峰值检测系统
中国工程物理研究院工学院
毕
业
设
计
论
文
题 目
峰值检测系统
指导教师
学生姓名
专 业 电气自动化
班 级 电气3班
日 期
目录
1. 前言及总体方案设计. ................................... 3
1.1前言......................................................... ...3 1.2总体方案设计要求.............................................. ..3 1.3总体方案设计的框图放大器电路的确定............................... 3 1.4各组成部分说明................................................... 3
2. 单元电路设计、参数计算和器件选择. .............................. 4
2.1放大器电路...........................................4 2.2 LF398芯片的介绍................................................. 5 2.3采样/保持电路及采样/保持控制电路................................. 7
2.3.1采样保持电路............................................................................ 7 2.3.2采样/保持控制电路........................................................ 7
2.4数字表头显示电路(3-1/2位数字电压表电路的构成)......................... 8
2.4.1A/D转换电路的确定....................................................... 8 2.4.2译码器................................................................. 10 2.4.3驱动................................................................... 12 2.4.4基准电源MC1403......................................................... 12 2.4.5共阴极数码管........................................................... 13
2.5 数字电压表的基本原理........................................................ 14 2.6数字锁存控制电路................................................ 16 74121的介绍..................................................... ..16
3. 附:峰值检测系统总体电路图的绘制.......................17 4. 系统调试. ...........................................19
5. 总结......................................................19
6. 致谢辞. ............................................20 7. 参考文献. ...........................................20 8. 附录... ............................................21
附录一 元件清单................................................................ 21
摘要:我所设计的这个峰值检测系统它能在0-2000kg 范围内进行建筑物的最大承受力的相关峰值的测量、采样与保持. 它采用了传感器电路、放大电路、采样\保持电路、采样\保持控制电路、数字存储控制电路、及它的显示表头部分三位半数字电压表,它具有电路简单、功能完整、制作成本低、性价比高等特点,是一种经济、实用的检测系统. 在设计中是以经济实惠为首。
关键词:峰值检测 高精度数据放大器 采样/保持 采样/保持控制电路 A/D转换 数字锁存控制电路 译码器 共阴极数码管
1 前言及总体方案设计 1.1 前言
在科研、生产各个领域都会用到峰值检测设备,例如检测建筑物的最大承受力,检测钢丝绳
允许的最大拉力等等. 由此 看 来 , 准确测量峰值对有关课题的研究是有重要意义的。 1.2 总体方案设计要求:
