电子技术课程设计报告 峰值检测系统.docx
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电子技术课程设计报告峰值检测系统
电子技术课程设计报告
课题名称:
峰值检测系统
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班级:
姓名:
学号:
指导教师:
学年学期:
2011~2012学年第1学期
2011年12月16日
目录
1、内容摘要…………………………………………………………………………2
2、设计内容及要求…………………………………………………………………2
3、比较和选定设计的系统方案，画出系统框图…………………………………2
3.1方案一………………………………………………………………………2
3.2方案二………………………………………………………………………3
4、单元电路设计、参数计算和器件选择…………………………………………4
4.1放大电路……………………………………………………………………4
4.2采样／保持电路……………………………………………………………5
4.3采样／保持控制电路…………………………………………………………6
4.4数字显示表头电路…………………………………………………………6
4.5数字锁存控制电路……………………………………………………………7
5、电路的工作原理…………………………………………………………………8
6、组装调试的内容…………………………………………………………………9
7、系统需要的元器件………………………………………………………………10
8、参考文献…………………………………………………………………………11
1、内容摘要
在科研、生产各个领域都会用到峰值检测设备，例如检测建筑物的最大承受力，检测钢丝绳允许的最大拉力等等．准确测量峰值对有关课题的研究是有重要意义的。
2、设计内容及要求
（1）用传感器和检测电路测量某建筑物的最大承受力。
传感器的输出信号为0mV～5mV，lmV等效于400kg。
（2）测量值用数字显示，显示范围为0000—1999。
（3）峰值电压保持稳定。
3、比较和选定设计的系统方案，画出系统框图
3.1方案一
本课题的关键任务是检测峰值并使之保持稳定，且用数字显示峰值．该方案用采样／保持峰值电路，通过数据锁存控制电路锁存峰值的数字量。
如图1所示。
它由传感器、放大器、采样／保持、采样／保持控制电路、A／D（模数转换）、译码显示、数字锁存控制电路组成。
各组成部分的作用是：
图1峰值检测系统的方案一框图
（1）传感器：
把被测信号量转换成电压量。
（2）放大器：
将传感器输出的小信号放大，放大器的输出结果满足模数转换器的转换范围。
（3）采样／保持：
对放大后的被测模拟量进行采样，并保持峰值。
（4）采样／保持控制电路：
该电路通过控制信号实现对峰值采样，小于原峰值时，保持原峰值，大于原峰值时保持新的峰值。
（5）A／D转换：
将模拟量转换成数宇量。
（6）译码显示：
完成峰值数字量的译码显示。
（7）数字锁存控制电路：
对模数转换的峰值数字量进行锁存，小于峰值的数字量不能锁存。
模数转换和译码显示构成数字显示表头（图1的虚线部分）。
3.2方案二
为实现峰值检测，该方案采用数字式峰值保持器，该部分是图2所示的虚线部分。
图2峰值检测系统的方案二框图
方案二由传感器、放大器、数字式峰值保持器和译码显示器组成。
该方案中除数字式峰值保持器外，其余三部分和方案一相同。
数字式峰值保持器由比较器、控制门、方波发生器、计数器和D／A组成，各部分功能如下：
（1）比较器：
比Ui和UO的大小．当Ui>Uo时，比较器输出高电平，打开控制门，时钟脉冲进入计数器．当Ui（2）方波发生器：
产生一定频率的方波信号，作为控制门的时钟脉冲信号。
（3）控制门：
控制时钟脉冲进入计数器．当比较器输出高电平时，该门开启，时钟脉冲进入计数器，当比较器输出低电平时，该门关闭。
（4）计数器：
被测信号的峰值通过控制门使时钟脉冲进入计数器，输出数字量，供给译码显示电路显示峰值。
