-Vref-;SOC为上升沿有效，需要一个微秒的转换才能输出D0到D15，同时EOC输出低电平，（D0-D15）BIN=VIN*2^16/16。
如图3.00所示是ADC16的仿真原理图，Vref+=5V,Vref-=-5V，当接入信号为-5V时输出（D0-D15）=0000000000000000，EOC输出低电平，当接入信号为5V时输出（D0-D15）=111111*********1，EOC输出低电平。
图3-11是信号为5V时的检测仿真图，图3-12是信号为-5V时的检测仿真图。
图3-11信号为5V时的检测仿真图
图3-12信号为-5V时的检测仿真图
将ADC16的17个输出分别接到17个LED小灯上，从仿真图中能直观看出，ADC16对于电压信号的转换是比较精准的。
3.6锁存器锁存数字信号连接数码管显示模块的设计
该模块用于转换最终结果的显示的电路模块，该模块电路用到了74LS273锁存器和十六进制数码管。
74LS273是带有清除端的8D触发器，只有在清除端保持高电平时，才具有锁存功能，锁存控制端为11脚CLK，采用上升沿锁存。
ADC16的EOC信号必须经过反相器反相之后才能与74LS273的控制端CLK端相连。
当ADC16在转换过程中锁存器不具有锁存功能，当转换结束后EOC会变成低电平经过反相器后产生一个上升沿接入到锁存器的锁存控制端，锁存器便立即读取ADC16的输出的数据并且输出到16进制数码管引脚上，由16位进制数码管译码产生4位16进制数并在数码管上显示出来。
如图3-13为74LS273示意图，1脚是复位CLR,低电平有效,当1脚是低电平时,输出脚2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）全部输出0,即全部复位；当1脚为高电平时,11（CLK）脚是锁存控制端,并且是上升沿触发锁存,当11脚有一个上升沿,立即锁存输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的电平状态,并且立即呈现在在输出脚2（Q0）、5（Q1）、6（Q2）、9（Q3）、12（Q4）、15（Q5）、16（Q6）、19（Q7）上。
图3-13为74LS273示意图
第4章电路的仿真
启动Multisim，对该电路进行仿真，图4-1为测量峰值为一伏的正弦信号总体电路仿真图，从该图可以看到整体的电路结构以及实时输出状态，由该图可以看到数码管的显示值也为FFFF，能够达到对该信号峰值的测量，拨动单刀双掷开关可切换到检测该信号的实时电压值。
如图4-2所示，当拨动开关时动态显示出被测信号的实时数字量。
图4-1总体电路仿真图
图4-2显示动态电压值
为了验证此信号峰值检测仪的准确性，对输入电压进行采点分析，分别将信号源的电位偏移量调节到0、-1、-2则峰值电压变为1V、0V、-1V，经运放后变为5V、0V、-5V对电路进行仿真，分别得到电路的实时输入状态和数码管的显示值如下图4-3、图4-4、图4-5所示：
图4-3数码管显示FFFF
图4-4数码管显示8000
图4-5数码管显示0000
由以上仿真，可基本得出结论，该设计当信号峰值在-1V~1V内可基本实现该信号峰值检测仪的功能。
最后结果为[0.00015*（数码管显示数字）-5]/5V。
结论
本次信号峰值检测仪的设计，应用非反向放大电路对被测信号进行放大处理，应用了ADC完成对输入模拟量的数字输出转换，用数字锁存器及16进制数码管完成数码管的显示。
经实验分析，可实现-1~1V峰值电压的测量。
通过前面的信号峰值检测仪的设计、模块的检测、元器件的选择和仿真，可基本了解数字电压的逻辑构成，但在仿真方面，元器件显得特别不给力，本来计划好的用ADC0809和LF358发现元件库基本没有，导致不断地改方案，用ADC16代替ADC0809进行模数转换，LF358采样保持器是A/D转换过程中必要的环节，本次设计采用高速的时钟信号测量频率比较低的信号，从而避免了使用LF358，虽然最后成功完成，但仿真效果显得不够完美。
最后的显示结果是16进制，而且0000代表-5V，FFFF代表+5V，显示结果不够直观。
虽然自己的设计还不够完善，不管是方案的原因还是元器件仿真的原因，本次设计让自己体会到了如何利用自己掌握的知识设计出自己想要的作品，并且夯实了自己的基础知识，能够熟练地应用简单的逻辑原件和基本的芯片，对于刚刚学过的数字电路，再此能够应用上无疑是一次很好的锻炼，对数字电路的理解加深了。
参考文献
[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：
高等教育出版社，2006.
[2]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].北京：
高等教育出版社，2006.
[3]韩建，全星慧，周围.电子技术课程设计指导[M].哈尔滨：
哈尔滨工程大学出版社，2014.
[4]黎小桃.数字电子电路分析与应用[M].北京：
北京理工大学出版社，2014.
[5]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计[M].北京：
电子工业出版社，2002.
[6]陈明义.电子技术课程设计实用教程（第3版）[M].长沙：
中南大学出版社，2010.
[7]程春雨.模拟电子技术实验与课程设计[M].北京：
电子工业出版社，2016.
附录元器件清单
元器件名称
参数
数量
A/D转换器
ADC16
1
锁存器
74LS273
2
555定时器
NE555
1
反相器
7406
1
集成运放
LM358
3
数码管
DCD_HEX
4
升级会员 