信号峰值检测研究与设计

图 3 一般峰值信号检测原理图
方案 2：如图 4 所示为小信号峰值检测电路,此电路是由一级运放构成 ,二 极管 VD 置于反馈回路之中。 运放 U1 与电容 C1 一道构成峰值检测电路;运放 U2 构成跟随器 ,使峰值检测电路与后面的电路隔离。 当小信号输入时 ,即使输入信 号的正半周很小 ,由于运放 U1 的 Av ( Av 为运放环路电压增益) 很大,而 U1 的输出电压等于 Uin· Av ,所以 U1 的输出电压也足以使二极管导通,迫使运放 U1 处于跟随状态,从而能实现对输入小信号的峰值进行检测。虽避免了方案 1 的不足之处，但是该方案对各个元件的参数要求较高，而且容易受干扰。
信号峰值检测研究与设计
摘要
本设计介绍了峰值检测系统的设计原理、 软硬件设计方法及系统性能指标调 试方法。被测信号经传感器转化为电信号，再经运放 AD620 和 OP07 放大、LF398 采样/保持后进行 A/D 转化和信号处理后数字显示输出。研究的主要内容有：方 案论证、 硬件设计、 软件设计、 系统实物调试。 硬件设计主要有小信号放大电路、 峰值采样/保持电路、AD 转换电路、LCD 显示电路、电源电路及单片机最小系统。 系统以 ATMEGA16 单片机作为控制核心， 以 LF398 芯片为峰值采样/保持电路核心， 实现了输入信号的峰值提取和数字输出，并给出了具体方案和实验样本。 【关键词】 峰值 采样/保持电路 ATMEGA16 单片机 LF398
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一 峰值检测基本原理
峰值检测电路（PKD，Peak Detector）的作用就是对输入信号的峰值进行提 取，产生输出 Vo = Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值需一直保持，直 到一个新的更大的峰值出现或电路复位。其效果原理如图 1 所示：
图 1 峰值检测基本原理
二 系统方案设计
2.1 系统总体框图设计 本系统的关键任务是检测出峰值并使之保持稳定和数字显示， 其总体结构框 图如图 2 所示。它由传感器、放大器、采样/保持电路、采样/保持控制电路、A/D 转换电路、峰值显示电路组成。由传感器测量得到一定的输入信号，该输入信号 一般较小，需经放大器放大，放大后的信号送入峰值采样/保持电路，单片机将 得到的峰值模拟信号进行 A/D 转换后数字输出并显示。
Abstract
This design introduced the design principle of the peak detection system、the design method and system performance testing method. The sensor signal is transformed into electrical signals, then the amplifier AD620 and OP07 amplifier、 LF398 sampling/keep on the A/D transformation after and signal processing after digital display output. The main contents include: project argumetntation, hardware design, software design and debug. Physical system, The hardware design mainly small signal amplifier circuit, peak sampling/keep circuit, AD transform circuit, LCD display circuit, the power circuit chip and minimum system. As the control system with ATMEGA16 microcontroller core, with LF398 chip for peak sampling/keep circuit, realize the core of the input signal peak extraction and digital outputs, and presents a scheme and test sample. 【Keywords】 peak sampling/keep circuit ATMEGA16 LF398
信号放大
采样/保持电路
A/D转换
峰值显示 传感器 采样/保持 控制电路
主 控 器
图 2 峰值检测系统设计总体结构框图
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2.2 峰值检测方案设计和论证 方案 1：如图 3 所示即为一般正峰值检测电路，其工作原理为：初始状态电 容电压 Uc 等于零时,当输入电压 Ui ≥0 的时候,由于运放 U3 充当跟随器,故 Ui= Uo ,二极管 D2 导通 ,电压 Ui 对电容 C2 充电 ,直至电容 C2 上的电压 Uc 等于输入电压 Ui 的峰值，只要输入电压 Ui ≤Uc ,二极管 D2 就截止,电容电 压 Uc 保持不变,即电容电压 Uc 保持先前检测到的输入电压 Ui 的峰值,只有 输入电压 Ui ≥Uc 时,二极管 VD 才导通 ,电容 C 进行充电。总之 ,电容电压 Uc 始终保持输入电压 Ui 的峰值。 但此电路存在缺陷 ,当输入小信号波形的正向峰值小于二极管 D2 的正向 导通电压时 ,二极管将截止 ,此峰值检测电路便不能工作。 可见 ,此电路不能用 于检测小信号波形的峰值。
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绪论................................................................ 1 一 峰值检测基本原理................................................. 2 二 系统方案设计..................................................... 2 2.1 系统总体框图设计 ............................................ 2 2.2 峰值检测方案设计和论证 ...................................... 3 三 硬件设计......................................................... 4 3.1 单片机 A/D 转换电路和 LCD 接口电路 ............................ 4 3.1.1 ATMEGA16 简介 .......................................... 4 3.1.2 ATMEGA16 的管脚分布及功能 .............................. 5 3.1.3 LCD1602 的接口电路 ..................................... 5 3.2 小信号放大电路 .............................................. 6 3.3 电源电路 .................................................... 7 四 软件设计......................................................... 8 4.1 4.2 ATMEGA16 单片机的模数转换器 ADC 介绍......................... 8 ATMEGA16 单片机的模数转换器 ADC 相关的 I/O 寄存器............. 9 4.2.1 ADC 多路复用器选择寄存器—ADMUX ........................ 9 4.2.2 ADC 控制和状态寄存器 A—ADCSRA......................... 10 4.2.3 ADC 数据寄存器—ADCL 和 ADCH ........................... 11 4.3 系统软件框图设计 ........................................... 12 五 系统仿真调试与结果分析.......................................... 13 5.1 系统仿真调试 ............................................... 13 5.2 结果分析 ................................................... 14 六 总结............................................................ 15 七 参考文献........................................................ 16 附录............................................................... 17 附录 A 系统总体电路图........................................... 17 附录 B 主程序代码............................................... 18 附录 C 头文件 LCD1602.h ......................................... 20 附录 D 实物图................................................... 22 致谢............................................................... 23
图 4 小信号峰值检测原理图
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方案 3 ：如图 5 所示，采用 LF398 作为峰值采样/保持电路的核心，LF398 是一种反馈型采样/保持放大器，它的第 8 个引脚为采样保持器的控制脚 ,输人 高电平时 ,芯片工作在采样状态,输入低电平时 ,芯片工作在保持状态 。 由于回 路阻抗很大 ,所以保持功能很强 ,电路的保持功能是依靠 C1 对 Vi 的充电实现 的 ,因而对 C1 的要求较高 ,一般选用有机薄膜介质电容。UA741 构成比较器电 路 , 将被测信号与保持信号 Vo 进行比较 , 若 Vi>Vo, 比较器输出高电平 , 开启 LF398 进人采样状态 ， 若 Vi<Vo,比较器输出低电平,使 LF398 保持原有信号峰值。
绪论
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[1]。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[2]。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[3]。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。 为了得到良好的输出波形,同时峰值检波前后的信号幅值差异小 ,信号快变 部分丢失小 ,检波效率高 ,以利于 A/ D 变换的需要 ,一种较好的方法就是采 用基于单片机(MCU)和 LF398 的峰值检波电路，本文分析设计了一台基于 AVR 单 片机(MCU)和 LF398 的信号峰值检测仪 ,测量精度为 0.005V,采用 LCD1602 液晶 显示峰值。