1、沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)（說(shuō)明書(shū)）峰值檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)班 級(jí) 24060403 學(xué) 號(hào) 2012040604107 學(xué) 生 姓 名 郭 寧 指 導(dǎo) 教 師 于春和 沈陽(yáng)航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)課 程 名 稱(chēng) 模擬與數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目 峰值檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：一、設(shè)計(jì)說(shuō)明與技術(shù)指標(biāo)在科研、生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域都會(huì)用到峰值檢測(cè)設(shè)備：例如檢測(cè)建筑物的最大承受力、檢測(cè)鋼絲繩允許的最大拉力等。本設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)峰值檢測(cè)系統(tǒng)，其關(guān)鍵任務(wù)是檢測(cè)峰值并保持穩(wěn)定。系統(tǒng)可采用如圖1所示框圖結(jié)構(gòu)：它由傳感器、放大器、采樣/保持、采樣/保持控制電路、A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)、

2、譯碼顯示、數(shù)字鎖存控制電路組成。各部分的作用如下：傳感器：把被測(cè)信號(hào)量轉(zhuǎn)換成電壓量；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(mǎn)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(guò)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)峰值采樣，小于原峰值時(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。傳感器放大器采樣/保持采樣/保持控制電路數(shù)字鎖存控制電路A/D轉(zhuǎn)換譯碼顯示數(shù)字顯示表表頭圖1 峰值檢測(cè)系統(tǒng)示例方案原理框圖技術(shù)指標(biāo)1.

3、放大器輸入阻抗：Ri>1M；頻帶寬度：0Hz1kHz；共模抑制比：KCMRR>70dB。2. 測(cè)量值用數(shù)字顯示，顯示范圍為：0 0001 999；二、設(shè)計(jì)要求1. 傳感器輸出信號(hào)為05mV，1mV等效于400kg；2. 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)通過(guò)分析計(jì)算確定電路形式和元器件參數(shù)；3. 畫(huà)出電路原理圖（元器件標(biāo)準(zhǔn)化，電路圖規(guī)范化）。三、實(shí)驗(yàn)要求1根據(jù)技術(shù)指標(biāo)制定實(shí)驗(yàn)方案；驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路，用軟件仿真。2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析。四、推薦參考資料1. 童詩(shī)白，華成英主編模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M北京：高等教育出版社，2006年2. 李萬(wàn)臣，謝紅編著. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)

4、出版社，20013. 張福學(xué)編著. 傳感器應(yīng)用及其電路精選. 北京：電子工業(yè)出版社，1992.五、按照要求撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告成績(jī)?cè)u(píng)定表：序號(hào)評(píng)定項(xiàng)目評(píng)分成績(jī)1設(shè)計(jì)方案正確，具有可行性，創(chuàng)新性（15分）2設(shè)計(jì)結(jié)果可信（例如：系統(tǒng)分析、仿真結(jié)果）（15分）3態(tài)度認(rèn)真，遵守紀(jì)律（15分）4設(shè)計(jì)報(bào)告的規(guī)范化、參考文獻(xiàn)充分（不少于5篇）（25分）5答辯（30分）總分最終評(píng)定成績(jī)（以?xún)?yōu)、良、中、及格、不及格評(píng)定）指導(dǎo)教師簽字： 2014 年 12 月 26日一、 概述 在科研、生產(chǎn)各個(gè)領(lǐng)域都會(huì)用到峰值檢測(cè)設(shè)備：例如檢測(cè)建筑物的最大承受力、檢測(cè)鋼絲繩允許的最大拉力等。本設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)峰值檢測(cè)系統(tǒng)，其關(guān)鍵

5、任務(wù)是檢測(cè)峰值并保持穩(wěn)定。二、 方案論證本次課程設(shè)計(jì)的峰值檢測(cè)系統(tǒng)是由傳感器、放大器、采樣/保持、采樣/保持控制電路、A/D(模數(shù)轉(zhuǎn)換)、譯碼顯示、數(shù)字鎖存控制電路組成。傳感器是用來(lái)把被測(cè)信號(hào)量轉(zhuǎn)換成電壓量；放大器是將傳感器輸出的小信號(hào)放大，輸出結(jié)果滿(mǎn)足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍；采樣/保持是對(duì)放大后的被測(cè)模擬量進(jìn)行采樣，并保持峰值；采樣/保持控制電路通過(guò)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)峰值采樣，小于原峰值時(shí)，保持原峰值，大于原峰值時(shí)保持新的峰值。原理框圖如下：傳感器放大器采樣/保持采樣/保持控制電路數(shù)字鎖存控制電路A/D轉(zhuǎn)換譯碼顯示數(shù)字顯示表表頭 圖1 峰值檢測(cè)系統(tǒng)方案原理框圖三、 電路設(shè)計(jì)1、放大電路設(shè)計(jì)：選用電