计数器保持的数码反映被检测信号的峰值。
（5）D／A：
计数器的数字量送入D／A转换器后，进行数模转换。
D／A输出模拟量UO和被测量Ui比较，由比较结果1或0决定计数器计数还是保持峰值。
综上所述：
方案一和方案二都可以将峰值保持并以数字形式输出。
方案一是对模拟量进行采样／保持并锁存峰值的数字量，它可以采用集成采样／保持电路和大规模集成电路3位半A／D转换器。
方案二是采用数字式峰值保持器，主要电路是计数器和D／A转换，随着输出的位数增多，需要的器件也跟着增多．比较两个方案可知，前者比后者电路简单，采用的器件先进，所用元器件少，且容易实现．因此系统设计方案选择方案一。
4、单元电路设计、参数计算和器件选择
4.1放大电路
由于输入信号为0-5mV，则若选用3位半A/D，数字表头显示将是0000-1999感器输出1mV等效于400kg，则5mV等效于2000kg，因而选用放大倍数Au=400电路就能完成系统对小信号放大的要求。
（1）选择电路：
放大电路种类很多，为将传感器输出的微弱信号进行放大，采用高精度数据放大器，如图3所示。
该电路中Ai，和Ao的失调电压量值和方向相同，可以互相抵消，所以此种电路精度很高．这种高精度数据放大器对完成弱信号的放大有重要作用。
图3高精度数据放大器
（2）参数计算：
由于Ui=Ux=0～5mV，U01=2V，根据公式：
U01／Ui＝-（R4∕R3）（1+2R2／R1）,
将U01与Ui的数值代入，有400=-（R4∕R3）（1+2R2／R1）
放大器为完成400倍的放大，分配第一级放大器放大倍数1+2R2／R1=8，分配第二级放大倍数400／8=50=R4／R3，则电阻的阻值分别为R1=1.6kΩ,R2=5.6kΩ,R3=2kΩ,R4=100kΩ。
（3）器件选择：
R1，R2，R3和R4都选1／8W金属膜电阻，其阻值分别为1.6kΩ，5.6kΩ，2kΩ和100kΩ。
A1，A2和A3，选用μA741型运算放大器。
由于μA741具有很高的输入共模电压和输入差模电压范围、具有失调电压调整能力和短路保护功能、功耗较低、电源电压适应范围较宽等特点，所以该放大电路采用此器件比较合适。
4．2采样／保持电路
该电路的核心器件选用LF398采样／保持集成电路芯片，它具有体积小、功能强、运行稳定可靠等优点。
它的功能是对模拟信号进行采样和存储．具体电路如图4所示。
LF398的8脚是采样／保持的逻辑控制脚，当该脚输入高电平时，LF398进行采样，输入低电平时保持。
保持时，回路阻抗很大，故保持能力很强；采样时，输入信号使采样／保持电容CH迅速充电到Ui。
CH的质量对电路的性能影响很大，一般对此电容要求很高，如要求它的绝缘电阻大、漏电小。
可选用有机薄膜介质电容，如聚苯乙烯和聚丙烯电容，取CH=0.1μF。
4.3采样／保持控制电路
采样／保持控制电路可选用比较电路，如图5所示。
比较电路将LF398的输入端电压与输出端电压相比较，产生一个控制信号Uk，用Uk控制LF398的逻辑控制脚。
图4采样保持电路图5采样／保持控制电路
当Ui>Uo2时，比较器输出Uk为高电平，使LF398采样。
当Ui图5中，二极管保证输出低电平时，输出端箝位于0电平（管压降忽略）。
Uk还用来控制数字锁存控制电路。
比较器选用运算放大器μA741。
二极管选普通硅二极管2CKll。
4.4数字显示表头电路
数字显示表头电路由A／D转换和译码显示两部分组成（见图1-4-1）。
该电路可采用三位半数字电压表电路。
选择器件如下：
三位半A/D转换器MCl4433，七路达林顿驱动器MCl413，BCD到七段锁存-译码-驱动器CD4511，能隙基准电源MCl403和四个共阴极LED发光数码管。
注意数字显示表头电路中MCl4433的EOC和DU端不是直接相连，而是通过数字锁存控制电路连接．该表最大量程为1999kg，以1．999代表1999kg，小数点不用显示。
4.5数字锁存控制电路
数字锁存控制电路是保证A/D转换的峰值数字被锁存在三位半A/D的输出锁存器内。
