CN108490241B - 一种高带宽小信号高精度峰值检波装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高带宽小信号高精度峰值检波装置，其中，包括电压基准源、比较电路、降频电路、控制电路以及显示电路，所述的控制电路连接电压基准源，所述的电压基准源连接比较电路的负输入端，所述比较电路的正输入端连接一检测信号，所述的比较电路依次通过降频电路、控制电路与显示电路连接。本发明的一种高带宽小信号高精度峰值检波装置具有数据采集精度高、带宽宽、速度快、成本低廉的特点。
Description
技术领域
本发明涉及检测装置领域，更具体地说，尤其涉及一种高带宽小信号高精度峰值检波装置。
背景技术
在电子设备中，常常要对信号的峰值进行测量，一般采用的检波方案是用二极管和电容器进行检波，这种检波器效果很差，主要表现在：若选择的RC电路的时间常数大一些，则输出的检波信号的波形就会好一些，但是输出的检波信号由于受到二极管的影响幅度会明显降低，特别是当所输入的信号小于二极管导通压降的信号的话，根本就没有办法将信号的峰值检测出来，在中低频信号的信号检波时可以加入运算放大器来构造进度降频电路，但是对高频信号而言，特别是超过100MHz之后，适合的运算放大器很少而且价格昂贵，降频电路成本太高。因此，如何实现高带宽小信号高精度峰值检波，降低检波装置成本成为了电子设备中峰值检波装置亟待解决问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高带宽小信号高精度峰值检波装置，该检波装置具有数据采集精度高、带宽宽、速度快、成本低廉的特点。
本发明采用的技术方案如下：
一种高带宽小信号高精度峰值检波装置，其中，包括电压基准源、比较电路、降频电路、控制电路以及显示电路，所述的控制电路连接电压基准源，所述的电压基准源连接比较电路的负输入端，所述比较电路的正输入端连接一检测信号，所述的比较电路依次通过降频电路、控制电路与显示电路连接。
优选的，所述的比较电路包括比较器、电源滤波电路和电阻R3、电阻R4，所述电阻R3和电阻R4的一端同时分别连接比较器的正输入端和检测信号，另一端同时接地，所述电源滤波电路包括第三电容C3和第四电容C4，所述的第三电容C3和第四电容C4的一端同时连接比较器的正电压端和电源，所述第三电容C3的另一端接地，所述第四电容C4的另一端接地。
优选的，所述的降频电路包括第一二极管D1、第六电容C6、第七电阻R7，所述比较器的输出端通过第一二极管D1后分别与第六电容C6、第七电阻R7和控制电路连接，所述第六电容C6和第七电阻R7的另一端接地。
优选的，所述的控制电路包括STM8芯片、SWIM接口、第七电容R7、第八电容C8和第八电阻R8，所述STM8芯片的第4引脚分别与第八电容C8和第八电阻R8连接，所述第八电容C8的另一端接地，所述第八电阻R8的另一端连接外部电源，所述STM8芯片的第7引脚接地，所述STM8芯片的第八引脚通过第七电容C7接地，所述STM8芯片的第1引脚连接电压基准源，所述SWIM接口的第1引脚连接外部电源，所述SWIM接口的第2引脚连接STM8芯片的第18引脚，所述SWIM接口的第3引脚接地，所述SWIM接口的第4引脚连接STM8芯片的第4引脚。
优选的，所述的电压基准源包括第六电阻R6和第五电容C5，所述STM8芯片的第一引脚连接第六电阻R6后分别连接比较电路的负输入端以及第五电容C5，所述第五电容C5的另一端接地。
优选的，所述显示电路包括电阻组和数码管，所述的电阻组包括八个并联的相同的电阻R91、电阻R92、电阻R93、电阻R94、电阻R95、电阻R96、电阻R97、电阻R98，所述STM8芯片的第13引脚通过电阻R91连接数码管的第3引脚，所述STM8芯片的第14引脚通过电阻R92连接数码管的第5引脚，所述STM8芯片的第15引脚通过电阻R93连接数码管的第10引脚，所述STM8芯片的第16引脚通过电阻R94连接数码管的第1引脚，所述STM8芯片的第17引脚通过电阻R95连接数码管的第2引脚，所述STM8芯片的第18引脚通过电阻R96连接数码管的第4引脚，所述STM8芯片的第19引脚通过电阻R97连接数码管的第7引脚，所述STM8芯片的第20引脚通过电阻R98连接数码管的第11引脚，所述STM8芯片的第3引脚连接数码管的第6引脚,所述STM8芯片的第10引脚连接数码管的第8引脚,所述STM8芯片的第11引脚连接数码管的第9引脚,所述STM8芯片的第12引脚连接数码管的第12引脚。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
