小幅值電壓峰值檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

賀 莉，郭 強(qiáng)，羅丹羽

（1.鄭州電力高等專(zhuān)科學(xué)校，河南 鄭州450000；2.鄭州宇通客車(chē)股份有限公司，河南 鄭州450000）

1 引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)控制自動(dòng)化程度不斷提高和非電量測(cè)試技術(shù)飛速發(fā)展，峰值是動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量中的重要測(cè)量對(duì)象，對(duì)沖擊信號(hào)的測(cè)量更顯重要。在生產(chǎn)實(shí)際中，許多非電的或電的動(dòng)態(tài)信號(hào)的峰值需測(cè)量。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)鋼絲允許的最大拉力，水流的瞬時(shí)最大流量，電力系統(tǒng)中短時(shí)電流沖擊，心電圖的心電信號(hào)的檢測(cè)等。準(zhǔn)確的測(cè)量峰值有著重要的意義[1]。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，測(cè)試測(cè)量技術(shù)得到了巨大的進(jìn)步。然而，在“中國(guó)制造2025”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景下，自動(dòng)化技術(shù)和信息化技術(shù)更加深度地融合，因而需要更加具備“智慧”的測(cè)試測(cè)量技術(shù)來(lái)輔助科研、生產(chǎn)和制造領(lǐng)域發(fā)展。面對(duì)中國(guó)當(dāng)前測(cè)量?jī)x器和分析儀器的現(xiàn)狀，尤其在用于科學(xué)研究和設(shè)計(jì)驗(yàn)證的高精度測(cè)量?jī)x器的核心芯片和關(guān)鍵器件上，與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品還存在不少差距，趕上并超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品還需要走相當(dāng)長(zhǎng)的道路。

而在實(shí)際工作中，信號(hào)波形可能會(huì)從幾毫伏到十幾伏大小不等，如何檢測(cè)小信號(hào)波形峰值具有重要意義。本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，給出了一種基于定時(shí)器來(lái)檢測(cè)微弱信號(hào)電壓幅值的檢測(cè)電路，該電路為可達(dá)毫伏數(shù)量級(jí)的小信號(hào)峰值檢測(cè)的電路[2]。

2 設(shè)計(jì)思路

考慮到輸入電壓信號(hào)比較小，所以在采樣前對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大，這樣更方便于信號(hào)的采樣和保持[3]，能提高采集到的信號(hào)的穩(wěn)定性，然后把采集來(lái)的峰值電壓進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，在實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)，沒(méi)有采用特定功能的D/A轉(zhuǎn)換芯片，而是利用一個(gè)電壓比較器和外圍觸發(fā)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)數(shù)字電路對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，最后鎖存、顯示。

3 電路實(shí)現(xiàn)

3.1 前置多級(jí)放大電路

在設(shè)計(jì)前置放大電路時(shí)，通過(guò)兩級(jí)放大對(duì)信號(hào)進(jìn)行100倍放大，使電壓達(dá)到伏級(jí)，便于后續(xù)電路進(jìn)行信號(hào)的采集和保持。采用多級(jí)放大可以避免一次放大倍數(shù)過(guò)大，產(chǎn)生較大的誤差，電路原理如圖1所示。

3.2 采樣保持電路

在采樣保持電路中，電路中僅用一個(gè)運(yùn)算放大器就能完成對(duì)輸入信號(hào)波形的峰值電壓的保持。在電壓上升至峰值期間，D1導(dǎo)通使C1充電跟隨達(dá)到峰值，D2起到電壓跟隨器的作用，判斷電壓峰值點(diǎn)。峰值過(guò)后由于R4的限流作用，C1放電微乎其微，到下一次峰值再度充電，期間維持峰值電壓輸出。1Ω電阻用于防止電流沖擊。

3.3 數(shù)字電路部分

首先通過(guò)電容C2的充放電來(lái)進(jìn)行電壓的比較和脈沖計(jì)數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，R3、R4用來(lái)調(diào)節(jié)輸入口電流的大小，限制電流過(guò)大。TLC2272實(shí)現(xiàn)電壓的比較，構(gòu)成電壓比較電路。CD40106用來(lái)轉(zhuǎn)換TLC2272輸出口電平高、低，實(shí)現(xiàn)對(duì)后續(xù)電路的計(jì)數(shù)和控制。

