基于运算放大器的峰值检测电路
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燕山大学课程设计说明书
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。
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。
3Baidu Nhomakorabea2 采样信号发生器
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燕山大学课程设计说明书
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。
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燕山大学课程设计说明书
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：
2.1.2 原理框图
图 1 峰值检测电路时域波形
输入信号 电压跟随 单向充电开关 电压存储器
输出信号
脉冲采样 开关信号
2.2 电路功能分析
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BJT 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。
图 2 电路原理框图
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
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燕山大学课程设计说明书
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燕山大学课程设计说明书
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。
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
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： 教师职称：
温江涛 讲师
燕山大学课程设计（论
文）任务书
院（系）：电气工程学院 器科学与工程系
基层教学单位：仪
学 号 080103020042 学生姓名 井涛
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。
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。
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 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 技 一次输入信号的峰值。 术 参 数
设 1：完成题目的理论设计模型； 计 2：完成电路的multisim仿真； 要 求
工 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）； 作 2：提交一份电路原理图； 量
2011年 6月 25日
燕山大学课程设计说明书
燕山大学课程设计评审意见表
指导教师评语：
成绩： 答辩小组评语：
指导教师： 年 月日
成绩：
课程设计总成绩： 答辩小组成员签字：
组长： 年 月日
年 月日
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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
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
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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BJT 来实现的。给它们的基极加上一个正的脉冲会使两个
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vo 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。
case 9: P2=0X01; break; case 19: P2=0x02; break; default : P2=0x00;
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} } }
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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：
工 作 周一，查阅资料； 计 周二到周四，理论设计及计算机仿真； 划 周五，撰写设计说明书；
参 1：基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计； 考 2：模拟电子技术； 资 3：数字电子技术； 料 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。
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。
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) {
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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3.3 总体电路图
图 7 脉冲控制信号波形图
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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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。
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。
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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。
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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：
2.1.2 原理框图
图 1 峰值检测电路时域波形
输入信号 电压跟随 单向充电开关 电压存储器
输出信号
脉冲采样 开关信号
2.2 电路功能分析
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BJT 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。
图 2 电路原理框图
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
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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。
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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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
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指导教师： 教师职称：
温江涛 讲师
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院（系）：电气工程学院 器科学与工程系
基层教学单位：仪
学 号 080103020042 学生姓名 井涛
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。
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。
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 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 技 一次输入信号的峰值。 术 参 数
设 1：完成题目的理论设计模型； 计 2：完成电路的multisim仿真； 要 求
工 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）； 作 2：提交一份电路原理图； 量
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成绩： 答辩小组评语：
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组长： 年 月日
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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
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
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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BJT 来实现的。给它们的基极加上一个正的脉冲会使两个
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vo 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。
case 9: P2=0X01; break; case 19: P2=0x02; break; default : P2=0x00;
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} } }
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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：
工 作 周一，查阅资料； 计 周二到周四，理论设计及计算机仿真； 划 周五，撰写设计说明书；
参 1：基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计； 考 2：模拟电子技术； 资 3：数字电子技术； 料 4：电路理论
指导教师签字
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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。
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。
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) {
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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3.3 总体电路图
图 7 脉冲控制信号波形图
整体电路图如下，改进后的请见第六章。
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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%；