CN202455326U - 一种信号尖峰值的检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种信号尖峰值的检测装置，该装置包括使输入信号通过或阻断的信号切换电路单元；对上述通过信号进行放大的放大器电路单元；对放大后信号进行尖峰值检测的检测电路单元；将尖峰值与基准值比较使输出值发生跃变的比较电路单元，基于输出值发生跃变时刻得出信号尖峰值的发生时刻。采用本实用新型的技术方案，峰值检测前后的信号幅值差异小，信号快变部分失真小，电路结构简单、功耗低、抗干扰能力强，能够准确获得信号尖峰值的准确发生时刻，同时，根据这一功能可对测控系统进行优化，避免尖峰值出现时信号突变给系统造成的影响。

Description

一种信号尖峰值的检测装置

技术领域

本实用新型涉及信号检测领域，尤其涉及一种信号尖峰值的检测装置。

背景技术

峰值检测是电子测量、自动化仪表以及其它相关技术领域常会遇到的问题。峰值反映了信号极为重要的方面，尤其是小信号。设计完善的峰值检测系统，不仅可以用于对微弱信号进行检测，还可以通过传感器对其它非电信号如微弱的机械振动实现自动检测和控制，从而构成完整的测控系统，因此峰值检测具有广泛的实用价值。

峰值检测技术是数字示波器及其数据采集卡中的重要技术之一，用来实现波形的峰值捕捉。目前常用的方法是先求得检测信号的平均值，但是用平均值掩盖了被检测信号的突然脉冲，从而可能引起系统的失灵及不稳定。若用由二极管和电阻电容构成的普通峰值检波电路来检波，效果比较差，主要表现在两个方面：

第一，若选择RC电路时间常数大一些，则输出的信号的波形会好一些，但检波输出之后的信号和检波之前的信号幅值有明显的差距，输出信号幅值明显降低，峰值检波效率变差，同时，信号快变部分的失真严重。

第二，若选择RC电路时间常数小一些，则会发现检波前后的信号的幅值的差异变小，信号之中的快变分量明显变好，但输出信号的波形明显变差，不利于对信号的数模变换。

为了准确检测尖峰信号，同时使峰值检测前后的信号幅值差异小，信号快变部分失真小，本实用新型提出一种信号尖峰值的检测装置，该电路可准确检测信号的尖峰值的发生时刻，根据这一功能可对测控系统进行优化，避免尖峰值出现时信号突变给系统造成的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷或不足，提供一种信号尖峰值的检测装置。本实用新型是通过以下技术方案来实现的：

本实用新型公开了一种信号尖峰值的检测装置，包括使输入信号通过或阻断的信号切换电路单元；对上述通过信号进行放大的放大器电路单元；对放大后信号进行尖峰值检测的检测电路单元；将尖峰值与基准值比较使输出值发生跃变的比较电路单元，基于输出值发生跃变时刻得出信号尖峰值的发生时刻。

进一步地，所述信号切换电路单元包括模拟开关或多路转换器。

进一步地，所述模拟开关包括晶体二极管、晶体管、场效应管、多路模拟开关芯片。

进一步地，所述放大器电路单元包括增益可调放大器，通过信号切换电路单元输出来改变增益。

进一步地，所述信号切换电路单元改变放大器增益的方式包括人工设定方式或CPU程序控制方式。

进一步地，所述检测电路单元包括微分电路。

进一步地，所述检测电路单元包括由单运算放大器组成的微分电路，其中，放大器的负输入端与电容连接，电容前端串联电阻，输出端经电阻反馈连接到负输入端，反馈电阻并联电容，正输入端接地。

进一步地，所述比较电路单元包括电压比较电路。

进一步地，所述比较电路单元包括由电压偏置电路、反馈电路和单运算放大器组成的电压比较电路。

进一步地，所述比较电路单元的输出由差分电路输出。

本实用新型的有益效果，采用本实用新型的信号峰值检测电路，峰值检测前后的信号幅值差异小，信号快变部分失真小，电路结构简单，功耗低、抗干扰能力强，能够准确获得信号尖峰值的准确发生时刻，同时，根据这一功能可对测控系统进行优化，避免尖峰值出现时信号突变给系统造成的影响。