本发明的一种高带宽小信号高精度峰值检波装置，其中，包括电压基准源、比较电路、降频电路、控制电路以及显示电路，所述的控制电路连接电压基准源，所述的电压基准源连接比较电路的负输入端，所述比较电路的正输入端连接一检测信号，所述的比较电路依次通过降频电路、控制电路与显示电路连接。利用控制电路为电压基准源提供基准电压，当检测信号的电压比电压基准源提供电压大时，比较电路输出高电平，反正输出低电平，从而将检测信号整形，降频电路将整形后的检测信号转化成低频信号，控制电路将低频信号进行识别，最后在显示电路中显示信号峰值，本检波装置将高频的检测信号转化成低频后再利用控制电路识别，利用控制电路将电压基准源的电源调节得足够精准，使检测结构的精度更高，本发明的一种高带宽小信号高精度峰值检波装置能够检测出频率为0-120MHz的任意波形，检测带宽更宽，检测速度更快，结构简单，成本更低。
附图说明
图1是本发明的电路图；
图2是本发明中电压基准源、比较电路和降频电路的电路图；
图3是本发明中控制电路和显示电路的电路图；
图4是本发明中电压基准源的电路图；
图5是本发明中STM8芯片输出的PWM波形；
图6是图5的输出波形经过电压基准源后输出的DAC波形。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
参照图1至4所示，本发明的一种高带宽小信号高精度峰值检波装置，其中，包括电压基准源1、比较电路2、降频电路3、控制电路4以及显示电路5，所述的控制电路4连接电压基准源1，所述的电压基准源1连接比较电路2的负输入端，所述比较电路2的正输入端连接一检测信号，所述的比较电路2依次通过降频电路3、控制电路4与显示电路5连接。利用控制电路4为电压基准源1提供基准电压，当检测信号的电压比电压基准源1提供电压大时，比较电路2输出高电平，当检测信号的电压比电压基准源1提供电压小时，比较电路2输出低电平，比较电路2实现将检测信号整形，降频电路3将整形后的检测信号转化成低频信号，控制电路4将低频信号进行识别，最后在显示电路5中显示信号峰值，本检波装置将高频的检测信号转化成低频后再利用控制电路4识别，利用控制电路4将电压基准源1的电源调节得足够精准，使检测结构的精度更高，本发明的一种高带宽小信号高精度峰值检波装置允许输入信号的电压为0-5V，频率为0-120MHz的任意波形，检测带宽更宽，检测速度更快，结构简单，成本更低。
所述的比较电路2包括比较器21、电源滤波电路22、电阻R3、电阻R4，所述电阻R3和电阻R4的一端同时分别连接比较器21的正输入端和检测信号，另一端同时接地，第一电阻R3和第一电阻R4的阻值为100欧姆，因此，比较器21正输入端的抗阻为50欧姆。所述电源滤波电路22包括第三电容C3和第四电容C4，所述的第三电容C3和第四电容C4的一端同时连接比较器21的正电压端和电源，所述第三电容C3的另一端接地，所述第四电容C4的另一端接地。本检波装置中比较器21优选采用TI公司生产的高速比较器TLV3501，TLV3501是单通道高速推挽输出比较器，延迟时间为4.5ns，供电电压为+2.7V至+5.5V，具有超出摆幅输入共模范围使其非常适合低电压应用的理想选择。轨对轨输出可以直接驱动CMOS或TTL逻辑，可以对宽电压范围周期信号进行整形，是作为理想的频率、相位差等时间域测量的前端调理模块。
所述的降频电路3包括第一二极管D1、第六电容C6、第七电阻R7，所述比较器21的输出端通过第一二极管D1后分别与第六电容C6、第七电阻R7和控制电路4连接，所述第六电容C6和第七电阻R7的另一端接地，降频电路3能够将比较电路2输出端输出的高频信号处理成低频信号，使控制电路4能够识别。
所述的控制电路4包括STM8芯片、SWIM接口、第七电容C7、第八电容C8和第八电阻R8，所述STM8芯片的第4引脚分别与第八电容C8和第八电阻R8连接，所述第八电容C8的另一端接地，所述第八电阻R8的另一端连接外部电源。STM8芯片内置上电复位，所以STM8芯片可以不设外部上电复位电路，依然可以正常复位并稳定工作。若是系统需要设置按键复位电路，那么注意，STM8芯片是低电平复位，因此，采用第八电阻R8与第八电容C8组成复位电路，也避免系统在运行的时候，由于NRST引脚悬空，被外部脉冲电路干扰导致莫名复位。
