一种电流采集电路的制作方法

【专利摘要】本实用新型公开电流采集电路，包括：电流互感器的第二端，分别与精密电阻的第一端和运算放大器的第二端相耦接，电流互感器的第一端，与运算放大器的第三端相耦接；精密电阻的第一端，分别与电流互感器的第二端、运算放大器的第二端相耦接，精密电阻的第二端与电流采集电路的输出端相耦接；运算放大器的第一端，与电流采集电路的输出端相耦接，运算放大器的第二端，分别与电流互感器的第二端、精密电阻的第一端相耦接，运算放大器的第三端与电流互感器的第一端相耦接，运算放大器的第四端与外部电源相耦接，运算放大器的第五端接地。本实用新型电流转电压和电平抬高到正极性由同一个运算放大器完成，单电源供电，增加了可靠性，降低了成本。

【专利说明】—种电流采集电路

[0001]本申请涉及采集电路领域，具体地说，是涉及一种电流采集电路。

[0002]在交流电参量监测装置中，电压和电流采集方法有很多种，有着不同的成本和性能。有具有电气隔离的采集方法也有非隔离的方法。但是在三相交流采样中必须使用隔离的方案。使用CT(电流互感器)和PT(电压互感器)进行电气隔离和完成信号大小的转换无疑是性价比最好的方案。由于MCU内部的ADC只能接受正极性的电压信号，所以需要CT和ΡΤ后级的调理电路需要完成电流转电压及抬高信号电平到正极性的电压。

[0003]目前流行的电流转电压方法主要有两种:1、直接并电阻，缺点是给信号带来大的相移；2、使用运放调理信号完成电流转电压，缺点是需要双电源供电增加了成本和降低了可靠性；

[0004]而抬高信号电平至正极性主要有三种方法:a、使用精密全波整流电流，缺点是成本高，性能受运放影响，温度影响大；b、运放加法电路，缺点是双电源供电，且使用更多的精密电阻，成本高。c、使用电解电容耦合，性能和寿命受电解电容的限制，会产生额外的相移。

[0005]为解决上述技术问题，本申请提供了一种电流采集电路，其特征在于，包括:电流互感器、精密电阻和运算放大器，其中，

[0006]所述电流互感器的第二端，分别与所述精密电阻的第一端和所述运算放大器的第二端相耦接，所述电流互感器的第一端，与所述运算放大器的第三端相耦接；

[0007]所述精密电阻的第一端，分别与所述电流互感器的第二端、所述运算放大器的第二端相耦接，所述精密电阻的第二端与所述电流采集电路的输出端相耦接；

[0008]所述运算放大器的第一端，与所述电流采集电路的输出端相耦接，所述运算放大器的第二端，分别与所述电流互感器的第二端、所述精密电阻的第一端相耦接，所述运算放大器的第三端与所述电流互感器的第一端相耦接，所述运算放大器的第四端与外部电源相耦接，所述运算放大器的第五端接地。

[0009]优选地，其中，所述电流互感器为完成大电流到小电流的转换并且实现电气隔离的电流互感器。

[0010]优选地，其中，所述精密电阻为实现电流到电压的转换的精密电阻。

[0011]优选地，其中，所述运算放大器为对电信号进行运算并且具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的运算放大器。

[0012]优选地，其中，所述外部电源为5V电源。

[0013]与现有技术相比，本申请所述的一种电流采集电路，达到了如下效果:本实用新型中的电流转电压和电平抬高到正极性由同一个运算放大器完成，单电源供电，在保证性能的情况下，增加了可靠性，降低了成本。

[0014]此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中:

[0015]图la为现有技术中一电流采集电路图；

[0016]图lb为现有技术中另一电流采集电路图；

[0017]图2为本实用新型提供的电流采集电路图。

[0018]如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

[0019]以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。

[0021]如图2所示，本实施例提供了一种电流采集电流，包括:电流互感器CT1、精密电阻RJ1和运算放大器U1，其中，

[0022]电流互感器CT1的第二端，分别与精密电阻RJ1的第一端和运算放大器U1的第二端相耦接，电流互感器CT1的第一端，与运算放大器U1的第三端相耦接，电流互感器CT1为完成大电流到小电流的转换并且实现电气隔离的电流互感器。

[0023]精密电阻RJ1的第一端，分别与电流互感器CT1的第二端、运算放大器U1的第二端相耦接，精密电阻RJ1的第二端与本实施例提供的电流采集电路的输出端相耦接，精密电阻RJ1为实现电流到电压的转换的精密电阻。