设计一个峰值检测系统,其系统性能要求如下:
(1) 用传感器和检测电路测量某建筑物的最大承受力。传感器的输出信号为
0-5mV ,其中1m V 等效于400K g 。
(2) 测量值用数字显示,显示范围为0000-1999。 (3) 峰值电压保持稳定。 1.3 总体方案设计的框图
图1-1
1.4 各组成部分说明
(1)传感器:将被测信号量转换成电压量。
(2)放大器:对传感器输出的微弱信号进行放大,使放大器的输出电压达到 A/D转换器所要求的电压范围。
(3)采样/保持:对放大后的被测模拟量进行采样,并保持峰值。
(4)采样/保持控制电路:该电路通过控制信号实现对峰值采样,小于原峰值 时,保持原峰值,大于原峰值时保持新的峰值。 (5)A/D转换:将模拟量转换成数字量。 (6)译码显示:完成峰值数字量的译码显示。
(7)数字锁存控制电路:对A/D转换的峰值数字量进行锁存,小于峰值的 数字量不锁存。模数转换和译码构成数字表头。 2 单元电路设计、参数计算和器件选择 2.1 放大器电路
由于输出信号为 0-5mV ,则若选用 3 位半 A /D,数字表头显示的范围是 0000-1999,由于传感器输出 1mV 等效于 400kg ,则 5mV 等效于 2000kg ,因而选用放大倍数 A u =400 倍的放大电路就能完成系统对小信号放大的要求。
(1)选择电路:放大电路种类很多,为将传感器输出的微弱信号进行放大,采用高精度数据放大器,如图 2-1所示。该电路中 A i ,和 A o 的失调电压量值和方向相同,可以互相抵消,所以此种电路精度很高。这种高精度数据放大器对完成弱信号的放大有重要作用。 (2)参数计算:由于 U i =Ux =0~5mV ,
U
03
=2V,Au=400,根据公式:Ui=U2-U1= Ux ,因此
(
x (+2) ,可求得=-4(1+22) ,将代入得
-)=U 01U 02U 03U 1U x R 1R 2
R
1
R
3
R
1
U
01i
=
25X 10
-3
=-4(1+22), 即400=-4(1+22) 放大器为完成 400 倍的放大,分
R
3
R
1
R
3
R
1
配第一级放大器放大倍数1+2
R
400
==8,分配第二级放81
2
R
43
,则电阻的阻值分别为
R =1.6K,R
1
2
=5. 6K , R 3=2K , R
3
=100K 。
(3)器件选择:R 1,R 2,R 3 和 R 4 都选 1/8W 金属膜电阻,其标称值分别为 1.6k Ω,5.6k Ω,2k Ω和 100k Ω。A1,A2 和 A 3,选用μA741 型运算放大器。由于μA741 具有很高的输入共模电压和输入差模电压范围、具有失调电压调整能力和短路保护功能、功耗较低、电源电压适应范围较宽等特点,所以该放大电路采用此器件比较合适。
U2 U01
U03
U02
U1
图2-1高精度数据放大器
2.2 LF398芯片的介绍
LF398
的8脚是采样/保持的逻辑控制端,当该控制端输入高电平时,LF398
进行采样,而输入低电平时保持。保持时,回路阻抗很大,故保持能力很强; 采样时,输入信号使采样/保持电容C h 迅速充电到Ui 。C h 的质量对电路的性 能影响很大,一般对此电容要求很高,如要求它的绝缘电阻大、漏洞小。可选 用有机薄膜介质电容,如聚苯乙烯电容和聚丙烯电容,取 C H =0.1μF 。 LF398 反馈型采样/保持放大器(SH A )
LF398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LF 198、LF298等,也是由场效应管构 成,具有采样速率高、保持电压下降慢和精度高等特点。
LF 398由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。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与参 考电平时,输出一个低电平信号驱动开关K 闭合,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 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。 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 、CMO S 兼容;
双电源供电,电源范围宽;
采样时间(10V 级,到0.01%);20US ; 增益误差:0.01% 下降率:3MV/S(TYP ) 失调电压:7MV ; 保持电容:0.01UF 。
2.3 采样/保持电路及采样/保持控制电路 2.3.1 采样保持电路
该电路的核心器件选用LF398采样\保持集成电路芯片,它具有体积小、功能强、运行稳定等优点。它的功能是对模拟信号进行采样和存储。
图2-3采样保持电路
2.3.2 采样/保持控制电路
采样/保持控制电路可选用比较电路,如下图所示。比较电路将
LF398的输