附图说明

下面根据附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。

图1为本实用新型信号尖峰值的检测装置的原理框图；

图2为本实用新型实施例一信号尖峰值的检测装置硬件结构电路图；

图3为本实用新型实施例一检测电路幅频特性图；

图4为本实用新型实施例一电压比较器电路图；

图5为本实用新型实施例一电压比较器输入-输出特性图。

图6为本实用新型实施例一电压比较器输出波形图。

具体实施方式

本实施方案的技术原理：针对电路检测中的小信号，通过放大电路，检测电路和比较电路，最终获得信号尖峰的准确发生时刻。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1为本实用新型信号尖峰值的检测装置的原理框图，如图1所示，所述信号尖峰值的检测装置包括使输入信号通过或阻断的信号切换电路单元；对上述通过信号进行放大的放大器电路单元；对放大后信号进行尖峰值检测的检测电路单元；将尖峰值与基准值比较使输出值发生跃变的比较电路单元，基于输出值发生跃变时刻得出信号尖峰值的发生时刻。

信号切换电路单元包括模拟开关或多路转换器，本技术方案中其作用主要是用于信号通过或阻断的切换。集成模拟电子开关包括晶体二极管、晶体管、场效应管、多路模拟开关芯片等，其与机械触点式电子开关相比，有许多优点：切换速率快、无抖动、耗电省、体积小、工作可靠且容易控制等；但也有若干缺点：导通电阻较大，输入电流容量有限，动态范围小等。因此集成模拟开关主要使用在高速切换、要求系统体积小的场合。多路转换器是一种模拟开关产品，如CMOS多路复用器，可用于信号通过或阻断控制。

放大电路单元将信号源提供的微弱信号放大去驱动负载正常工作。放大电路单元为增益可调放大器电路，对通过信号切换单元输入的小信号按照增益带宽进行放大，然后输出到信号检测电路单元。

检测电路单元主要用于检测放大后信号的峰值，本技术方案中采用微分电路进行信号峰值的检测，准确的说，是通过微分电路检测输入信号的突变值。微分电路主要用于脉冲电路、模拟计算机和测量仪器中。微分电路包括由电容C和电阻R组成的微分电路，信号经电容C输入电阻R输出，RC微分电路的输出电压近似地反映输入信号峰值前后沿的时间变化率；也可以选择由电阻R和电感L组成的微分电路；为了使微分电路的输出更加可靠，也可用RC和运算放大器构成较复杂的微分电路来进行信号峰值检测。

比较电路单元用于将检测电路单元输出的尖峰值与基准值比较使输出值发生跃变，基于输出值发生跃变时刻从而得出信号尖峰值的发生时刻。比较电路单元包括电压比较电路。

比较电路用于对两个或多个输入参数项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系等。以电压比较电路为例，电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考固定电压相比较，根据二者大小关系，输出电压可从一种状态可靠地转换到另一种状态，相应输出高电平或低电平。常用的电压比较器有过零电压比较器、迟滞电压比较器、窗口电压比较器，采用何种电压比较器可根据电路要完成功能的传输特性进行选择。

本技术方案中检测电路单元输出的尖峰值通过电压比较器与基准值比较使输出值发生跃变，基于输出值发生跃变时刻得出信号尖峰值的发生时刻。所述比较电路单元包括由电压偏置电路和单运算放大器组成的电压比较电路，电压比较器的输出可以通过差分电路输出，实现远距离传输。

图2为本实用新型信号尖峰值的检测装置一具体实施例的硬件结构电路图，如图2所示，该检测电路包括信号切换电路1、放大电路2、检测电路3和比较电路4四部分。其中，信号切换电路1采用模拟开关芯片ADG1204，放大器电路2采用OP37组成可调增益放大电路，检测电路3采用单运算放大器组成微分电路进行信号尖峰值检测，比较电路4采用LM311电压比较器。