[0024]运算放大器U1的第一端，与本实施例的电流采集电路的输出端相耦接，运算放大器U1的第二端，分别与电流互感器CT1的第二端、精密电阻RJ1的第一端相耦接，运算放大器U1的第三端与电流互感器CT1的第一端相耦接，运算放大器U1的第四端与外部电源VDD5相耦接，运算放大器的第五端接地(AGND)。运算放大器U1为对电信号进行运算并且具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的运算放大器。

[0025]本实施例中的外部电源为5V电源。

[0026]当电流互感器CT1的一次侧流过一个电流，二次侧会按照相应的比例(电流互感器变比)流过一个电流12，由于运算放大器U1正反相输入引脚虚短和虚断，电流全部流过精密电阻，从而输出一个电压信号Uo = -12x Rl+1.6，1.6V是正向输入端的电源，因此电路输出一个以1.6V为中心的正弦波形，计算合适的电阻值(精密电阻RJ1)使波形幅值不超过后级A/D转换电路的输入范围，即不高于AD电路基准值，不低于0V，于是电路完成了电平抬高和电流转电压信号的功能。

[0027]与现有技术相比，本申请所述的一种电流采集电路，达到了如下效果:

[0028]本实用新型中的电流转电压和电平抬高到正极性由同一个运算放大器完成，单电源供电，在保证性能的情况下，增加了可靠性，降低了成本。

[0029]上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

1.一种电流采集电路，其特征在于，包括:电流互感器、精密电阻和运算放大器，其中， 所述电流互感器的第二端，分别与所述精密电阻的第一端和所述运算放大器的第二端相耦接，所述电流互感器的第一端，与所述运算放大器的第三端相耦接； 所述精密电阻的第一端，分别与所述电流互感器的第二端、所述运算放大器的第二端相耦接，所述精密电阻的第二端与所述电流采集电路的输出端相耦接； 所述运算放大器的第一端，与所述电流采集电路的输出端相耦接，所述运算放大器的第二端，分别与所述电流互感器的第二端、所述精密电阻的第一端相耦接，所述运算放大器的第三端与所述电流互感器的第一端相耦接，所述运算放大器的第四端与外部电源相耦接，所述运算放大器的第五端接地。