所述STM8芯片的第7引脚接地，所述STM8芯片的第八引脚通过第七电容C7接地，所述STM8芯片的第1引脚连接电压基准源1，所述SWIM接口的第1引脚连接外部电源，所述SWIM接口的第2引脚连接STM8芯片的第18引脚，所述SWIM接口的第3引脚接地，所述SWIM接口的第4引脚连接STM8芯片的第4引脚。STM8芯片是ST公司的STM8系列的STM8S103F3P6单片机，麻雀虽小五脏俱全。STM8芯片支持SWIM调试方式，STM8S103F3有640字节，并可以擦写一万次。STM8芯片内部设有16位定时/计数器，16个GPIO引脚，完全满足了使用需要。由于STM8芯片的GPIO引脚驱动能力比较强，加上本发明的检波装置用于显示的数码管52采用动态显示，所以直接用GPIO引脚串联用于限流的电阻组51的方案驱动数码管52，STM8芯片中的8个引脚分别连接到数码管52的段选，即数码管52中a、b、c、d、e、f、g对应的引脚，STM8芯片的八个引脚则加到数码管52中com1、com2、com3、com4位选对应的引脚。一般来说，STM8所有系列的单片机芯片都是通过SWIM接口仿真与编程的，SWIM接口只需要4根连接线就满足了，即将STM8芯片的第18引脚(SWIM引脚)和STM8芯片的第4引脚(NRST引脚)分别与SWIM接口的第2和第4引脚连接，再连上STM8芯片所需要的电源和接地电路即可，电路设计更简单便捷。
所述的电压基准源1包括第六电阻R6和第五电容C5，所述STM8芯片的第一引脚连接第六电阻R6后分别连接比较电路2的负输入端以及第五电容C5，所述第五电容C5的另一端接地。由STM8芯片产生快速PWM波形信号，通过电压基准源1后得到有效的直流电压DAC，通过调节PWM波形的占空比，得到不同的直流电压DAC。图5为从STM8芯片的第一引脚中输出PWM波形，该PWM波形的输出电压为5V，占空比的范围是0％到100％，电压基准源1根据PWM波形的占空比转化成输出电压为0-5V的直流电，输出的直流电波形如图6所示，从而为比较电路2提供可调节的基准电压。
所述显示电路5包括电阻组51和数码管52，所述的电阻组51包括八个并联的相同的电阻R91、电阻R92、电阻R93、电阻R94、电阻R95、电阻R96、电阻R97、电阻R98，所述STM8芯片的第13引脚通过电阻R91连接数码管52的第3引脚，所述STM8芯片的第14引脚通过电阻R92连接数码管52的第5引脚，所述STM8芯片的第15引脚通过电阻R93连接数码管52的第10引脚，所述STM8芯片的第16引脚通过电阻R94连接数码管52的第1引脚，所述STM8芯片的第17引脚通过电阻R95连接数码管52的第2引脚，所述STM8芯片的第18引脚通过电阻R96连接数码管52的第4引脚，所述STM8芯片的第19引脚通过电阻R97连接数码管52的第7引脚，所述STM8芯片的第20引脚通过电阻R98连接数码管52的第11引脚，所述STM8芯片的第3引脚连接数码管52的第6引脚,所述STM8芯片的第10引脚连接数码管52的第8引脚,所述STM8芯片的第11引脚连接数码管52的第9引脚,所述STM8芯片的第12引脚连接数码管52的第12引脚，通过STM8芯片的GPIO引脚串联限流的电阻组51驱动数码管52实时动态显示。
接地包括连接模拟地和数字地，模拟地和数字地通过第五电阻R5将其分开，有效避免数字地和模拟地相互干扰，在PCB布线时，为了方便区分数字地和模拟地，以及方便数字地和模拟地覆铜，还可以将其分开调试。
本发明的一种高带宽小信号高精度峰值检波装置允许电压为0-5V、频率为0-120MHz的任意波形的检测信号输入比较电路2的正输入端，比较电路2的负输入端接电压基准源1，当比较电路2的正输入端的电压比负输入端的电压大的时候，则比较电路2输出高电平，反之输出低电平，这样可以实现将输入信号整形。若输入信号为低频信号时可以直接用控制电路4的外部中断来识别，但是输入信号为高频信号时控制电路4是无法识别的。因此，需要将整形的信号通过降频电路3降低信号频率，以便能够被控制电路4识别。当控制电路4检测到是高电平，控制电路4将降低向电压基准源1输出的PWM的占空比；当控制电路4检测到是低电平，控制电路4将增加向电压基准源1输出的PWM的占空比，经过多次反复调节PWM的占空比，并且每次调节量都较上一次缩小，以便逐渐接近检测信号的电压峰值，方便找出比较电路2输出信号从高电平变化为低电平的状态，而比较电路2输出信号从高电平变化成低电平的那一刻状态即为检测信号的下降沿，此时的基准电压则确定为检测信号的峰值电压。为了避免误操作，检波装置的检波过程是反复进行的，不断缩小占空比的调节量，进行多次测量后逐步接近下降沿并最终确定最精确的下降沿位置，此时的基准电压则是检测信号的峰值电压，将确定的峰值电压在显示电路5上显示。