模拟开关芯片ADG1204调节运放OP37的电压增益，其调节方式既可根据实际信号范围进行人工设置，也可由CPU程序控制。ADG1204是一款CMOS模拟多路复用器，具有超低电容和电荷注入特性，较快的开关速度及高信号带宽，适合信号切换应用，此外，该芯片结构可确保功耗极低。

OP37放大器具有低噪音、低漂移、高速、高增益带宽、低输入失调电压的特点。本技术方案中采用OP37组成可调增益放大电路对输入信号进行放大，通过信号切换电路调节放大器增益，放大器输出前后信号波形形状变化失真小，保证输出给检测电路单元的信号稳定性。其中，OP37放大器采用±5V双电源供电，同时在-5V电源与放大器之间并联电容C8，在+5V电源与放大器之间并联电容C13，电容C8和C13用于滤除高频干扰信号(如高频纹波)。

检测电路3由RC和运算放大器组成微分电路，微分电路的输出波形只反映输入波形的突变部分，即只有输入波形发生突变的瞬间才有输出。本技术方案中，运算放大器采用LM318芯片，其同相输入端接地，反相输入端与电容C9串联，电容C9前端串联电阻R9，输出端经反馈电阻R1连接到反相输入端，反馈电阻R1与电容C3并联。其中，电阻R9可降低电路中的高频噪声，反馈电容C3用于抑制自激振荡。其中，运算放大器LM318采用±5V双电源供电，同时在-5V电源与放大器之间并联电容C6，在+5V电源与放大器之间并联电容C15，电容C6和C15用于滤除高频干扰信号(如高频纹波)。

比较电路4采用具有迟滞特性的电压比较器电路，由偏置电压电路、反馈电路和运算放大器组成。运算放大器采用型号为LM311芯片，放大器的反相输入端与电阻R5连接，在电阻R5与反相输入端之间连接有一个偏置电阻R4，放大器的输出端经反馈电阻R11连接到放大器的同相输入端，同时放大器的同相输入端通过一下拉电阻R8接地，放大器输出端与反馈电阻R11之间连接一偏置电阻R14。其中，运算放大器LM311采用±5V双电源供电，同时在-5V电源与放大器之间并联电容C4，在+5V电源与放大器之间并联电容C11，电容C4和C11用于滤除高频干扰信号(如高频纹波)。

电路的具体工作原理如下：

1)模拟开关芯片ADG1204根据实际信号范围通过人工设定方式或CPU程序控制方式调节放大器OP37电压增益。

2)OP37放大器对由模拟开关芯片输出的信号进行放大，然后将放大后的信号输出到微分电路进行峰值检测。

3)微分电路的参数计算及对放大后的信号进行峰值检测。

根据图2中所示出的微分电路结构，分析得出微分电路的传递函数公式(1)：

$\frac{V_o\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=-\frac{Z_f}{Z_1}=\frac{\mathrm{sR}1C9}{(1+\mathrm{sR}1C3)(1+\mathrm{sR}9C9)}$ (式1)

若R1C3＝R9C9，得到公式(2)：

$\frac{V_o\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=-\frac{\mathrm{sR}1C9}{{(1+\mathrm{sR}9C9)}^2}$ (式2)

令s＝jω，得公式(3)：

$A_v=\frac{V_o\left(\mathrm{j\ω}\right)}{V_i\left(\mathrm{j\ω}\right)}=-\frac{j2\mathrm{\πf}/f_a}{{(1+\mathrm{jf}/f_b)}^2}$ (式3)

式中 $f_b=\frac{1}{2\mathrm{\πR}9C9};$ $f_a=\frac{1}{2\mathrm{\πR}1C9}$

令f_a＜f_b＜f_c，f_c为运放开环时的单位增益带宽。

由公式(3)得到幅频特性如图3所示。

当f＝f_a时，|A_v|＝0dB；

f＜f_d时，|A_v|以20dB/10倍频增大；

f＞f_b时，一方面|A_v|以20dB/10倍频增大，另一方面以-40dB/10倍频下降，最终以-20dB/10倍频下降，有利于抑制高频噪声。此种情况下，要求信号周期T＞R1C9。

