1、苏 州 市 职 业 大 学课 程 设 计 说 明 书名称 峰值检波器电路的设计 2012 年 6 月 4 日至 2012 年 6 月 8 日共 1 周院 系： 电子信息工程系 班 级： 姓 名： 学 号： 系 主 任 教研室主任 指 导 教 师 1目录第一章 绪论 .2第二章 系统设计方案 52.1 工作原理图 .52.2 元器件清单 .5第三章 主要元件介绍 63.1 LF39863.1.1 主要性能 .63.1.2 引脚图和引脚名称 .73.1.3 功能框图 .73.1.4 极限参数 .73.1.5 推荐工作状态（如下表） .73.2 LM311 93.3 稳压二极管 .11第四章 峰值检
2、波器的测试及性能指标 .154.1 峰值测量精度 15第五章 系统分析 .165.1 系统的测量范围 165.2 系统的测量精度 165.3 误差来源 165.4 系统调试注意事项 165.5 系统设计存在的不足 18第六章 实验总结 .192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。最简单的检波器仅需要一个二极管就可以完成，这种二极管就被称做检波二极管。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
3、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。 包络检波器 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。 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 (
4、t)增大;在 t2tt3 时间内,u a(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)。3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。 同步检波器 图
5、 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)U mcos( ct mt),其中 c 为载波信号角频率, m 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)U ccos ct,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。u 0(t)中包括两项，一项为高频项 (2 c+ m),另一项为低频项( m)。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。u c(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，
6、但是它的电路比较复杂。随着电子技术的进步，这种解调方法的应用日益广泛。峰值检波器 在电子设备中，常要求对信号的峰值进行检波：如大动态范围的正弦信号经对数压缩后，为了得到反映正弦信号的有效值，就不能用一般的平均值或有效值检波器，而只能用峰值检波器。峰值检波器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。1. 当 ViVo 时：4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一电压跟随器）2. 当 ViVo 时：OPA 的
7、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。 上述电路只能工作一次，所以我们要能够控制电容 C 的放电过程，使得这个电路可以重复地工作。同时在电路中加入一定的保护措施以及加入阻抗匹配的电路（比如跟随器等） ，以提高电路的带负载能力。5第二章 系统设计方案2.1 工作原理图2.2 元器件清单元件名称 元件个数 功能 注释LF398N 1 采样保持芯片 DIP 封装LM311 1 电压比较器 DIP 封装电阻 24K 1电阻 15K 1电阻 30K 1电阻 5.1K 1可调电阻 1K 15V 稳压二极管（2CW12） 1钽电容 0.1uf 1DIP
8、插座 2 双列直插插座面包板 5*5cm 16第三章 主要元件介绍3.1 LF398LF398 是一种反馈型采样/保持放大器，也是目前较为流行的通用型采样/ 保持放大器，与 LF398 结构相同的还有 LF198、LF298 等，都是由场效应管构成，具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。LF398 由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。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。控制电路中 A3 主要起到比较器的作用；其中引脚 7 为参考电压，当输入控制逻辑电平高于参考端电压时，输出一个低电平，信号驱动开关 K 闭合，
9、此时输入信号经 A1 后跟随输出到 A2，再由 A2 的输出端跟随输出，同时向保持电容（接引脚 6 端）充电；而当控制逻辑电平低于参考端电压时，输出一个高电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的。因此，A1、A2 是跟随器，其作用主要是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持放大器的性能。3.1.1 主要性能 反馈型采样/保持放大器； 双极型-结型场效应管工艺制造； 片内无保持电容； 在采样或保持状态具有高电源抑制性能； 低输入漂移，保持状态下输入特性不变； 可与 TTL、PMOS 、CMOS 兼容； 双电源供电，电源范围宽； 采样时间（10V 级，到 0.