2.根据权利要求1所述的电流采集电路，其特征在于，所述电流互感器为完成大电流到小电流的转换并且实现电气隔离的电流互感器。

3.根据权利要求1所述的电流采集电路，其特征在于，所述精密电阻为实现电流到电压的转换的精密电阻。

4.根据权利要求1所述的电流采集电路，其特征在于，所述运算放大器为对电信号进行运算并且具有高增益、高输入阻抗和低输出阻抗的运算放大器。

5.根据权利要求1所述的电流采集电路，其特征在于，所述外部电源为5V电源。

【发明者】梁东, 李伟, 秦玉杰, 马勇, 赵凤阳 申请人:北京易艾斯德科技有限公司

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 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 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 multisim 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 3 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 4 基于运算放大器的峰值检测电路设计 目 录 第 .................................................. 25 5 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 6 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 7 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。 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 8 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。 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 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 BJT 来 实 现的。给它们的基极加上一个正的脉冲会使两个 10 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 114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 10μ f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 11 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 119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 { TMOD0X01； ET01； EA1； TR01； TH00/256； TL00256； number1； ifnumber120number10； }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。 13 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； 14 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； 15 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； 16 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； 17 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； 18 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。 19 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； 20 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 21 由于采样开关使用的 BJT的导通压降，正向放电时电压最低为 0.9mV左右，如下图所示 但是将开关电路接到 -1V的偏置电压上后，这个误差被极大的减小了。我们将脉冲信号的占空比调整为 99，即使电路始终处于复位模式，来观察输出的电压值，波形图如下 22 由图， ChannelC是正向检测电路的输出，这里即是持续放电的电压，大约为 8.6mV，由此可见改变偏置电平减小了放电误差。 5.1.2 反向 复位 误差 类似的，对于反向峰值检测 ,同样也存在由于 BJT的导通误差导致的放电误差，在放电器件，反向输出电压可以达到正的 0.9V左右，在波形图中就成为一个正的尖峰脉冲。为了使反向放电误差有明显的现实，我们将反向控制脉冲信号的占空比调整为 99，即使反向峰值检测电路一直处于复位放电状态，波形图如下 23 为了减小这个误差，类似于正向检测电路，将采样开关的接地端改为 -1V的偏置电平，这样就解决了由于 BJT导通压降带来的放电误差，改进后的仿真波形如下（控制 脉冲的占空比为 99） 24 由图可知， ChanneB为反向峰值检测电路的输出电压，当控制脉冲的占空比保持在 99的时候，它的输出保持在 8.6mV左右，说明这种改进措施很大程度上的减小了放电误差。 5.2 保持误差 当电路工作在保持模式时，输出电压 Vo应该严格保持在常数。实际上，由于漏电流的存在，电容会根据漏电的极性，缓慢地充电和放电。 要减小保持误差，需减小漏电流。选用 2N4117作为单向供电开关，并且在印制电路板的时候采用输入防护技术，可以使保持模式的漏电流极大的减小。在保证跟踪速度的前提下，选取较大的 电容值，可以降低漏电流的影响，这里我们选择 10μ F的电容器，在电路仿真时几乎观察不到保持误差。 25 第六章 、 整体电路图 经过改进后的整体电路图如下 26 第 七 章 、 总结 6.1 设计总结 在经典峰值检测电路的基础上，我们对各个部分进行了细致的分析和仿真，依次对电压跟随部分、单向开关部分、电压存储器部分、采样开关部分进行了理论设计、实际器件选择和电路仿真， 设计出了完整的模拟式峰值检测电路。通过仿真验证，电路可以很好的检测出采样期间信号的峰值，跟踪峰值变化，并无失 真地保持，复位输出电压非常接近 0V（ 8.9mV） 。利用单片机产生采样脉冲控制信号，实现了 可变 采样周期 。 6.2 设计 的 创新点 1 用 2N4117型 BJT代替经典设计中的单向开关二极管， 有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力 ； 2）将经典设计中采样开关电路接地端 改接 -1V的偏置电压，可以有效减小复位误差，使电路在复位期间输出电压接近 0V（约为 8.9mV）； 3）利用单片机的定时和开关功能产生采样脉冲控制信号，由于单片机编程简单， 驱动能力也能够满足要求，通过对程序中变量值的修改，可以方便地更改控制脉冲 的占空比和周期，更加方便 我们的电路仿真和实验。另外，在电路中嵌入单片机，不但使脉冲控制信号参数变得可调，而且方便了我们进一步改进电路，例如加入 A/D转换模块，将转换成的数字信号输入单片机，就可以实现数据的记录和分析 。 6.3 设计 的 缺点 与不足 1） 电路只能用于检测幅度较大的信号，对于微小信号（平均峰值小于 10mV），由于改进后的电路复位输出电压为 8.9mV左右，电路可能无法给出精确的峰值跟踪结果； 2） 电路只能用于检测频率较低的信号，对于高频信号，由于整个电路的动态特性，可能存在稳定性问题。 数字式的峰 值检测芯片一定程度上可以解决这些问题，但是在检测常见信号时，使用模拟峰值检测电路还是很合适的。 27 第八章、 心得体会 当我敲入这篇心得体会的时候，为期一周的测控电路课程设计已经接近尾声了。 通过这次课设，我深刻地认识到，理论与实践的结合是十分有必要的，仅有书本的知识而不去实际设计、仿真、实验，是无法透彻理解所学，就更别提应用所学了。拿到题目后，我们综合了所学知识，参考经典峰值电路的设计，迅速地给出了自己的设计。然而搭好电路仿真时，却又出现了这样那样的问题，例如复位输出电压较大 等等 。我和我的搭档一个问题一个问题的去 分析，去改进， 书本上没有提到的问题我们就试着用不同的方法去改进，终于使得整个设计符合要求 ，理论与实践得到了很好的切合。 这次课设还让我体会到团队工作的好处。当前这个社会，是一个讲究分工、各取所长的社会，合理的结组，扬长避短，才能发挥各自最大的能力。

