峰值檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、南通大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告課題名稱：峰值檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)姓名：沈益學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：陳娟實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2011年1月3日至14日峰值檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、放大器、采樣/保持、采樣/保持控制電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)碼顯示、數(shù)字鎖存控制電路組成。其關(guān)鍵任務(wù)是檢測(cè)峰值 并使之保持穩(wěn)定，且用數(shù)字顯示峰值。一、設(shè)計(jì)目的1、掌握峰值檢測(cè)系統(tǒng)的原理；2、掌握峰值檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法；3、掌握峰值檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)和調(diào)試方法。二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1、任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)峰值檢測(cè)系統(tǒng)；2、要求：（1）傳感器輸出05mV，對(duì)應(yīng)承受力02000kg;（2）測(cè)量值要用數(shù)字顯示，顯示范圍是 01999;（3）測(cè)量

2、的峰值的電壓要穩(wěn)定。三、設(shè)計(jì)原理1、設(shè)計(jì)總體方案據(jù)分析，可確定需設(shè)計(jì)系統(tǒng)的電路原理框圖如圖1所示：圖1峰值檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖2、各部分功能傳感器：將被測(cè)信號(hào)量轉(zhuǎn)換成電量；放大器：將傳感器輸出的小信號(hào)放大，放大器的輸出結(jié)果滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換 器的轉(zhuǎn)換范圍；采樣/保持：對(duì)放大后的被測(cè)模擬量進(jìn)行采樣，并保持峰值；采樣/保持控制電路：該電路通過控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)峰值采樣，小于峰值時(shí), 保持原峰值，大于原峰值時(shí)保持新的峰值；A/D轉(zhuǎn)換：將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；譯碼顯示：完成峰值數(shù)字量的譯碼顯示；數(shù)字鎖存控制電路：對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換的峰值數(shù)字量進(jìn)行鎖存，小于峰值的數(shù) 字量不鎖存。三、電路設(shè)計(jì)1、傳感器：本文不予考慮；2、放大器

3、：由于輸出信號(hào)為05mV，1mV對(duì)應(yīng)400kg，因此選用電壓增益 為400的差動(dòng)放大電路（該電路精度高），如圖 2所示。圖2差動(dòng)放大電路根據(jù)公式A U 虹R4（1 2R2/Ri）400，分配第一級(jí)放大器放大倍數(shù)為UiR31 2R2/R1 8，分配第二級(jí)放大器放大倍數(shù)為 字 警 50，則選取電阻值分 R38別為R1 1.6K， R25.6K， R3 2K， R4100K，四只電阻均選1/8W金屬膜電阻，三個(gè)放大器可選具有高輸入共模電壓和輸入差模電壓范圍，具有失調(diào) 電壓調(diào)整能力以及短路保護(hù)等特點(diǎn)的A 741型運(yùn)算放大器。3、采樣/保持：選用LF398采樣保持集成電路芯片，電路如圖 3所示。圖3采樣

4、/保持電路LF398的8腳是采樣/保持控制腳，當(dāng)該腳輸入高電平時(shí)，LF398進(jìn)行采 樣，輸入低電平時(shí)保持。采樣時(shí)輸入信號(hào)使采樣保持電容 Ch迅速充電到Vi。 其中Ch可選用電阻大、漏電小的聚苯乙烯電容，可取 Ch 0.1uF。4、 采樣/保持控制電路：該電路選用比較電路，如圖4所示。圖4采樣/保持控制電路比較電路將LF398的輸入端電壓與輸出端電壓相比較， 產(chǎn)生一個(gè)控制信 號(hào)Vk，用Vk控制LF398的邏輯控制腳，此外Vk還用來控制數(shù)字鎖存控制電 路。當(dāng)Vi V02時(shí)，比較器輸出Vk為高電平，使LF398采樣；當(dāng)Vi V02時(shí)， 比較器輸出Vk為低電平，使LF398保持。圖中A4選用A 741

5、型運(yùn)算放大器， 二極管選用普通硅二極管2CK11。Ch5、數(shù)字顯示表頭電路：該電路由 A/D轉(zhuǎn)換和譯碼顯示電路組成，如圖 5所 示。圖5數(shù)字顯示表頭電路該電路可采用31位數(shù)字電壓表，元件選擇如下：31位A/D轉(zhuǎn)換器MC14433,2 2七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器 MC1413，BCD到七段鎖存-譯碼-驅(qū)動(dòng)器CD4511、基準(zhǔn)電 源MC1403和四個(gè)共陰極數(shù)碼管。6、 數(shù)字鎖存控制電路：數(shù)字鎖存控制電路時(shí)保證A/D轉(zhuǎn)換的峰值數(shù)字被鎖 存在3丄位A/D的輸出鎖存器里，且當(dāng)被測(cè)信號(hào)不在量程內(nèi)時(shí)，超量程或欠2量程信號(hào)將控制小于峰值的數(shù)字量不能鎖存。為完成峰值鎖存必須掌握 MC14433兩個(gè)管腳的功能，其中一個(gè)管

6、腳是數(shù)字顯示更新輸入控制端DU，另一個(gè)管腳是轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)志輸出端 EOC。DU功能為：當(dāng)DU為高電平 時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果被送入輸出鎖存器內(nèi)；當(dāng) DU為低電平時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器仍 輸出鎖存器中原來的結(jié)果。EOC的功能是：每一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束時(shí)， EOC端輸出一個(gè)正脈沖。通常電路利用EOC端的輸出控制DU，則每次A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果都被輸出，而峰值檢測(cè)電路只允許峰值結(jié)果輸出， 小于峰值不輸出。 所以電路必須設(shè)置在峰值時(shí)，EOC的輸出才能控制DU?？紤]3-位A/D轉(zhuǎn)換2器轉(zhuǎn)換周期為1/3s,當(dāng)峰值信號(hào)來到時(shí)，應(yīng)允許 EOC的輸出在1/3s內(nèi)控制 DU端。由于采樣/保持電路能在A/D轉(zhuǎn)換周期內(nèi)保持峰值

7、的模擬量，所以在 A/D轉(zhuǎn)換周期間峰值數(shù)據(jù)不會(huì)受影響。經(jīng)過前面的分析，確定數(shù)字鎖存控制 電路如圖6所示。圖6數(shù)字鎖存控制電路該電路由單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路、或門 GA和與門GB，圖中輸入信號(hào)Vk來自 比較器的輸出，Vk 1表示峰值采樣，Vk 0表示峰值保持，電路工作情況如 下：（1） 當(dāng)Vk 1時(shí)，或門GA輸出1,允許Veoc通過與門GB，若Veoc是高 電平，則Vdu也是高電平。Vdu可以控制DU端，峰值數(shù)據(jù)被鎖存在A/D轉(zhuǎn)換 器的輸出鎖存器中。（2） 當(dāng)Vk由高電平變成低電平時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的 3端是下降沿觸發(fā) 的脈沖展寬延時(shí)電路的輸入端，在輸入脈沖作用下，Vo在1/3s內(nèi)仍然保持高 電平。在1/

8、3s內(nèi)Vo使或門GA輸出1,此間EOC的輸出電平Vc能通過與門 GB， Veoc是高電平時(shí)，Vdu也是高電平，Vdu又可以控制DU端，使輸出鎖存 器鎖存峰值數(shù)據(jù)。（3） 當(dāng)Vk 0，Vo 0V時(shí)，或門GA輸出為0，封鎖與門GB，Veoc不能 通過與門GB，與門GB的輸出V為低電平，Vdu封鎖A/D轉(zhuǎn)換器的輸出鎖 存器，輸出鎖存器仍輸出原來的峰值數(shù)據(jù)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3腳輸入信號(hào)Vk由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，使輸出脈沖Vo延 時(shí)1/3s的高電平，數(shù)字鎖存控制電路就能控制 A/D轉(zhuǎn)換器的輸出鎖存器鎖存 峰值數(shù)據(jù)。輸出脈沖的延時(shí)時(shí)間Tx 1/3s由外接部件Rt和Cext的數(shù)值大小決 定。據(jù)公式 Tx Cex

9、tRH n2 0.7CextRT，取 Cext 1 F，將 Tx 1/3s，Cext 1 F 代入 上式，得Rt 476K，最終去標(biāo)稱值Rt 510K。（或門選74LS32，與門選 74LS08）。附錄： 1 、系統(tǒng)電路原理圖2、各芯片引腳排列圖以及功能表3、電路硬件搭試照片4、總結(jié)附錄 1：系統(tǒng)電路原理圖 附錄 2：各芯片引腳排列圖以及功能表1、卩 A741引腳圖1、5 號(hào)腳：偏置（調(diào)零端）2 號(hào)腳：正相輸入端3 號(hào)腳：反向輸入端4 號(hào)腳：負(fù)電源6 號(hào)腳：輸出7 號(hào)腳：正電源8 號(hào)腳：空腳2、74LS08引腳圖功能表3、74LS32引腳圖功能表4、74LS121引腳圖引腳符號(hào)說明：Cext

10、:外接電容端Q:正脈沖輸出端Q:負(fù)脈沖輸出端Rext/Cext :外接電阻/電容端Rint:內(nèi)電阻端B:正觸發(fā)輸入端A1、A2 :負(fù)觸發(fā)輸入端功能表5、CD4511引腳圖功能表輸入輸出LEBILIDCBAabcdefg顯示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隱01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100