当R1C9＞R9C9或R1C9＞R1C3时，根据公式(2)得到公式(4)：

$\frac{V_o\left(s\right)}{V_i\left(s\right)}=-\mathrm{sR}1C9$ (式4)

在时域中变换得到公式(5)：

$v_o=-R1C9\frac{{\mathrm{dv}}_i}{\mathrm{dt}}$ (式5)

通常，微分电路的设计步骤如下：

(a)设定f_a等于输入信号的最高频率，选择电容C9＜1uF，然后计算R1；

(b)选择f_b＝10f_a，计算R9；

由R1C3＝R9C9，计算C3。

通过上述算法完成微分电路参数的设计，该微分电路对输入信号进行微分运算。当输入信号为方波时，经微分运算，在输入信号变化前后沿的时刻输出尖的脉冲波形；当输入信号为交流信号，设u_i＝sinωt，经微分运算后，根据公式(5)得出u_o＝-R1C9cosωt＝-R1C9sin(ωt-90°)，即输入波形向左平移1/4周期。微分电路将运算后的信号输出给电压比较电路。

4)电压比较器参数计算

简单电压比较器是当输入信号达到某一给定基准电平时，立即翻转，用来检测未知电压，具有较高的灵敏度。但是它易受漂移、噪声和干扰的影响，造成误动作。当存在干扰时，输出电压v_o将不断的由一个极限转换到另一个极限。为了克服此缺点，本技术方案采用具有迟滞特性的电压比较器，迟滞电压比较器虽然灵敏度低一些，但抗干扰的能力大大提高。基本电路结构参见图4，其中放大器的同相输入端通过电阻R2与基准参考电压Vref连接，反相输入端通过电阻R1与待比较电压Vi连接，放大器的输出电压Vo经反馈电阻Rf连接至放大器的同相输入端。

该电路的输出电压经反馈电阻R_f送到比较器的同相端，当输出电平发生变化时，正反馈迫使同相端电位随之变化，从而加速输出电压的转换过程。

当输出电压为Vcc时，同相端的电压如公式(6)：

$V_{\mathrm{UT}}=\frac{R_2}{R_2+R_f}{V}_{\mathrm{cc}}+\frac{R_f}{R_2+R_f}{V}_{\mathrm{ref}}$ (式6)

要使输出从V_cc翻转为-V_EE，必须使v_i≥V_UT，V_UT称为上阈值电压。

当输出电压为低电平-V_EE时，同相端电压如公式(7)：

$V_{\mathrm{LT}}=\frac{-R_2}{R_2+R_f}{V}_{\mathrm{EE}}+\frac{R_f}{R_2+R_f}{V}_{\mathrm{ref}}$ (式7)

要使输出从-V_EE翻转为V_cc，必须使V_i≤V_LT，V_LT称为下阈值电压。V_UT与V_LT之差称为迟滞宽度，用V_H表示。当V_CC＝V_EE时，可得出公式(8)：

$V_H=V_{\mathrm{UT}}-V_{\mathrm{LT}}=\frac{{2R}_2}{R_2+R_f}{V}_{\mathrm{cc}}$ (式8)

迟滞电压比较器的v_o～v_i特性如图5所示。

当基准电压V_ref变化时，可以使V_UT和V_LT改变，但不影响V_H值。只有改变正反馈系数

，才能使V_UT，V_LT，V_H同时变化。

结合图2中的电压比较电路，得出放大器负输入端的计算公式(9)和正输入端的计算公式(10)：

$V_{\_}=V_{\mathrm{in}}+5V\_A\frac{R5b}{R5b+R4b}$ (式9)

$V_{+}=5V\_A\frac{R8b}{R8b+R11b+R14b}$ (式10)