利用兩個(gè)40106BD（施密特觸發(fā)器）構(gòu)成一個(gè)脈沖發(fā)生電路，由以上兩部分共同完成了電壓信號(hào)從模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，而沒(méi)有采用特定功能的D/A轉(zhuǎn)換芯片。同時(shí)這兩部分的作用也在于控制后續(xù)的計(jì)數(shù)和分頻電路部分。

隨后為配合前端電路，計(jì)數(shù)器一次完成計(jì)數(shù)，把數(shù)據(jù)傳送給鎖存器后清零，鎖存器得到數(shù)據(jù)后使能鎖存控制，本設(shè)計(jì)采用74LS390雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器搭建一個(gè)兩千分頻的分頻器來(lái)提供計(jì)數(shù)部分清零和鎖存部分使能的判斷信號(hào)。

計(jì)數(shù)與鎖存電路部分，是利用一片74LS160帶使能端的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一片74LS390雙十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成一個(gè)三位的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用高位的進(jìn)位來(lái)直接接入74ls74D觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)三位半的半位計(jì)數(shù)。鎖存電路采用雙向D觸發(fā)器74ls273來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器傳送來(lái)的數(shù)據(jù)的鎖存，為了避免鎖存器鎖存數(shù)據(jù)前計(jì)數(shù)器就產(chǎn)生清零動(dòng)作，采用了兩個(gè)40106BD來(lái)實(shí)現(xiàn)觸發(fā)信號(hào)的延時(shí)，目的在于使計(jì)數(shù)器的清零信號(hào)滯后與鎖存器的鎖存信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)和顯示電路部分采用具有內(nèi)拉電阻的74LS48來(lái)實(shí)現(xiàn)，顯示管采用的是共陰極電路。讀數(shù)時(shí)從下向上依次是百位、十位、個(gè)位、小數(shù)點(diǎn)后一位。整個(gè)數(shù)字部分電路的實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)化和顯示整體電路

4 結(jié)論

在前端設(shè)計(jì)短路中，如果是先進(jìn)性信號(hào)的采集和保持，會(huì)出現(xiàn)小電壓信號(hào)無(wú)法進(jìn)行測(cè)量的現(xiàn)象，還會(huì)出現(xiàn)與后續(xù)電路相連接時(shí)，該段電路的電壓會(huì)受后面TLC2272的影響，使電壓出現(xiàn)被下拉的現(xiàn)象。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)一定要先放大信號(hào)，然后再進(jìn)行峰值的采集和保持。其次，由于采取的電容為10 uF不可變電容，這樣就使測(cè)量時(shí)只能對(duì)一定頻率的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，如果高于該段頻率會(huì)出現(xiàn)測(cè)量轉(zhuǎn)換頻率過(guò)快，顯示跳動(dòng)的現(xiàn)象，如果低于該段頻率就會(huì)出現(xiàn)很明顯的充電過(guò)程，降低了測(cè)量的速度。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)并聯(lián)多個(gè)電容，改變適應(yīng)頻率段的方法，來(lái)手動(dòng)或自動(dòng)切換電容大小。在后續(xù)顯示電路中由于TLC2272周?chē)娐吩O(shè)計(jì)上所選電阻不合理，比較輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象，可以通過(guò)改變R3、R4的比例關(guān)系來(lái)進(jìn)行調(diào)整，最好是將其中的R3改用為變阻器，可以進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，減小誤差的產(chǎn)生。

同時(shí)在實(shí)際系統(tǒng)中刷新頻率過(guò)快，使得顯示數(shù)字有閃動(dòng)的現(xiàn)象，可以通過(guò)改變對(duì)應(yīng)的分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定顯示。

在設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)74LS390清零端空接的問(wèn)題，會(huì)使分頻器不能工作，可以讓清零端接地。