只要基准电压足够精准，那么测量到的信号源峰值电压的精度也就足够高。本发明的一种高带宽小信号高精度峰值检波装置的控制电路4采用的是STM8芯片，STM8芯片为16位高级控制定时器，所产生的PWM波形通过低通滤波后得到想要的基准电压。STM8芯片在5V电压下，控制电路4输出的PWM电压为0-5V，STM8芯片产生的PWM波形电压，低通滤波后的DAC电压的理论精度约等于0.0000763V，即0.0663mV，也就是说检测精度可以达到0.0663mV。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高带宽小信号高精度峰值检波装置，其特征在于，包括电压基准源(1)、比较电路(2)、降频电路(3)、控制电路(4)以及显示电路(5)，所述的控制电路(4)连接电压基准源(1)，所述的电压基准源(1)连接比较电路(2)的负输入端，所述比较电路(2)的正输入端连接一检测信号，所述的比较电路(2)依次通过降频电路(3)、控制电路(4)与显示电路(5)连接；
所述的比较电路(2)包括比较器(21)、电源滤波电路(22)和电阻R3、电阻R4，所述电阻R3、电阻R4的一端同时分别连接比较器(21)的正输入端和检测信号，另一端同时接地，所述电源滤波电路(22)包括第三电容(C3)和第四电容(C4)，所述的第三电容(C3)和第四电容(C4)的一端同时连接比较器(21)的正电压端和电源，所述第三电容(C3)的另一端接地，所述第四电容(C4)的另一端接地；
所述的控制电路(4)包括STM8芯片、SWIM接口、第七电容(C7)、第八电容(C8)和第八电阻(R8)，所述STM8芯片的第4引脚分别与第八电容(C8)和第八电阻(R8)连接，所述第八电容(C8)的另一端接地，所述第八电阻(R8)的另一端连接外部电源，所述STM8芯片的第7引脚接地，所述STM8芯片的第八引脚通过第七电容(C7)接地，所述STM8芯片的第1引脚连接电压基准源(1)，所述SWIM接口的第1引脚连接外部电源，所述SWIM接口的第2引脚连接STM8芯片的第18引脚，所述SWIM接口的第3引脚接地，所述SWIM接口的第4引脚连接STM8芯片的第4引脚；
所述的电压基准源(1)包括第六电阻(R6)和第五电容(C5)，所述STM8芯片的第一引脚连接第六电阻(R6)后分别连接比较电路(2)的负输入端以及第五电容(C5)，所述第五电容(C5)的另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种高带宽小信号高精度峰值检波装置，其特征在于，所述的降频电路(3)包括第一二极管(D1)、第六电容(C6)、第七电阻(R7)，所述比较器(21)的输出端通过第一二极管(D1)后分别与第六电容(C6)、第七电阻(R7)和控制电路(4)连接，所述第六电容(C6)和第七电阻(R7)的另一端接地。
3.根据权利要求1所述的一种高带宽小信号高精度峰值检波装置，其特征在于，所述显示电路(5)包括电阻组(51)和数码管(52)，所述的电阻组(51)包括八个并联的相同的电阻R91、电阻R92、电阻R93、电阻R94、电阻R95、电阻R96、电阻R97、电阻R98，所述STM8芯片的第13引脚通过电阻R91连接数码管(52)的第3引脚，所述STM8芯片的第14引脚通过电阻R92连接数码管(52)的第5引脚，所述STM8芯片的第15引脚通过电阻R93连接数码管(52)的第10引脚，所述STM8芯片的第16引脚通过电阻R94连接数码管(52)的第1引脚，所述STM8芯片的第17引脚通过电阻R95连接数码管(52)的第2引脚，所述STM8芯片的第18引脚通过电阻R96连接数码管(52)的第4引脚，所述STM8芯片的第19引脚通过电阻R97连接数码管(52)的第7引脚，所述STM8芯片的第20引脚通过电阻R98连接数码管(52)的第11引脚，所述STM8芯片的第3引脚连接数码管(52)的第6引脚,所述STM8芯片的第10引脚连接数码管(52)的第8引脚,所述STM8芯片的第11引脚连接数码管(52)的第9引脚,所述STM8芯片的第12引脚连接数码管(52)的第12引脚。
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