CN106888006A - 信号峰值检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种信号峰值检测装置，包括：信号放大电路、信号极值保持电路、同步信号生成电路和控制器；信号放大电路的输出端分别连接信号极值保持电路和同步信号生成电路的输入端；信号极值保持电路和同步信号生成电路的输出端连接控制器的输入端；信号极值保持电路采集经信号放大电路放大后的输入信号中的峰值信号；同步信号生成电路产生与峰值信号同步的同步信号；控制器根据同步信号和峰值信号调整信号极值保持电路的采样参数。由于控制器利用同步信号和峰值信号可以调整信号极值保持电路的采样速率和采样位置，从而该信号峰值检测装置能够适用于不同信号频率和波形。

Description

信号峰值检测装置
技术领域
本发明涉及信号检测领域，特别是涉及一种信号峰值检测装置。
背景技术
峰值检测是电子测量、自动化仪表及其它相关技术领域常会遇见的问题，峰值反映信号极为重要的方面。
现有信号峰值检测电路由简单的二极管或超级二极管组成，二极管有正向导通电压降所以存在检测误差，超级二极管存在极性转换时间会出现信号失真，因此，现有的信号峰值检测电路不能很好的用于不同信号频率和波形的信号的峰值检测。
发明内容
基于此，有必要提供一种适用范围广的信号峰值检测装置。
一种信号峰值检测装置，包括：信号放大电路、信号极值保持电路、同步信号生成电路和控制器；
所述信号放大电路的输出端分别连接所述信号极值保持电路的输入端和所述同步信号生成电路的输入端；所述信号极值保持电路的输出端和所述同步信号生成电路的输出端连接所述控制器的输入端；
所述信号极值保持电路采集输入信号中的峰值信号；所述同步信号生成电路产生与所述峰值信号同步的同步信号；所述控制器根据所述同步信号和所述峰值信号调整所述信号极值保持电路的采样参数。上述的信号峰值检测装置，信号放大电路的输出端分别连接信号极值保持电路和同步信号生成电路的输入端，信号极值保持电路和同步信号生成电路的输出端连接控制器的输入端，信号极值保持电路采集经信号放大电路放大后的输入信号中的峰值信号；同步信号生成电路产生与峰值信号同步的同步信号；控制器根据同步信号和峰值信号调整信号极值保持电路的采样参数。由于控制器利用同步信号和峰值信号可以调整信号极值保持电路的采样速率和采样位置，从而该信号峰值检测装置能够适用于不同信号频率和波形。
附图说明
图1为一个实施例的信号峰值检测装置的结构示意图；
图2为一个实施例中信号峰值检测装置的信号放大电路的电路原理图；
图3为一个实施例中信号峰值检测装置的信号极值保持电路的电路原理图；
图4为另一个实施例的信号峰值检测装置的结构示意图；
图5为一个实施例中信号峰值检测装置的泄放电路的电路原理图；
图6为一个实施例中同步信号生成装置的电路原理图。
具体实施方式
一种信号峰值检测装置，如图1所示，包括：信号放大电路101、信号极值保持电路102、同步信号生成电路103和控制器104。
信号放大电路101的输出端分别连接信号极值保持电路102和同步信号生成电路103的输入端；信号极值保持电路102和同步信号生成电路103的输出端连接控制器104的输入端。
信号极值保持电路102采集经信号放大电路101放大后的输入信号中的峰值信号；同步信号生成电路103产生与峰值信号同步的同步信号；控制器104根据同步信号和峰值信号调整信号极值保持电路102的采样参数。
具体地，采样参数包括采样速率和采样位置。本实施例中的控制器为基于FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)的控制器。
上述的信号峰值检测装置，信号放大电路的输出端分别连接信号极值保持电路和同步信号生成电路的输入端，信号极值保持电路和同步信号生成电路的输出端连接控制器的输入端，信号极值保持电路采集经信号放大电路放大后的输入信号中的峰值信号；同步信号生成电路产生与峰值信号同步的同步信号；控制器根据同步信号和峰值信号调整信号极值保持电路的采样参数。由于控制器利用同步信号和峰值信号可以调整信号极值保持电路的采样速率和采样位置，从而该信号峰值检测装置能够适用于不同信号频率和波形。
