信号峰值检测研究与设计

目录绪论................................................................1一峰值检测基本原理.................................................2二系统方案设计.....................................................22.1系统总体框图设计............................................22.2峰值检测方案设计和论证......................................3三硬件设计.........................................................43.1单片机A/D转换电路和LCD接口电路............................43.1.1ATMEGA16简介..........................................43.1.2ATMEGA16的管脚分布及功能..............................53.1.3LCD1602的接口电路.....................................53.2小信号放大电路..............................................63.3电源电路....................................................7四软件设计.........................................................84.1ATMEGA16单片机的模数转换器ADC介绍.........................84.2ATMEGA16单片机的模数转换器ADC相关的I/O寄存器.............94.2.1ADC多路复用器选择寄存器—ADMUX........................94.2.2ADC控制和状态寄存器A—ADCSRA.........................104.2.3ADC数据寄存器—ADCL和ADCH...........................114.3系统软件框图设计...........................................12五系统仿真调试与结果分析..........................................135.1系统仿真调试...............................................135.2结果分析...................................................14六总结............................................................15七参考文献........................................................16附录...............................................................17附录A系统总体电路图...........................................17附录B主程序代码...............................................18附录C头文件LCD1602.h.........................................20附录D实物图...................................................22致谢...............................................................23信号峰值检测研究与设计摘要本设计介绍了峰值检测系统的设计原理、软硬件设计方法及系统性能指标调试方法。被测信号经传感器转化为电信号，再经运放AD620和OP07放大、LF398采样/保持后进行A/D转化和信号处理后数字显示输出。研究的主要内容有：方案论证、硬件设计、软件设计、系统实物调试。硬件设计主要有小信号放大电路、峰值采样/保持电路、AD转换电路、LCD显示电路、电源电路及单片机最小系统。系统以ATMEGA16单片机作为控制核心，以LF398芯片为峰值采样/保持电路核心，实现了输入信号的峰值提取和数字输出，并给出了具体方案和实验样本。【关键词】峰值采样/保持电路ATMEGA16单片机LF398AbstractThisdesignintroducedthedesignprincipleofthepeakdetectionsystem、thedesignmethodandsystemperformancetestingmethod.Thesensorsignalistransformedintoelectricalsignals,thentheamplifierAD620andOP07amplifier、LF398sampling/keepontheA/Dtransformationafterandsignalprocessingafterdigitaldisplayoutput.Themaincontentsinclude:projectargumetntation,hardwaredesign,softwaredesignanddebug.Physicalsystem,Thehardwaredesignmainlysmallsignalamplifiercircuit,peaksampling/keepcircuit,ADtransformcircuit,LCDdisplaycircuit,thepowercircuitchipandminimumsystem.AsthecontrolsystemwithATMEGA16microcontrollercore,withLF398chipforpeaksampling/keepcircuit,realizethecoreoftheinputsignalpeakextractionanddigitaloutputs,andpresentsaschemeandtestsample.