小幅值電壓峰值檢測儀設計

賀 莉，郭 強，羅丹羽

（1.鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州450000；2.鄭州宇通客車股份有限公司，河南 鄭州450000）

1 引言

近年來，隨著工業控制自動化程度不斷提高和非電量測試技術飛速發展，峰值是動態信號測量中的重要測量對象，對沖擊信號的測量更顯重要。在生產實際中，許多非電的或電的動態信號的峰值需測量。在科研、生產各個領域都會用到峰值檢測設備，例如檢測建筑物的最大承受力，檢測鋼絲允許的最大拉力，水流的瞬時最大流量，電力系統中短時電流沖擊，心電圖的心電信號的檢測等。準確的測量峰值有著重要的意義[1]。近年來，隨著自動化水平的不斷提高，測試測量技術得到了巨大的進步。然而，在“中國制造2025”和“互聯網+”的時代背景下，自動化技術和信息化技術更加深度地融合，因而需要更加具備“智慧”的測試測量技術來輔助科研、生產和制造領域發展。面對中國當前測量儀器和分析儀器的現狀，尤其在用于科學研究和設計驗證的高精度測量儀器的核心芯片和關鍵器件上，與國外同類產品還存在不少差距，趕上并超過國外同類產品還需要走相當長的道路。

而在實際工作中，信號波形可能會從幾毫伏到十幾伏大小不等，如何檢測小信號波形峰值具有重要意義。本文針對這個問題，給出了一種基于定時器來檢測微弱信號電壓幅值的檢測電路，該電路為可達毫伏數量級的小信號峰值檢測的電路[2]。

2 設計思路

考慮到輸入電壓信號比較小，所以在采樣前對信號進行適當放大，這樣更方便于信號的采樣和保持[3]，能提高采集到的信號的穩定性，然后把采集來的峰值電壓進行模擬信號到數字信號轉換，在實現模擬信號到數字信號的轉換時，沒有采用特定功能的D/A轉換芯片，而是利用一個電壓比較器和外圍觸發電路來實現。通過數字電路對轉換后的數字信號進行計數，最后鎖存、顯示。

3 電路實現

3.1 前置多級放大電路

在設計前置放大電路時，通過兩級放大對信號進行100倍放大，使電壓達到伏級，便于后續電路進行信號的采集和保持。采用多級放大可以避免一次放大倍數過大，產生較大的誤差，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，電路中僅用一個運算放大器就能完成對輸入信號波形的峰值電壓的保持。在電壓上升至峰值期間，D1導通使C1充電跟隨達到峰值，D2起到電壓跟隨器的作用，判斷電壓峰值點。峰值過后由于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 數字電路部分

首先通過電容C2的充放電來進行電壓的比較和脈沖計數，來實現模擬量向數字量的轉換，R3、R4用來調節輸入口電流的大小，限制電流過大。TLC2272實現電壓的比較，構成電壓比較電路。CD40106用來轉換TLC2272輸出口電平高、低，實現對后續電路的計數和控制。

利用兩個40106BD（施密特觸發器）構成一個脈沖發生電路，由以上兩部分共同完成了電壓信號從模擬信號到數字信號的轉換，而沒有采用特定功能的D/A轉換芯片。同時這兩部分的作用也在于控制后續的計數和分頻電路部分。

隨后為配合前端電路，計數器一次完成計數，把數據傳送給鎖存器后清零，鎖存器得到數據后使能鎖存控制，本設計采用74LS390雙十進制計數器搭建一個兩千分頻的分頻器來提供計數部分清零和鎖存部分使能的判斷信號。

計數與鎖存電路部分，是利用一片74LS160帶使能端的十進制計數器和一片74LS390雙十進制計數器構成一個三位的十進制計數器，用高位的進位來直接接入74ls74D觸發器來實現三位半的半位計數。鎖存電路采用雙向D觸發器74ls273來實現對計數器傳送來的數據的鎖存，為了避免鎖存器鎖存數據前計數器就產生清零動作，采用了兩個40106BD來實現觸發信號的延時，目的在于使計數器的清零信號滯后與鎖存器的鎖存信號。

驅動和顯示電路部分采用具有內拉電阻的74LS48來實現，顯示管采用的是共陰極電路。讀數時從下向上依次是百位、十位、個位、小數點后一位。整個數字部分電路的實現如圖2所示。

圖2 模數轉化和顯示整體電路

4 結論

在前端設計短路中，如果是先進性信號的采集和保持，會出現小電壓信號無法進行測量的現象，還會出現與后續電路相連接時，該段電路的電壓會受后面TLC2272的影響，使電壓出現被下拉的現象。因此在實際設計時一定要先放大信號，然后再進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，這樣就使測量時只能對一定頻率的信號進行檢測，如果高于該段頻率會出現測量轉換頻率過快，顯示跳動的現象，如果低于該段頻率就會出現很明顯的充電過程，降低了測量的速度。這個問題可以通過并聯多個電容，改變適應頻率段的方法，來手動或自動切換電容大小。在后續顯示電路中由于TLC2272周圍電路設計上所選電阻不合理，比較輸出信號會出現毛刺現象，可以通過改變R3、R4的比例關系來進行調整，最好是將其中的R3改用為變阻器，可以進行手動調節，減小誤差的產生。

同時在實際系統中刷新頻率過快，使得顯示數字有閃動的現象，可以通過改變對應的分頻器來實現穩定顯示。

在設計中會出現74LS390清零端空接的問題，會使分頻器不能工作，可以讓清零端接地。