信号放大电路的电路原理图如图2所示，信号放大电路101包括第一运算放大器OP1和第一电阻R1，第一运算放大器OP1的同向输入端用于接入输入信号，其输出端与其反向输入端之间相短接后连接第一电阻。第一运算放大器OP1用于对输入信号进行功率放大。
信号极值保持电路的电路原理图如图3所示，信号极值保持电路包括第二运算放大器OP2、单极信号导通选择电路301和第一电容C1。
信号放大电路101的输出端与第二运算放大器OP2的同向输入端连接，第二运算放大器OP2的反向输入端和输出端与单极性号导通选择电路301的输入端连接，单极性号导通选择电路301的输出端与第一电容C1的第一端连接，第一电容C1的第二端接地；单极性号导通选择电路301在其输入端电压大于其输出端电压时导通。
单极性号导通选择电路301的输出端与第一电容C1的第一端连接，其输出端的电压等于第一电容的电压。初次接入输入信号时，单极性号导通选择电路301的输入端电压大于其输出端电压，第一电容存储输入信号的电荷。单极性号导通选择电路301在其输入端电压大于其输出端电压时才导通，并且，第一电容C1存储更高的电荷电位。若单极性号导通选择电路301的输入端电压不大于其输出端电压，则单极性号导通选择电路301不导通，电荷电位保持以前水平不变。
具体地，单极信号导通选择电路301包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第二电阻R2、第三电阻R3和第二电容C2。第一二极管D1的正极、第二电容C2的第一端、第二电阻R2的第一端分别与第二运算放大器的反向输入端连接；第一二极管D1的负极和第二电容C2的第二端分别与第二运算放大器的输出端连接后与第二二极管D2的正极连接；第二二极管D2的负极分别与第三二极管D3的正极、第三电阻R3的第一端连接；第三电阻R3的第二端与第二电阻R2的第二端连接；第三二极管D3负极与第二电容C2的第一端连接。运算放大器OP2与第一二极管D1和第二电容C2利用集成运放高差模增益与第一二极管D1的单向导电特性，构成对微小幅值电压整流电路，对输入到第二运算放大器的信号进行半波整流；第二二极管D2与第二电阻R2和第三电阻R3利用运放高开环增益的特性消除二极管的固有截止电压；信号通过本电路中的微小幅值电压整流电路与固有截止电压消除电路串联后与第三二极管D3组成单向导通选择电路301。
单极性信号导通选择电路301，将信号进行正极性检波处理。检测后的输出信号与第一电容C1的第一端，即正极性端连接。通过单极性号导通选择电路301进行检测处理后的信号即为峰值信号。
请继续参阅图3，信号极值保持电路还包括第三运算放大器OP3，第三运算放大器OP3的同向输入端与单极性号导通选择电路301的输出端和第一电容C1的第一端连接，第三运算放大器OP3的输出端与其反向输入端短接。具体的，第三运算放大器的同向输入端与第三二极管D3的负极和第一电容C1的正极(第一端)连接，第三运算放大器OP3对峰值信号进行功率放大处理。
请继续参阅图3，信号极值保持电路还包括钳位保护电路302。钳位保护电路302包括第四电阻R4和第四二极管D4；第四电阻R4的第一端与第三运算放大器OP3的反向输入端和输出端连接；第四电阻R4的第二端分别与第四二极管D4的正极和控制器104连接；第四二极管D4的负极接入工作电压。当钳位保护电路302的输入信号高于钳位保护电平工作电压时，第四二极管D4会导通使钳位保护电路302的输出电压限定在工作电压加第四二极管正向导能压降的范围内，以防止输出信号超过后级电路的最大范围。
经第三运算放大器OP3放大后的峰值信号经由第四电阻R4和第四二极管D4组成的钳位保护电路302后，将当前周期内的最高电荷水平(对应峰值信号)输出到控制器104。