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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 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 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 multisim 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 3 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 4 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 6 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 7 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。 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 8 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。 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 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 BJT 来 实 现的。给它们的基极加上一个正的脉冲会使两个 10 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 114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 10μ f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 11 利用 TL00256； number1； ifnumber120number10； }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。 13 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； 14 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； 15 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； 16 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； 17 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； 18 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。 19 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； 20 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 21 由于采样开关使用的 BJT的导通压降，正向放电时电压最低为 0.9mV左右，如下图所示 但是将开关电路接到 -1V的偏置电压上后，这个误差被极大的减小了。我们将脉冲信号的占空比调整为 99，即使电路始终处于复位模式，来观察输出的电压值，波形图如下 22 由图， ChannelC是正向检测电路的输出，这里即是持续放电的电压，大约为 8.6mV，由此可见改变偏置电平减小了放电误差。 5.1.2 反向 复位 误差 类似的，对于反向峰值检测 ,同样也存在由于 BJT的导通误差导致的放电误差，在放电器件，反向输出电压可以达到正的 0.9V左右，在波形图中就成为一个正的尖峰脉冲。为了使反向放电误差有明显的现实，我们将反向控制脉冲信号的占空比调整为 99，即使反向峰值检测电路一直处于复位放电状态，波形图如下 23 为了减小这个误差，类似于正向检测电路，将采样开关的接地端改为 -1V的偏置电平，这样就解决了由于 BJT导通压降带来的放电误差，改进后的仿真波形如下（控制 脉冲的占空比为 99） 24 由图可知， ChanneB为反向峰值检测电路的输出电压，当控制脉冲的占空比保持在 99的时候，它的输出保持在 8.6mV左右，说明这种改进措施很大程度上的减小了放电误差。 5.2 保持误差 当电路工作在保持模式时，输出电压 Vo应该严格保持在常数。实际上，由于漏电流的存在，电容会根据漏电的极性，缓慢地充电和放电。 要减小保持误差，需减小漏电流。选用 2N4117作为单向供电开关，并且在印制电路板的时候采用输入防护技术，可以使保持模式的漏电流极大的减小。在保证跟踪速度的前提下，选取较大的 电容值，可以降低漏电流的影响，这里我们选择 10μ F的电容器，在电路仿真时几乎观察不到保持误差。 25 第六章 、 整体电路图 经过改进后的整体电路图如下 26 第 七 章 、 总结 6.1 设计总结 在经典峰值检测电路的基础上，我们对各个部分进行了细致的分析和仿真，依次对电压跟随部分、单向开关部分、电压存储器部分、采样开关部分进行了理论设计、实际器件选择和电路仿真， 设计出了完整的模拟式峰值检测电路。通过仿真验证，电路可以很好的检测出采样期间信号的峰值，跟踪峰值变化，并无失 真地保持，复位输出电压非常接近 0V（ 8.9mV） 。利用单片机产生采样脉冲控制信号，实现了 可变 采样周期 。 6.2 设计 的 创新点 1 用 2N4117型 BJT代替经典设计中的单向开关二极管， 有效减小反向电流同时增加第一个运放的输出驱动力 ； 2）将经典设计中采样开关电路接地端 改接 -1V的偏置电压，可以有效减小复位误差，使电路在复位期间输出电压接近 0V（约为 8.9mV）； 3）利用单片机的定时和开关功能产生采样脉冲控制信号，由于单片机编程简单， 驱动能力也能够满足要求，通过对程序中变量值的修改，可以方便地更改控制脉冲 的占空比和周期，更加方便 我们的电路仿真和实验。另外，在电路中嵌入单片机，不但使脉冲控制信号参数变得可调，而且方便了我们进一步改进电路，例如加入 A/D转换模块，将转换成的数字信号输入单片机，就可以实现数据的记录和分析 。 6.3 设计 的 缺点 与不足 1） 电路只能用于检测幅度较大的信号，对于微小信号（平均峰值小于 10mV），由于改进后的电路复位输出电压为 8.9mV左右，电路可能无法给出精确的峰值跟踪结果； 2） 电路只能用于检测频率较低的信号，对于高频信号，由于整个电路的动态特性，可能存在稳定性问题。 数字式的峰 值检测芯片一定程度上可以解决这些问题，但是在检测常见信号时，使用模拟峰值检测电路还是很合适的。 27 第八章、 心得体会 当我敲入这篇心得体会的时候，为期一周的测控电路课程设计已经接近尾声了。 通过这次课设，我深刻地认识到，理论与实践的结合是十分有必要的，仅有书本的知识而不去实际设计、仿真、实验，是无法透彻理解所学，就更别提应用所学了。拿到题目后，我们综合了所学知识，参考经典峰值电路的设计，迅速地给出了自己的设计。然而搭好电路仿真时，却又出现了这样那样的问题，例如复位输出电压较大 等等 。我和我的搭档一个问题一个问题的去 分析，去改进， 书本上没有提到的问题我们就试着用不同的方法去改进，终于使得整个设计符合要求 ，理论与实践得到了很好的切合。 这次课设还让我体会到团队工作的好处。当前这个社会，是一个讲究分工、各取所长的社会，合理的结组，扬长避短，才能发挥各自最大的能力。 这是我们第一次进行测控电路的课程设计，由于我们自身能力有限，很多方面不能做的尽善尽美，在以后的学习和工作实践中，我会更加注意实践，努力学牢知识，力争做一名合格的电气 工程学院毕业生。 28 参考文献 [1] Sergio Franco. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits.