峰值检波器电路的设计

1峰值检波器电路的设计第一章绪论检波器，是检出波动信号中某种有用信息的装置。用于识别波、振荡或信号存在或变化的器件。检波器通常用来提取所携带的信息。检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号）。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。从调幅波中恢复调制信号的电路，也可称为幅度解调器。与调制器一样，检波器必须使用非线性元件，因而通常含有二极管或非线性放大器。检波器分为包络检波器和同步检波器。前者的输出信号与输入信号包络成对应关系，主要用于标准调幅信号的解调。后者实际上是一个模拟相乘器，为了得到解调作用，需要另外加入一个与输入信号的载波完全一致的振荡信号（相干信号）。同步检波器主要用于单边带调幅信号的解调或残留边带调幅信号的解调。1.1检波器的构成21.2检波器的作用1.2.1包络检波器电路图1是典型的包络检波电路。由中频或高频放大器来的标准调幅信号ua(t)加在L1C1回路两端。经检波后在负载RLC上产生随ua(t)的包络而变化的电压u(t)，其波形如图2所示。这种检波器的输出u(t)与输入信号ua(t)的峰值成正比,所以又称峰值检波器。1.2.2包络检波器波形包络检波器的工作原理可用图2的波形来说明。在t1tt2时间内,输入信号瞬时值ua(t)大于输出电压u(t)，二极管导通,电容C通过二极管正向电阻ri充电,u(t)增大;在t2tt3时间内,ua(t)小于u(t)，二极管截止，C通过RL放电，因此u(t)下降；到t3以后,二极管又重新导电,这一过程照此重复不已。只要RLC选择恰当,就可在负载RLC上得到与输入信号包络成对应关系的输出电压u(t)。如果时间常数RLC太大，放电速度就会放慢,当输入信号包络下降时,u(t)可能始终大于ua(t)，造成所谓对角切割失真(图2)。此外，检波器的输出通常通过电容、电阻耦合电路加到下一级放大器，如图1中虚线所示。如果Rg太小,则检波后的输出电压u(t)的底部即被切掉，产生所谓的底部切割失真。31.2.3同步检波器图3同步检波器框图图3为同步检波器的框图。模拟相乘器的一个输入为一单频调制的单边带调幅信号，即us(t)＝Umcos(ωct＋Ωmt),其中ωc为载波信号角频率,Ωm为调制信号角频率；另一输入是本机产生的相干信号，即uc(t)＝Uccosωct,则乘法器的输出电压u0(t)与uS(t)和uc(t)的乘积成正比，即：u0(t)=Kus(t)*uc(t)，式中K为一比例常数。u0(t)中包括两项，一项为高频项(2ωc+Ωm),另一项为低频项(Ωm)。通过低通滤波器后将高频项滤除，即得到与调制波成对应关系的输出。uc(t)通常可用本地振荡器或锁相环产生。同步检波器的抗干扰性能比包络检波器优越，但是它的电路比较复杂。41.3检波器的工作原理5第二章系统设计方案2.1工作原理峰值检波器工作原理：峰值检波器，它是一个能记忆信号峰值的电路，其输出电压的大小，一直追随输入信号的峰值，而且保持在输入信号的最大峰值。图4峰值检波器电路当V1〉V。时：信号由（+）端加入，OPA的输出Va为正电压，二级管D导通，于是输出电流经D对电容C充电一直充至与Vi相等之电压。（当D导电时此电路作用如同—电压跟随器）当V1〈V。时：OPA的输出Va为逆向偏压，相当于开路，于是电容C既不充电也不放电，维持于输入之最大值电压图5为输出与输入的充放电情形，其中输出波形V。，一直保持在输入波形Vi的最大峰值。图5电容C输入输出的充放电62.2电路图7第三章元器件介绍3.1电路所需元器件元件名称元件个数功能LF3981采样保持芯片LM3111电压比较器电阻24K1电阻15K1电阻30K1电阻5.1K11K可调电阻13V稳压二极管10.1uf钽电容18DIP插座2双列直插插座两芯插座1三芯插座1面板1导线、焊锡丝若干3.2LF398采样／保持器采样保持电路实质上是一种模拟信号存储器，它在数字指令控制下，使开关通断，对输入信号瞬时值进行采样并寄存，通常用两个运算放大器构成高输入阻抗的采样/保持电路，如图6所示：图68放大器A1是射随器。它对模拟信号提供了高输入阻抗，并提供了一个低的输出阻抗，使存储电容CH能快速充电和放电，放大器A2在存储电容和输出端之间起缓冲作用。开关K1在指令控制下通断，对电容CH充电或放电，开关S1通常使用FET开关或MOSFET开关，存储电容CH一般取0.01~0.1μF。采样/保持电路经常使用集成电路LF398，该器件的工作原理和使用方法说明如下：LF398具有采样和保持功能，它是一种模拟信号存储器，在逻辑指令控制下，对输入的模拟量进行采样和寄存。图7是该器件的引脚图。各引脚端的功能如下：①和④端分别为VCC和VEE电源端。电源电压范围为±5V～±15V。②端为失调调零端。当输入Vi=0，且在逻辑输入为1采样使，可调节②端使Vo=0。③端为模拟量输入端。⑤端为输出端。⑥端为接采样保持电容CH端。⑦端为逻辑基准端（接地）。⑧端为逻辑输入控制端。该端电平为“1”时采样，为“0”时保持。图7LF398内部电路原理图如图8所示。当8端为“1”时，使LF398内部开关闭合，此时A1和A2构成1：1的电压跟随器，所以，Vo=Vi，并使迅速充电到Vi，电压跟随器A2输出的电压等于CH上的电压。9当8端为“0”时，LF398内部开关断开，输出电压Vo值为控制端8由“1”跳到“0”时CH上保持的电压，以实现保持目的。端8的逻辑输入再次为“1”、再次采样时，输出电压跟随变化。采用保持器LF398对电压信号进行采样/保持。在单片机P2.5口的控制下，高电平，采样；低电平，保持。输入的正弦波信号经LF398后变为抽样信号。电路如图9所示：图93.2.1LF398芯片介绍LF398是一种高性能单片采样/保持器。它具有很高的直流精度、很快的采样时间和低的下降速度。器件的动态性能和保持性能可通过合适的外接保持电容图8LF398电路原理图R124kC10.01ufD2D1R21k+12V-12V+5V-5V12345678ALF398uiUoP2.510达到最佳。