在另一个实施例中，如图4所示，信号峰值检测装置还包括泄放电路105，泄放电路105的输入端与控制器连接，泄放电路的输出端与信号极值保持电路连接。控制器104根据同步信号生成电路的同步信号对泄放电路105进行控制。当控制器104采集到同步信号后，向泄放电路105发出控制信号，泄放电路105进行电荷泄放。
泄放电路的电路原理图如图5所示，泄放电路包括第三电容C3、第五电阻R5和场效应管Q1；第三电容C3的第一端与信号极值保持电路102的输出端和场效应管Q1的源极连接；第三电容C3的第二端接地；场效应管Q1的漏极与第五电阻R5的第一端连接，第五电阻R5的第二端接地；场效应管Q1的栅极通过第六电阻R6与控制器104的输出端连接。当泄放电路105的输入端的信号有效时场效应管Q1导通，等效电阻为最低，第三电容C3上的电荷通过场效应管Q1与第五电阻R5串联后通过地构成回路进行放电，放电时间由第五电阻R5的参数决定。
在又一个实施例中，同步信号生成装置的电路原理图如图6所示，包括门坎电压输出电路601、差分电路603、第一镜向电流源电路602、第二镜向电流源电路604、第一晶体管T1、第二晶体管T2、第三晶体管T3、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9和第五二极管D5。
第一镜向电流源电路602和第二镜向电流源电路604与差分电路603连接，分别为差分电路603提供第一静态工作点和第二静态工作点，使差分电路603工作在合适的线性区。
第七电阻R7的第一端与信号放大器的输出端连接，第七电阻R7的第二端与第一晶体管T1的基极连接；第一晶体管T1的发射极与差分电路602的第一输入端连接；门坎电压输出电路601的输出端与第八电阻R8的第一端连接，第八电阻R8的第二端以及第五二极管D5的正极与第二晶体管T2的基极连接，第二晶体管T2的发射极以及第五二极管D5的负极与差分电路603的第二输入端连接；第二晶体管T2的集电极接地；差分电路603的输出端与第三晶体管T3的基极连接，第三晶体管T3的发射极接地，第三晶体管T3的集电极连接第九电阻R9的第一端和控制器；第九电阻R9的第二端连接电源端。
经过放大电路的输入信号经第七电阻R7、第一晶体管T1，由第一晶体管T1放大处理后，输入到差分电路603的第一输入端，门坎电压输出电路601连接到差分电路603的第二输入端，差分电路603对输入信号的电压与门坎电压输出电路的门限电压进行减法，其差值由第三晶体管T3和第九电阻R9输出至控制器104。
具体的，门坎电压输出电路包括第四晶体管T4、第五晶体管T5、第六晶体管T6、第十电阻R10、第十一电阻R11、第十二电阻R12和第十三电阻R13。第十电阻R10的第一端、第十一电阻R11的第一端、第六晶体管T6的集电极连接电源端；第四晶体管T4的集电极与第五晶体管T5的基极连接，第四晶体管T4的基极与第五晶体管T5的基极连接，第五晶体管T5的集电极与第六晶体管T6的基极连接，第五晶体管T5的发射极与第十二电阻R12的第一端连接，第四晶体管T4的发射极、第十二电阻R12的另一端以及第六晶体管T6的发射极与第八电阻的第一端以及第十三电阻R13的第一端连接；第十三电阻R13的第二端接地。门坎电压输出电路利用晶体管PN结的固有温度特性与第五晶体管T5、第六晶体管T6以及相关第十电阻R10、第十一电阻R11和第十二电阻R12产生高稳定度的电流，经过第十三电阻R13转换为门坎电压信号输出。
具体地，差分电路包括第七晶体管T7、第八晶体管T8和第六二极管D6；第七晶体管T7和第八晶体管T8的发射极连接；第六二极管D6的负极与第八晶体管T8的基极连接，第六二极管D6为差分电路603中的第八晶体管T8提供偏置电压。