【Keywords】peaksampling/keepcircuitATMEGA16LF3981绪论峰值检测是电子测量、自动化仪表以及其它相关技术领域常会遇到的问题。峰值反映了信号极为重要的方面,尤其是小信号[1]。设计完善的峰值检测系统，不仅可以用于对微弱信号进行检测,还可以通过传感器对其它非电信号如微弱的机械振动实现自动检测和控制,从而构成完整的测控系统,因此峰值检测具有广泛的实用价值。峰值检测技术是数字存储示波器及数据采集卡中的重要技术之一,用来实现波形的峰值捕捉[2]。在科研、生产的许多领域都需要用到峰值检测设备，比如检测某建筑物中梁的最大承受力,检测一根钢丝绳的最大允许拉力等，这就需要用到相应的检测设备。目前常用的方法是先求得检测信号的平均值，但使用平均值掩盖了被检测信号的突然脉冲，从而可能引起系统的失灵及不稳定[3]。若用由二极管和电阻电容构成的普通峰值检波电路来检波,效果会很差,主要表现在两个方面:第一,若选择RC电路时间常数大一些,则输出信号的波形会好一些,但检波输出之后的信号幅值和检波之前的信号幅值有明显的差距,输出信号幅值明显降低,峰值检波效率变差,同时,信号快变部分的丢失变得严重。第二,若选择RC电路时间常数小一些,则会发现检波前后的信号幅值的差异变小,信号之中的快变分量明显变好,但输出信号的波形明显变差,不利于对信号的A/D变换。为了得到良好的输出波形,同时峰值检波前后的信号幅值差异小,信号快变部分丢失小,检波效率高,以利于A/D变换的需要,一种较好的方法就是采用基于单片机(MCU)和LF398的峰值检波电路，本文分析设计了一台基于AVR单片机(MCU)和LF398的信号峰值检测仪,测量精度为0.005V,采用LCD1602液晶显示峰值。2一峰值检测基本原理峰值检测电路（PKD，PeakDetector）的作用就是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo=Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值需一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。其效果原理如图1所示：图1峰值检测基本原理二系统方案设计2.1系统总体框图设计本系统的关键任务是检测出峰值并使之保持稳定和数字显示，其总体结构框图如图2所示。它由传感器、放大器、采样/保持电路、采样/保持控制电路、A/D转换电路、峰值显示电路组成。由传感器测量得到一定的输入信号，该输入信号一般较小，需经放大器放大，放大后的信号送入峰值采样/保持电路，单片机将得到的峰值模拟信号进行A/D转换后数字输出并显示。传感器信号放大采样/保持电路采样/保持控制电路主控器A/D转换峰值显示图2峰值检测系统设计总体结构框图32.2峰值检测方案设计和论证方案1：如图3所示即为一般正峰值检测电路，其工作原理为：初始状态电容电压Uc等于零时,当输入电压Ui≥0的时候,由于运放U3充当跟随器,故Ui=Uo,二极管D2导通,电压Ui对电容C2充电,直至电容C2上的电压Uc等于输入电压Ui的峰值，只要输入电压Ui≤Uc,二极管D2就截止,电容电压Uc保持不变,即电容电压Uc保持先前检测到的输入电压Ui的峰值,只有输入电压Ui≥Uc时,二极管VD才导通,电容C进行充电。总之,电容电压Uc始终保持输入电压Ui的峰值。但此电路存在缺陷,当输入小信号波形的正向峰值小于二极管D2的正向导通电压时,二极管将截止,此峰值检测电路便不能工作。可见,此电路不能用于检测小信号波形的峰值。图3一般峰值信号检测原理图方案2：如图4所示为小信号峰值检测电路,此电路是由一级运放构成,二极管VD置于反馈回路之中。运放U1与电容C1一道构成峰值检测电路;运放U2构成跟随器,使峰值检测电路与后面的电路隔离。当小信号输入时,即使输入信号的正半周很小,由于运放U1的Av(Av为运放环路电压增益)很大,而U1的输出电压等于Uin·Av,所以U1的输出电压也足以使二极管导通,迫使运放U1处于跟随状态,从而能实现对输入小信号的峰值进行检测。虽避免了方案1的不足之处，但是该方案对各个元件的参数要求较高，而且容易受干扰。图4小信号峰值检测原理图4方案3：如图5所示，采用LF398作为峰值采样/保持电路的核心，LF398是一种反馈型采样/保持放大器，它的第8个引脚为采样保持器的控制脚,输人高电平时,芯片工作在采样状态,输入低电平时,芯片工作在保持状态。由于回路阻抗很大,所以保持功能很强,电路的保持功能是依靠C1对Vi的充电实现的,因而对C1的要求较高,一般选用有机薄膜介质电容。UA741构成比较器电路,将被测信号与保持信号Vo进行比较,若ViVo,比较器输出高电平,开启LF398进人采样状态，若ViVo,比较器输出低电平,使LF398保持原有信号峰值。图5LF398采样电路通过实验发现，方案3不仅避免了前两种方案的缺陷，而且相比于前两个方案，其峰值保持效果有极大的提升，简化了硬件电路，在一定程度上减少了元件参数的影响，因此本系统采用了方案3。三硬件设计3.1单片机A/D转换电路和LCD接口电路3.1.1ATMEGA16简介ATMEGA16单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU)精简指令集高速8位单片机。与其它单片机相比，AVR单片机具有如下优点：哈佛结构，具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力；超功能精简指令集（RISC），