10、01%） ；20us； 增益误差：0.01%； 下降率：3mV/s(typ)； 失调电压：7mV； 保持电容：0.01uf。图 573.1.2 引脚图和引脚名称LF398 引脚图及引脚名称如图。和分别为 VCC 和 VEE 电源电压输入引脚。电源电压范围为5V15V。为偏置调零引脚。当输入 Vi=0，且在逻辑输入为 1 采样时，可调节使Vo=0。为模拟量输入引脚。为输出引脚。为接采样保持电容的引脚。为参考电压输入引脚（接地） 。为逻辑输入控制引脚。该引脚电平为“1”时采样，为“0”时保持。3.1.3 功能框图LF398 功能框图如下图所示当 8 端为“1”时，使 LF398 内部开关闭合，此时
11、 A1 和 A2 构成 1：1 的电压跟随器，所以，V o = 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。3.1.4 极限参数 正电源电压：+19V； 负电源电压：-19V； 正电源电流：+6mA；8 负电源电流：-6mA； 贮存温度：-65+150；3.1.5 推荐工作状态（如下表）参数名称 符号 最小值 典型值 最大值 单位正电源电压 V+ +5 +15 +18 V负电源电压 V- -5 -15 -18 V正电源电流 I+ +4.5 mA负电源电流 I- -4.5 mA输入电压 VIN -11.5 +11.5 V保持电容 CH 0.01 uF工作温度 T
12、A 0 70 93.2 LM3113.2.1 LM311 的电气特性Parameter 参数 Conditions 测试条件 Min 最小 Typ 典型 Max 最大 Units 单位Input Offset Voltage输入偏移电压（注16）TA=25RS50k 2.0 7.5 mVInput Offset Current输入失调电流（注16）TA=25 6.0 50 nAInput Bias Current 输入偏置电流 TA=25 100 250 nAVoltage Gain 电压增益 TA=25 40 200 V/mVResponse Time (Note 17)响应时间（注 17）
13、TA=25 200 nsSaturation Voltage饱和电压VIN10 mVIOUT=50 mATA=250.75 1.5 VStrobe ON Current (Note 18) TA=25 2.0 5.0 mAOutput Leakage Current输出漏电流VIN10 mVVOUT=35V TA=25ISTROBE=3 mAV = 5V0.2 50 nAInput Offset Voltage 输入偏移电压（注16）RS50K 10 mVInput Offset Current 输入失调电流（注16）70 nAInput Bias Current 输入偏置电流 300 nAI
14、nput Voltage Range 输入电压范围 14.5 13.8,-14.7 13.0 VSaturation Voltage 饱和电压V+4.5VV=0 VIN10 mV 0.23 0.4 V10IOUT8mA3.2.2LM311 的引脚图及其功能1. LM311LM311 是一种高灵活性的电压比较器，能工作于 5 到 30V 单个电源或15V分离电源。该设备的输入可以是与系统地隔离的，而输出则可以驱动以地为参考或以 VCC 为参考，或以 VEE 电源为参考的负载。LM311 为集电极开路输出,使用时应在输出端与正电源之间连接负载电阻。下图是该器件的引脚图。引脚图图 6 LM311 双
15、列 8 引脚图引脚功能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NC 空脚113.2.3 LM311 内部电路图图 8 LM311 内部电路图3.3 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
16、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12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。3.3.1 管的伏安特性稳压二极管(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
17、器或电压基准元件使用.其伏安特性见图 9 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.3.3.2 稳压管的应用1.浪涌保护电路(如图 10):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 102、电视机里的过压保护电路(如图 11):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
18、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 113、电弧抑制电路如图 12 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 124、串联型稳压电路(如图 13):在此电路中,串联稳压管 BG 的基极被稳压二极管 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 13143.3.3 稳压二极管的参
19、数（1）稳定电压 （2）电压温度系数（3）动态电阻（4）稳定电流 ，最大、最小稳定电流（5）最大允许功耗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