第一镜向电流源电路602包括第九晶体管T9、第十晶体管T10和第十一晶体管T11、第十二晶体管T12和第十四电阻R14；第九晶体管T9的发射极、第十晶体管T10的发射极、第十一晶体管T11的发射极和第十二晶体管T12的发射极连接电源端；第九晶体管T9的基极与第十晶体管T10的基极、第十一晶体管T11的基极以及第十二晶体管T12的基极连接；第九晶体管T9的集电极与第一晶体管T1的发射极、第七晶体管T7的基极连接；第十晶体管T10的集电极与第十四电阻R14的第一端、第九晶体管T9的基极、第十晶体管T10的基极、第十一晶体管T11的基极以及第十二晶体管T12的基极连接；第十二晶体管T12的集电极与差分电路603的第六二极管D6的正极连接；第十四电阻R14的第二端接地；第十一晶体管T11的集电极与第七晶体管T7的发射极、第八晶体管T8的发射极连接。
第七晶体管T7的基极还与第一晶体管T1的发射极连接。
第二镜向电流源电路包括第十三晶体管T13、第十四晶体管T14、第十五电阻R15和第十六电阻R16；第十三晶体管T13的集电极与第七晶体管T7的集电极连接；第十三晶体管T13的发射极与第十五电阻R15的一端连接；第十五电阻R15的另一端接地；第十三晶体管T13的基极与第十四晶体管T14的基极连接；第十四晶体管T14的发射极与第十六电阻R16的第一端连接，第十六电阻R16的第二端接地；第十四晶体管T14的集电极与第八晶体管T8的集电极、第十三晶体管T13的基极以及第十四晶体管T14的基极连接。第七晶体管T7的基极与第一晶体管T1的发射极连接。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种信号峰值检测装置，其特征在于，包括：信号放大电路、信号极值保持电路、同步信号生成电路和控制器；
所述信号放大电路的输出端分别连接所述信号极值保持电路的输入端和所述同步信号生成电路的输入端；所述信号极值保持电路的输出端和所述同步信号生成电路的输出端连接所述控制器的输入端；
所述信号极值保持电路采集经所述信号放大电路放大后的输入信号中的峰值信号；所述同步信号生成电路产生与所述峰值信号同步的同步信号；所述控制器根据所述同步信号和所述峰值信号调整所述信号极值保持电路的采样参数。
2.根据权利要求1所述的信号峰值检测装置，其特征在于，所述信号放大电路包括第一运算放大器和第一电阻，所述第一运算放大器的同向输入端用于接入输入信号，其输出端与其反向输入端之间相短接后连接第一电阻。
3.根据权利要求1所述的信号峰值检测装置，其特征在于，所述信号极值保持电路包括第二运算放大器、单极信号导通选择电路和第一电容；
所述信号放大电路的输出端与所述第二运算放大器的同向输入端连接，所述第二运算放大器的反向输入端和输出端与所述单极性号导通选择电路的输入端连接，所述单极性号导通选择电路的输出端与所述第一电容的第一端连接，所述第一电容的第二端接地；所述单极性号导通选择电路在其输入端电压大于其输出端电压时导通。
4.根据权利要求3所述的信号峰值检测装置，其特征在于，所述单极信号导通选择电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第二电阻、第三电阻和第二电容；
所述第一二极管的正极、第二电容的第一端、第二电阻的第一端分别与所述第二运算放大器的反向输入端连接；所述第一二极管的负极和第二电容的第二端分别与所述第二运算放大器的输出端连接后与第二二极管的正极连接；所述第二二极管的负极分别与第三二极管的正极、第三电阻的第一端连接；所述第三电阻的第二端与所述第二电阻的第二端连接；所述第三二极管负极与所述第二电容的第一端连接。
5.根据权利要求3或4所述的信号峰值检测装置，其特征在于，所述信号极值保持电路还包括第三运算放大器；所述第三运算放大器的同向输入端与所述单极性号导通选择电路的输出端和所述第一电容的第一端连接，所述第三运算放大器的输出端与其反向输入端短接。
6.根据权利要求5所述的信号峰值检测装置，其特征在于，所述信号极值保持电路还包括钳位保护电路；所述钳位保护电路包括第四电阻和第四二极管；所述第四电阻的第一端与所述第三运算放大器的反向输入端和输出端连接；所述第四电阻的第二端分别与所述第四二极管的正极和所述控制器连接；所述第四二极管的负极接入工作电压。