6、壓增益Au=400的放大電路完成系統(tǒng)對(duì)小信號(hào)放大的要求。本次課程設(shè)計(jì)中所用的放大電路為高精度放大電路，盡管放大電路種類(lèi)繁多，但為了將傳感器輸出的微弱信號(hào)能夠有效的放大，故而采用高精度放大器，采用高精度放大器的類(lèi)型為RT3288，三個(gè)運(yùn)算放大器分別用U1，U2，U3表示。該電路U1和U3的失調(diào)電壓的量值和方向相同，可以相互抵消，減少了一些誤差，所以此種電路精度很高。這種高精度放大器對(duì)完成弱信號(hào)的放大有重要的作用且放大器輸入阻抗Ri遠(yuǎn)大于1M。由于此電路中放大器要完成400倍的放大任務(wù)，400倍分為兩級(jí)放大，所以要求兩級(jí)的放大倍數(shù)相乘等于分配等于400即可，選取第一級(jí)的電壓增益Au1為5，分配第二

7、級(jí)的電壓增益Au2為80，能夠達(dá)到放大要求。放大電路設(shè)計(jì)如圖2所示：圖2 高精度數(shù)據(jù)放大器該放大電路主要由三個(gè)運(yùn)放構(gòu)成；其中由于U1和U3采用相同的運(yùn)算放大器，使U1和U3的失調(diào)電壓的量值和方向相同，可以相互抵消，從而抑制共模信號(hào)，與此同時(shí)，差模信號(hào)得到放大，并且差模放大倍數(shù)越大，共模抑制比越高，從而精確地得到放大性能。其具體放大原理如下：根據(jù)集成運(yùn)放的虛短虛斷原理有以下算式： R1=10O R3=2K R2=100 R4=200 設(shè)輸入電壓為=5mV，根據(jù)上述公式得出輸出電壓=2V。2、采樣/保持電路設(shè)計(jì)：采用運(yùn)放提高直流特性，減小偏置電流OPA128的偏置電流,將場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)二極管用，可以有

8、效減小反向電流同時(shí)增加第一個(gè)運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)力；該部分電路如圖3所示：圖3 采樣/保持控制電路（1）模擬峰值存儲(chǔ)器，即電容器C2，用來(lái)記錄電壓峰值；（2）單向電流開(kāi)關(guān)，快速恢復(fù)二極管，即二極管D1；（3）離運(yùn)算放大器OPA128JM， KCMRR=90dB。可以快速精確采樣和保持，具有降低偏置，降低失調(diào)電流，輸入輸出緩沖隔的作用。（4）采用FET集成運(yùn)放提高直流特性，從而減小集成運(yùn)放OPA128JM的偏置電流；（5）將場(chǎng)效應(yīng)管當(dāng)作二極管使用，可以有效減小反向電流同時(shí)增加第一個(gè)運(yùn)放的輸出驅(qū)動(dòng)能力；（6）小電容是防止自激的，并記錄峰值。3.A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用的A/D轉(zhuǎn)換芯片是ICL7

9、107, ICL7107是專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)LED顯示器而設(shè)計(jì)的三位半雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器，它能直接驅(qū)動(dòng)共陽(yáng)極LED顯示器，不需另加驅(qū)動(dòng)電路和限流電路，使整機(jī)電路簡(jiǎn)化，顯示清晰，亮度高，便于夜間觀察，顯示器采用七段共陽(yáng)極數(shù)碼管。當(dāng)模擬信號(hào)從模擬信號(hào)輸入端輸入時(shí)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路后即可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸出，A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)字顯示電路見(jiàn)圖4。圖4 A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)碼顯示電路四、性能的測(cè)試首先測(cè)試放大電路的放大功能，首先輸入5mV的正弦信號(hào)，將信號(hào)的輸入端與放大器的輸出端一同接入示波器，由于放大器的電壓增益為400，那么正常情況下輸出信號(hào)的峰值應(yīng)為2V，打開(kāi)電路開(kāi)關(guān)用示波器測(cè)得的數(shù)值為理論計(jì)算值，觀察

10、波形和峰值驗(yàn)證放大電路是否正確，由實(shí)際測(cè)得的數(shù)值知該放大電路較好的完成了放大指標(biāo)。仿真圖如圖4所示：A通道為輸入端，B通道為輸出端。圖4 放大電路波形仿真圖對(duì)于采樣/保持控制電路的結(jié)果測(cè)試，該課程設(shè)計(jì)題目要求當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，采樣/保持控制電路會(huì)自動(dòng)檢測(cè)輸入信號(hào)的峰值，并顯示其峰值，當(dāng)改變輸入信號(hào)的峰值時(shí)，如果輸入信號(hào)的峰值比原信號(hào)的峰值大，則檢測(cè)的峰值跟隨較大的峰值，當(dāng)輸入信號(hào)的峰值比原信號(hào)的峰值小的時(shí)候，則檢測(cè)的峰值依然跟隨較大的峰值。為檢測(cè)以上要求是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，分別采用輸入信號(hào)峰值為5mV時(shí)檢測(cè)，然后改變輸入峰值，使其為3mV；再采用輸入信號(hào)峰值為5mV時(shí)檢測(cè)，然后改變輸入峰值，使其為7m