其中，V_in表示R5b输入信号；V_-表示电压比较器负端输入，V₊表示电压比较器正端输入。

为使电压比较器正负两端具有相同的电压偏置，得出公式(11)：

$5V\_A\frac{R5b}{R5b+R4b}=5V\_A\frac{R8b}{R8b+R11b+R14b}$ (式11)

简化后得到：R5b＝R8b，R4b＝R1 1b+R1 4b

同时，偏置电压也不能抬升的过高，否则负端电压一直在0V以上，导致电压比较器不工作，所以偏置电压应满足：

其中，

表示微分信号的负值部分的最大值。

通过上述算法完成电压比较器参数的设计，微分电路输出的信号与电压比较器的基准电压V_ref进行比较。迟滞电压比较器的传输特性如图5所示，迟滞电压比较器抗干扰能力强，当输入信号受干扰或噪声的影响而出现上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整迟滞电压比较器的上阈值电压V_UT、下阈值电压V_LT，就可以避免比较器的输出电压在高、低电平之间反复跳变。由于电压比较器的输出只有高、低两种电平状态，因此运算放大器工作在非线性区。

基准电压V_ref变化时，电压比较器的上阈值电压V_UT或下阈值电压V_LT会相应发生变化。检测信号尖峰值时，对基准电压进行设置调整，当输入信号电压值超过上阈值电压V_UT或下阈值电压V_LT时，电压比较电路的输出状态会发生翻转，即输出电压由一种状态跳变为另一种状态，输出高电平或低电平。参见图6，示出了输入信号经电压比较器比较后输出的状态图，根据图中高、低电平跳变发生时刻，可以得出信号尖峰值的发生时刻。

本技术方案的信号尖峰值的检测装置能够在-45°～+80°温度范围内正常工作，同时该装置具有很好的抗振动的特点。

有益效果：本实用新型针对电路检测中的小信号，通过可调增益放大电路，微分电路和电压比较器，最终获得信号尖峰的准确发生时刻。该电路结构简单，功耗低、抗干扰能力强，能够准确获得信号尖峰值的准确发生时刻，同时，根据这一功能可对测控系统进行优化，避免尖峰值出现时信号突变给系统造成的影响。

Claims (10)

1.一种信号尖峰值的检测装置，其特征在于，包括使输入信号通过或阻断的信号切换电路单元；对上述通过信号进行放大的放大器电路单元；对放大后信号进行尖峰值检测的检测电路单元；将尖峰值与基准值比较使输出值发生跃变的比较电路单元，基于输出值发生跃变时刻得出信号尖峰值的发生时刻。

2.根据权利要求1所述的信号尖峰值的检测装置，其特征在于，所述信号切换电路单元包括模拟开关或多路转换器。

3.根据权利要求2所述的信号尖峰值的检测装置，其特征在于，所述模拟开关包括晶体二极管、晶体管、场效应管、多路模拟开关芯片。

4.根据权利要求1所述的信号尖峰值的检测装置，其特征在于，所述放大器电路单元包括增益可调放大器，通过信号切换电路单元输出来改变增益。

5.根据权利要求4所述的信号尖峰值的检测装置，其特征在于，所述信号切换电路单元改变放大器增益的方式包括人工设定方式或CPU程序控制方式。

6.根据权利要求1所述的信号尖峰值的检测装置，其特征在于，所述检测电路单元包括微分电路。

7.根据权利要求1或6所述的信号尖峰值的检测装置，其特征在于，所述检测电路单元包括由单运算放大器组成的微分电路，其中，放大器的负输入端与电容连接，电容前端串联电阻，输出端经电阻反馈连接到负输入端，反馈电阻并联电容，正输入端接地。

8.根据权利要求1所述的信号尖峰值的检测装置，其特征在于，所述比较电路单元包括电压比较电路。

9.根据权利要求8所述的信号尖峰值的检测装置，其特征在于，所述比较电路单元包括由电压偏置电路、反馈电路和单运算放大器组成的电压比较电路。

10.根据权利要求1或8或9所述的信号尖峰值的检测装置，其特征在于，所述比较电路单元的输出由差分电路输出。

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