为完成峰值锁存必须掌握A／D转换器两个管脚的功能，其中一个管脚是数字显示更新输入控制端DU，另一个管脚是转换周期结束标志输出端EOC。
DU的功能是：
当DU的电平为1时，A／D转换结果被送入输出锁存器；当DU的电平为0时，A／D转换器仍输出锁存器中原来的转换结果。
EOC的功能是，每一个A／D转换周期结束时，EOC端输出一个正脉冲。
通常电路利用EOC端的输出控制DU，则每次A／D转换结果都会被输出，而峰值检测电路只允许峰值结果输出，小于峰值则不输出。
所以电路必须设置在峰值时，EOC的输出才能控制DU。
考虑三位半A／D转换器转换周期为1/3s，当峰值信号来到时，应允许EOC的输出在1/3s内控制DU端。
由于采样／保持电路能在A／D转换周期内保持峰值的模拟量，所以在A／D转换周期间峰值数据不会受影响，经过前面分析，设计数字锁存控制电路。
（1）电路设计，设计的数字锁存控制电路如图6所示。
电路由单稳态延时电路C、或门GA和与门GB组成。
图6中输入信号Uk来自比较器的输出，Uk=1表示峰值采样，Uk=0峰值保持。
电路工作情况如下：
图6数字锁存控制电路
①当Uk=1时，或门GA输出1，允许UEOC通过与门GB，若UEOC是高电平，则UDU也是高电平。
UDU可以控制DU端，峰值数据被锁存在A／D转换器的输出锁存器中。
②当Uk由高电平变成低电平时，单稳态触发器C的3端是下降沿触发的脉冲展宽延时电路输入端，在输入脉冲作用下，Uo在1／3s内仍保持高电平。
在1／3s内Uo使或门GA输出1，此间EOC的输出电平UEOC能通过与门GB,UEOC是高电平时，UDU也是高电平，UDU也能控制DU端，使输出锁存器锁存峰值数据。
③当Uk=0V，Uo=0V时，或门GA输出为0，封锁与门GB，UEOC不能通过与门GB，与门GB的输出UDU为低电平，UDU封锁A／D转换器的输出锁存器，输出锁存器仍输出原来的峰值数据。
（2）参数计算：
单稳态触发器3脚输入信号Uk由高电平变为低电平时,使输出脉冲U0延时1／3s的高电平，数字锁存控制电路就能控制A／D的输出锁存器锁存峰值数据。
输出脉冲的延时时间Tx=1／3s由外接部件RT和CExt的数值大小所决定。
根据公式Tx=CExtRTln2=0.7CExtRT;
取CExt=lμF，将Tx=1／3s，CExt=1μF代入上式，得
1/3s=0.7RT×10-6s，即RT=476kΩ
取标称值RT=510kΩ。
（3）器件选择：
单稳态触发器选74LSl21，或门选74LS32，与门选74LS08。
CExt选lμF的聚苯乙烯电容，RT选510kΩ的金属膜电阻。
5、电路的工作原理
根据方案一的框图和设计的各部分单元电路，绘制出本课题的整机电路图，如图7所示。
图中正电源用+5V，负电源用一5V。
图7峰值检测系统原理图
6、组装调试的内容
①使用的主要仪器和仪表。
②调试电路的方法和技巧。
③测试的数据和波形并与计算结果比较分析。
④调试中出现的故障、原因及排除方法
7、系统需要的元器件
MC14433
3位半A/D转换
1
CD4511
BCD码—七段码译码器
1
MC1413
7路输出达林顿驱动器
1
MC1403
低压基准电压源
1
4位共阴数码管
或3位半共阴数码管
1
74LS08
4组2输入与门
1
74LS32
4组2输入或门
1
74121
CT54121/CT74121
单稳态触发器
1
LF398
采样保持放大器
1
uA741
运放
4
电阻
300
7
电阻
1.6K
2
电阻
5.6K
2
电阻
2K
2
电阻
100K
2
电阻
510K
1
电阻
470K
1
电阻
300K
1
滑动变阻器
1K
1
电容
0.1UF
3
1UF
1
二极管
2CK11
1
8、参考文献
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高等教育出版社，1999
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高等教育出版社，1998
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