11、V，選用示波器，并將信號(hào)源的輸入信號(hào)與電容中保持的信號(hào)一同接入，觀測(cè)波形：其中B為輸入端，A為輸出端。當(dāng)輸入為5mV時(shí)，測(cè)得輸出檢測(cè)的信號(hào)電壓為1.997V，約等于2V，使輸入5mV電壓正好放大了400倍，較好的完成了題目要求的放大指標(biāo)。該部分檢測(cè)電路的輸出波形如圖5所示； 圖5 輸入5V時(shí)的采樣波形當(dāng)輸入信號(hào)峰值為5mV時(shí)，改變輸入信號(hào)的峰值使其為3mV時(shí)，輸出波形如圖6所示；圖6 輸入3mV時(shí)的波形說(shuō)明：當(dāng)輸入3mV電壓時(shí)，放大電路放大為1.2V，小于2V，由于場(chǎng)效應(yīng)管具有單向?qū)щ娦裕源藭r(shí)場(chǎng)效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)，因此電容C2電位不變，所以采樣/保持電路要保持原先的2V電壓，該電路輸出電壓

12、仍然是2V。當(dāng)輸入信號(hào)峰值為5mV時(shí)，改變輸入信號(hào)的峰值使其為7mV時(shí)，輸出波形如圖7所示。圖7 輸入7mV時(shí)的波形當(dāng)信號(hào)源輸入7mV的電壓時(shí)，經(jīng)過(guò)放大電路放大為2.8V，大于原先的2V電壓，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，電容器C2開(kāi)始充電，電位增大，所以采樣/保持電路要輸出電位為2.8V的采樣信號(hào)。另外，當(dāng)輸入信號(hào)峰值為5mV時(shí)，增大輸入峰值為6mV，在增大至8mV，最后減小到3mV，觀察示波器顯示是否滿(mǎn)足題目要求，結(jié)果顯示數(shù)值依然滿(mǎn)足要求，也就是說(shuō)當(dāng)輸入信號(hào)峰值既有增大又有減小的時(shí)候，示波器檢測(cè)的峰值依然滿(mǎn)足課程設(shè)計(jì)題目的要求。輸出波形如圖8所示。圖8 輸入信號(hào)既有增大又有減小時(shí)的情況五、結(jié)論：設(shè)計(jì)電路符

13、合技術(shù)指標(biāo)。通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的驗(yàn)證，該電路較好的完成了本次課程設(shè)計(jì)的要求。七、課設(shè)體會(huì)及合理化建議兩周的模擬與電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束了，通過(guò)這次模擬與電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我掌握了峰值檢測(cè)系統(tǒng)的原理及電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也明白了峰值檢測(cè)系統(tǒng)性能指標(biāo)測(cè)試方法，而且進(jìn)一步熟練了multisim10軟件的使用，開(kāi)始做這個(gè)課程設(shè)計(jì)的時(shí)候我對(duì)題目不是很了解，通過(guò)老師講解之后使我對(duì)題目有了詳細(xì)的了解，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到了許多的問(wèn)題，但是通過(guò)向老師和同學(xué)請(qǐng)教之后便一一解決了，有的是自己從中悟出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，使自己真的了解并學(xué)到了許多自己在理論課上學(xué)不到的東西，感覺(jué)自己很有成就感，很高興。使我學(xué)到了許多在課堂上學(xué)不到

14、的東西。但是在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中還有一些地方掌握得不是很好，還需在以后的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中多加練習(xí)和體會(huì)。作為機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)的大學(xué)生，學(xué)習(xí)并掌握電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)是很必要的。所以，只有掌握了自己所學(xué)專(zhuān)業(yè)的尖端技術(shù)并運(yùn)用自如，才能在以后的工作中立于不敗之地。合理化建議：（1）希望學(xué)校在以后多多增加類(lèi)似的課程設(shè)計(jì)，多多鍛煉我們的上機(jī)和思維動(dòng)手能力。（2）設(shè)計(jì)軟件的版本過(guò)低，部分原件在軟件中無(wú)法找到，影響設(shè)計(jì)，希望以后更新軟件的原件庫(kù)。參考文獻(xiàn)1華成英、童詩(shī)白主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）.M北京：高等教育出版社，2006年2.張福學(xué)主編.傳感器應(yīng)用及其電路精選.M北京：電子工業(yè)出版社，1992年3.尹勇、李林凌主編.Multisim電路仿真入門(mén)與介紹.M北京：科學(xué)出版社，2005年.4.閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).M北京：高等教育出版社，2006年.5.趙淑范、王憲偉主編.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).M北京：清華大學(xué)出版社,2006年.附錄I 總電路圖附錄II 元器件清單序號(hào)編號(hào)名稱(chēng)型號(hào)數(shù)量1U1、U2、U3集成運(yùn)放3288RT3 2U4集成運(yùn)放LT1055