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56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7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89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10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<reg52.h>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;11}}}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。
12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%；132）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%；143）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%；15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%；16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。