7.根据权利要求1所述的信号峰值检测装置，其特征在于，还包括泄放电路；所述泄放电路包括第三电容、第五电阻和场效应管；所述第三电容的第一端与所述信号极值保持电路的输出端和所述场效应管的源极连接；所述第三电容的第二端接地；所述场效应管的漏极与所述第五电阻的第一端连接，所述第五电阻的第二端接地；所述场效应管的栅极通过第六电阻与所述控制器的输出端连接。
8.根据权利要求1所述的信号峰值检测装置，其特征在于，所述同步信号生成装置包括门坎电压输出电路、差分电路、第一镜向电流源电路、第二镜向电流源电路、第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第七电阻、第八电阻、第九电阻和第五二极管；
所述第一镜向电流源电路和所述第二镜向电流源电路与所述差分电路连接，分别为所述差分电路提供第一静态工作点和第二静态工作点；
所述第七电阻的第一端与所述信号放大器的输出端连接，所述第七电阻的第二端与所述第一晶体管的基极连接；所述第一晶体管的发射极与所述差分电路的第一输入端连接；所述门坎电压输出电路的输出端与所述第八电阻的第一端连接，所述第八电阻的第二端以及所述第五二极管的正极与所述第二晶体管的基极连接，所述第二晶体管的发射极以及所述第五二极管的负极与所述差分电路的第二输入端连接；所述第二晶体管的集电极接地；所述差分电路的输出端与第三晶体管的基极连接，所述第三晶体管的发射极接地，所述第三晶体管的集电极连接第九电阻的第一端和所述控制器；所述第九电阻的第二端连接电源端。
9.根据权利要求8所述的信号峰值检测装置，其特征在于，所述门坎电压输出电路包括第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻和第十三电阻；
所述第十电阻的第一端、第十一电阻的第一端、第六晶体管的集电极连接电源端；所述第四晶体管的集电极与所述第五晶体管的基极连接，所述第四晶体管的基极与所述第五晶体管的基极连接，所述第五晶体管的集电极与所述第六晶体管的基极连接，所述第五晶体管的发射极与所述第十二电阻的第一端连接，所述第四晶体管的发射极、所述第十二电阻的另一端以及所述第六晶体管的发射极与所述第八电阻的第一端以及所述第十三电阻的第一端连接，所述第十三电阻的第二端接地。
10.根据权利要求8所述的信号峰值检测装置，其特征在于，所述差分电路包括第七晶体管、第八晶体管和第六二极管；所述第七晶体管和所述第八晶体管的发射极连接，第六二极管的负极与第八晶体管的基极连接；
所述第一镜向电流源电路包括第九晶体管、第十晶体管和第十一晶体管、第十二晶体管和第十四电阻；所述第九晶体管的发射极、所述第十晶体管的发射极、所述第十一晶体管的发射极和所述第十二晶体管的发射极连接电源端；所述第九晶体管的基极与所述第十晶体管的基极、所述第十一晶体管的基极以及所述第十二晶体管的基极连接；所述第九晶体管的集电极与所述第一晶体管的发射极、所述第七晶体管的基极连接；所述第十晶体管的集电极与所述第十四电阻的第一端、所述第九晶体管的基极、所述第十晶体管的基极、第十一晶体管的基极以及第十二晶体管的基极连接；所述第十二晶体管的集电极与所述差分电路的第六二极管的正极连接；所述第十四电阻的第二端接地；所述第十一晶体管的集电极与所述第七晶体管的发射极、第八晶体管的发射极连接；
所述第七晶体管的基极还与所述第一晶体管的发射极连接；
所述第二镜向电流源电路包括第十三晶体管、第十四晶体管、第十五电阻和第十六电阻；所述第十三晶体管的集电极与所述第七晶体管的集电极连接；所述第十三晶体管的发射极与所述第十五电阻的一端连接；所述第十五电阻的另一端接地；所述这第十三晶体管的基极与所述第十四晶体管的基极连接；所述第十四晶体管的发射极与所述第十六电阻的第一端连接，所述第十六电阻的第二端接地；所述第十四晶体管的集电极与所述第八晶体管的集电极、第十三晶体管的基极以及所述第十四晶体管的基极连接；
所述第八晶体管的基极与所述第二晶体管的发射极连接。
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