20、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 18;工作电流为 1OmA 时， Rz 为 8; 为 20mA 时，Rz为 2 ; 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 60mWo 5.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 1C，其稳压值将升高 0
21、.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1、测量交流信号：分别输入 80KHZ 有效值为 0.5V、1.0V 、1.5V 、2.0V、的正弦波，测量输出电压，并计算误差。表 1 交流信号测量表输入信号电压 iu（V）输入信号峰值 1pu(V)检测信号峰值 2pu（V）相对误差 %10*2pu2、测量具有直流分量的交流信号：输入 80KHZ、幅度为 2V 的正弦波，直流分量分别为 1.0V，测量输出电压，
22、并计算误差。表 2 交直流信号测量表输入信号直流分量（V）输入信号峰值 1pu(V)检测信号峰值 2pu(V)相对误差 %10*2pu16第五章 系统分析5.1 系统的测量范围频率测量范围即有效频率范围，是指能保证仪器其他指标正常工作的输入信号或输出信号的频率范围。常规的单片机测频系统频率测量范围小于 500kHz。5.2 系统的测量精度测量都是对“真实” 值的大致估计，也就是说测量的数值总是和“真实” 值有一定的误差，那么这样一个误差的大小就是通常所说的测量精度，它反映了测量仪器系统所能真实还原测量信号值的能力。测量误差的来源是多方面的，对于测量设备而言，除了 ADC 本身的各种误差因素外，
23、前端的信号调理和整个板卡的布局都会影响到总的测量精度；此外，测量精度还受到众多外部因素的影响，如环境的噪声、工作温度等。因此，在评测一个仪器系统的测量精度时，除了 ADC 的位数，还应该考虑设备的绝对精度值（多种误差因素的综合值） ，以及系统工作在真实环境中遇到的温度、噪声及其他外部因素的影响。5.3 误差来源系统误差定义：在规定测量条件下，对同一量进行多次测量时，如果测量误差能够保持恒定或按照某种规律变化，则这种误差成为系统误差或确定性误差，简称为系差。如电表零点不准，温度、湿度、电源电压变化等引起的误差、 ，测量误差分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。产生误差的原因有很多，例如仪器误差、
24、使用误差、人身误差、环境误差、方法误差等。175.4 系统调试注意事项(1) 示波管示波管是示波器的主件，是一个呈喇叭形抽成真空的玻璃泡，如图 124 所示，内部装。有电子枪和二对互相垂直的偏转板，喇叭口的球面内壁上涂有荧光物质，构成荧光屏。（2）频率设置按电压/频率/ 相位切换按钮切换显示器为频率显示（KHz 指示灯亮）；按设置按钮，进入频率设置状态，此时频率显示最高位开始闪烁；按位选择按钮，改变闪烁位到所需步长；按调节按钮，改变频率，如果闪烁在 100.000KHz 位，则频率增加或减少，其余类推；再次按设置按钮，退出频率设置状态；电子枪由灯丝 f 、阴极 k 、栅极 G 以及一组阳极 A
25、 所组成。灯丝通过炽热，使阴极发热而发射电子。由于阳极电位高于阴极，所以电子被阳极加速，当高速电子撞击在荧光屏的壁上会使荧光物质发光，在屏上就能看到一个亮点改变阳极电位，可以使不同发射方向的电子恰好会聚在荧光屏的某一点上，这种调节称为聚焦。栅极的电位较阴极 k 为低，改变栅极电位的高低，可以控制电子枪发射电子数的多少，使荧光屏上的亮点发生明暗变化，这种调节称为辉度调节。两对偏转板的作用是用来控制亮点在荧光屏上的位置的，Y 轴偏转板加上信号电压可以控制电子束的纵向偏转，X 轴偏转板加上电压可控制电子束的横向偏转。在一定范围内，光点偏离荧光屏中心的距离与偏转板上所加电压的大小成正比（3）电压设置按
26、电压/频率/ 相位切换按钮切换显示器为电压显示（V 指示灯亮）；按设置按钮，进入电压设置状态，此时电压显示最高位开始闪烁；按位选择按钮，改变闪烁位到所需步长；18按调节按钮，修改电压；再次按设置按钮，退出电压设置状态；设置/显示的电压为波形峰值电压，调节范围为 0.02V5.00V，电压精度优于 10。注意：输出波形为正弦波时，显示为有效电压修改步长为最前面各步长的0. 707 倍。此外还要注意的有1接入电源前，要检查电源电压和仪器规定的使用电压是否相符。2各旋钮转动时切忌用力过猛。3为了保护荧光屏不被灼伤，使用时，亮度不能太强，而且也不能让光点长时间停在荧光屏的一点上。4示波器应聚焦良好。5
27、.5 系统设计存在的不足首先，在电路板布局中，有可能存着设计的不足，它的整体搭接会影响最终的效果；其次，元器件的功能不足，如此次的电容没有达到理想中的要求；最后，在调试过程中，对电子仪器的不熟悉，会导致使用不完善等.19第六章 实验总结经过一个星期的努力，我们终于完成了本次的课程设计，峰值检波电路的设计，通过这次的课程设计，我懂得了许多道理。首先，一定要有耐心。在课程设计的过程中，经常会遇到许多问题，例如电路应该怎样设计，不能实现功能时应该怎样去调试等等。这个过程是最难的，也是最耗费时间的，所以当调试不出时一定要有耐心，千万不能因为调试不出来而放弃，要坚持到底。其次，团队合作也是很重要的。电子实习，是以学生自己动手动脑，并亲手设计、制作、组装与调试为特色的。它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神， 。作为信息时代的大学生，仅会书本理论是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。通过本次课程设计，让我知道理论与实际相结合是非常重要的。只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从实践中得出结论，才能提高自己的动手能力和独立思考的时间。在设计的过程中发现了自己的不足，对以前所学知识掌握的不够深刻，掌握的不牢固。 参考文献20电子测量仪器与应用（第二版） 编辑：李明生电子测量原理及应用 编辑：王松武电子测量仪器 编辑：吴生有