例如选择1000PF的保持电容，具有6us的采样时间，可达到12bit的精度。LF398的价格低廉。电源电压可从±5～±18V任意选择，其性能几乎无影响。采样/保持的逻辑控制可与TTL或CMOS电平接口。它可广泛地应用于高速A/D转换系统、数据采集系统和要求同步采样的领域。该器件外形采用8脚DIP封装结构。性能特点：A.具有12bit吞吐精度；B.采样时间：小于10us;C.宽带噪声：小于20uV;D.可靠的整体结构；E.输入阻抗：大于1010Ω；F.TTL和CMOS逻辑接口。主要参数：输入偏流：小于50nA;b.增益：1；c.输入失调：小于±7mV;d.输出阻抗：小于0.5Ω；e.电源电压:±5～±18V;f.电源电流：±4.5～±6.5mA。内部结构说明：图10LF398内部电路结构LF398内部电路结构如图10，N1是输入缓冲放大器，N2是高输入阻抗射极输出器。逻辑控制采样/保持开关：当开关S接通时，开始采样，当开关断开时，进行保持。3.2.2基本接法与应用下图是LF398的基本连接图。失调电压的调整是通过与V＋的分压并调整1KΩ电位器实现的。保持电容CH应选用300～1000PF的高性能低漏电云母电容器。控制逻辑在高电平时为采样，在低电平时为保持。本设计采用此种连接方法。电路如图11所示：N2+__+N1C1S30K15056OUTHOC2OFADVi387MREFMCTRLF39811图113.3LM3113.3.1引脚图图123.3.2引脚功能GROUND/GND：接地。INPUT+：正向输入端。INPUT-：反向输入端。OUTPUT：输出端。BALANCE：平衡。BALANCE/STROBE：平衡/选通。V+：电源正。V-：电源负。3.4稳压二极管稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡~稳压二极管工作于反向击穿区，由于12它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性，稳压管访问就在电路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围，二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。3.4.1稳压管的伏安特性图13稳压二极管(又叫齐纳二极管)它的电路符号是：此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。在这临界击穿点上，反向电阻降低到一个很少的数值，在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定，稳压二极管是根据击穿电压来分档的，因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用。其伏安特性见图13所示，稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用，通过串联就可获得更多的稳定电压。3.4.2稳压管的应用1.浪涌保护电路(如图14)：稳压管在准确的电压下击穿，这就使得它可作为限制或保护之元件来使用,因为各种电压的稳压二极管都可以得到，故对于这种应用特别适宜。图中的稳压二极管D是作为过压保护器件。只要电源电压VS超过二极管的稳压值D就导通，使继电器J吸合负载RL就与电源分开。13图142、电视机里的过压保护电路(如图15)：EC是电视机主供电压，当EC电压过高时，D导通，三极管BG导通，其集电极电位将由原来的高电平(5V)变为低电平，通过待机控制线的控制使电视机进入待机保护状态。图153、电弧抑制电路如图16所示，电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管(也可接入一只普通二极管原理一样)的话，当线圈在导通状态切断时，由于其电磁能释放所产生的高压就被二极管所吸收，所以当开关断开时，开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在工业上用得比较多，如一些较大功率的电磁吸控制电路就用到它。图164、串联型稳压电路(如图17)：在此电路中，串联稳压管BG的基极被稳压14二极管D钳定在13V，那么其发射极就输出恒定的12V电压了。这个电路在很多场合下都有应用。图173.4.3稳压二极管的参数1.Vz—稳定电压。指稳压管通过额定电流时两端产生的稳定电压值。该值随工作电流和温度的不同而略有改变。由于制造工艺的差别，同一型号稳压管的稳压值也不完全一致。例如，2CW51型稳压管的Vzmin为3.0V,Vzmax则为3.6V。2.Iz—稳定电流。指稳压管产生稳定电压时通过该管的电流值。低于此值时，稳压管虽并非不能稳压，但稳压效果会变差;高于此值时，只要不超过额定功率损耗，也是允许的，而且稳压性能会好一些，但要多消耗电能。3.Rz—动态电阻。指稳压管两端电压变化与电流变化的比值。该比值随工作电流的不同而改变，一般是工作电流愈大，动态电阻则愈小。例如，2CW7C稳压管的工作电流为5mA时，Rz为18Ω;工作电流为1OmA时，Rz为8Ω;为20mA时，Rz为2Ω;20mA则基本维持此数值。4.Pz—额定功耗。由芯片允许温升决定，其数值为稳定电压Vz和允许最大电流Izm的乘积。例如2CW51稳压管的Vz为3V，Izm为20mA，则该管的Pz为60mWo5.Ctv—电压温度系数。是说明稳定电压值受温度影响的参数。例如2CW58稳压管的Ctv是+0.07%/°C，即温度每升高1°C，其稳压值将升高0.07%。6.IR—反向漏电流。指稳压二极管在规定的反向电压下产生的漏电流。例如2CW58稳压管的VR=1V时，IR=O.1uA;在VR=6V时，IR=10uA。15第四章峰值检波器的测试及性能指标4.1峰值测量精度4.1.1测量