11、000000消隱01110110000000消隱01111000000000消隱01111010000000消隱01111100000000消隱0111111000000消隱111XXXX鎖存鎖存6、LF398引腳圖引腳符號(hào)說明：v+：正電源電壓輸入引腳調(diào)零：偏置調(diào)零引腳IN :輸入引腳V-:負(fù)電源電壓輸入引腳OUT:輸出引腳CH:保持電容引腳REF:參考電壓輸入引腳CON :控制邏輯IN（ +）7、MC14433 引腳圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 引腳符號(hào)說明：V AG ：被測(cè)電壓 V1 和基準(zhǔn)電壓 VREF 的地電位Vref :外接基準(zhǔn)電壓輸入端V 1：被測(cè)電壓輸入端Ri、R1/C1、C1：外接積分阻容

12、元件端Coi、C02:外接失調(diào)補(bǔ)償電容端DU ：實(shí)時(shí)顯示控制端， DU 端輸入一正脈沖，輸出端就輸出 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。 若和本電路的 EOC 端連接，則每次 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果均輸出。CPi、CPo :時(shí)鐘振蕩器外接電阻端，外接電阻 Rc為300kQ時(shí)，振蕩頻率為 66kHZ。其中CPd為時(shí)鐘信號(hào)輸出端，CPi為時(shí)鐘信號(hào)輸入端，使用外部時(shí)鐘 信號(hào)時(shí)由此輸入。VEE :電路的電源最負(fù)端，Vag-VeeVss:除CP0外所有輸出端的低電平基準(zhǔn)，Vdd-Vss5VEoc :轉(zhuǎn)換周期結(jié)果標(biāo)志輸出，每一 A/D轉(zhuǎn)換周期結(jié)束，EOC輸出一個(gè)正脈 沖，寬度為時(shí)鐘周期的 i/2Or：過量程標(biāo)志輸出。當(dāng)|Vi|

13、>Vref時(shí)，Or輸出為低電平功能表8、MCi4i3引腳圖MC1413是是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列反相驅(qū)動(dòng)器，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管 組成。MC1413的每一對(duì)達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè) 的基極電阻，在5V的工作電壓下 它能與TTL和CMOS!路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。MC141；工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá) 500mA并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。9、MC1403引腳圖MC1403是低壓基準(zhǔn)芯片。一般用作812bit的D/A芯片的基準(zhǔn)電壓等一些 需要基本精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓的場(chǎng)合。輸出電壓 : V /- 25 mV輸入電壓

14、范圍 : V to 40 V輸出電流 : 10 mA因?yàn)檩敵鍪枪潭ǖ?，所以電路很?jiǎn)單。就是Vin接電源輸入，GND接底，Vout 加一個(gè)的電容就可以了。Vout 般用作812bit的D/A芯片的基準(zhǔn)電壓。MC1403是美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的高準(zhǔn)確度、低溫漂、 采用激光修正的帶隙 基準(zhǔn)電壓源，國(guó)產(chǎn)型號(hào)為5G1403和CH1403它采用DIP-8封裝，引腳排列 如圖 7-1-2 所示。Ul =+ + 15V, UO=(典型值)， a可達(dá) 10X10-6/C。 為了配8P插座，還專門設(shè)置了 5個(gè)空腳。其輸出電壓UO= Ug0(R3+ R4)/R4 =x= +。MC1403的輸入-輸出特性輸入電壓 U

15、iV 輸出電壓 UoV1098當(dāng)Ui從10V降至?xí)r，Uo只變化，變化率僅為 。10、數(shù)碼管引腳圖附錄 3：電路硬件搭試照片附錄 4：總結(jié)電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)不僅是對(duì)理論知識(shí)的鞏固，同時(shí)也是動(dòng)手實(shí)踐能力的 培養(yǎng)。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是將我們所學(xué)理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際中，所需要的理論知識(shí)不 是單一的，而是電路、數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)等的綜合，有助于我們 學(xué)會(huì)將理論知識(shí)靈活應(yīng)用到實(shí)踐中，進(jìn)一步提高理論水平；硬件實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)， 需要我們有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，例如元器件的布局以及布線等，同時(shí)也需要我們有很 好的動(dòng)手能力和耐心。我認(rèn)為電子系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處主要在于以下幾方面：1 、設(shè)計(jì)方案要合理可行。 如果設(shè)計(jì)方案存在錯(cuò)誤或者在硬件實(shí)現(xiàn)方面存在問 題等，這都將影響整個(gè)設(shè)計(jì)的結(jié)果，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意每一個(gè)細(xì)節(jié)，務(wù)必 要細(xì)心謹(jǐn)慎。2、器件布局要合理。 器件布局直接影響后續(xù)的布線， 布局不合理， 會(huì)導(dǎo)致布 線復(fù)雜，布線難度加大。3、布線要細(xì)心美觀。 由于所采用的導(dǎo)線比較細(xì)， 容易出現(xiàn)斷裂， 在布線時(shí)應(yīng) 務(wù)必細(xì)心，同時(shí)應(yīng)充分利用面包板，盡可能使布線美觀