入端电压Ui 与输出端电压U02相比较, 产生一个控制信号Uk , 用Uk 去控制 LF398的逻辑控制端。当Ui>U02时, 比较器输出U k 为高电平, 使LF398采样, 一直采样到新的峰值为止。当U i
图2-4采样/保持控制电路
图中二极管保证输出低电平时,输出端箝位于 0 电平(管压降忽略) 。 Uk 还用来控制数字锁存控制电路。 比较器选用运算放大器μA741。二极管选普通硅二极管 2CKll 。 2.4 数字显示表头电路(3-1/2位数字电压表电路的构成)
数字显示表头电路由A/D转换器、译码器和显示器组成, 如图所示。该电路可采用31/2位数字电压表电路, 选择器件如下:31/2位A/D 转换器MC1413,BCD 到七段锁存-译码-驱动器CD 4511, 基准电源MC1403和4个共阴LE D 发光数码管。显然,CD4511主要作为共阴LED 的段驱动, 而MC1413主要作为共阴LED 的位驱动。该表最大量程为1999Kg, 以1.999V 代表1999Kg, 小数点不显示。 2.4.1 A/D转换电路的确定 31/2位A /D转换器M C14433
3 1/2位是指十进制数0000~1999,所谓3位是指个位,十位,百位,其数字范围均为0~9。 所谓半位是指千位数,它不是从0变化到9,而只能由0变到1,即二值状态,所以称为半位。
31/2位A /D转换器M C14433的介绍
MC1413是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN 达林顿管组成。
MC14433是美国Motorola 公司推出的单片3 1/2位A/D转换器,其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS 模拟电路和数字电路。mc1413工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA ,并且能够在关态时承受50V 的电压,输出还可以在高负载电流并行运行。mc1413采用DIP —16 或SOP —16 塑料封装。具有外接元件少,输入阻抗高,功耗低,电源电压范围宽,精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器,采用字位动态扫描BCD 码输出方式,即千、百、十、个位BCD 码分时在Q0—Q3轮流输出,同时在DS1—DS4端输出同步字位选通脉冲,很方便实现LED 的动态显示。使用 MC14433 时只要外接两个电阻(分别是片内 RC 振荡器外接电阻和积分电阻 R I ) 和两个电容(分别是积分电容 C I 和自动调零补偿电容C 0) 就能执行3 位的 A /D 转换。MC14433具有自2动调零,自动极性转换等功能。可测量正或负的电压值。当CP 1 、CP 0 端接入470K Ω 电阻时,时钟频率≈66KHz ,每秒钟可进行4次A / D 转换。mc1413的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻, 在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。它的使用调试简便,能与微处理机或其它数字系统兼容,广泛用于数字面板表,数字万用表,数字温度计,数字量具及遥测、遥控系统。其主要功能特性如下:
精度:读数的±0.05%±1字
模拟电压输入量程:1.999V 和199.9mV 两档 转换速率:2-25次/s 输入阻抗:大于1000M Ω 电源电压:±4.8V —±8V
功耗:8mW (±5V 电源电压时,典型值)
MCl4433
如下:
图2-5MC14433引脚排列
引脚功能说明:
VAG (1脚):被测电压V X 和基准电压V R 的参考地 VR (2脚):外接基准电压(2V 或200mV )输入端 VX (3脚):被测电压输入端
R 1(4脚)、R 1 /C 1(5脚)、C 1(6脚):外接积分阻容元件端C 1=0.1μf (聚酯薄膜电容器),R 1=470K Ω(2V 量程);R 1=27K Ω(200mV 量程)。
C01(7脚)、C 02(8脚):外接失调补偿电容端,典型值0.1μf 。
DU(9脚):实时显示控制输入端。若与EOC (14脚)端连接,则每次A / D 转换均显示。 CP1 (10脚)、CP o (11脚):时钟振荡外接电阻端,典型值为470K Ω。 VEE (12脚):电路的电源最负端,接-5V 。
VSS (13脚):除CP 外所有输入端的低电平基准(通常与1脚连接)。
EOC(14脚):转换周期结束标记输出端,每一次A / D 转换周期结束, EOC 输出一个正脉冲,宽度为时钟周期的二分之一。
(15脚):过量程标志输出端,当|V X |>V R 时,OR 输出为低电平。
DS4~DS 1 (16~19脚):多路选通脉冲输入端,DS 1对应于千位,DS 2 对应于百位,DS 3 对应于十位,DS 4对应于个位。
Q 0~Q 3 (20~23脚):BCD 码数据输出端,DS 2、DS 3、DS 4选通脉冲期间,输出三位完整的十进制数,在DS 1选通脉冲期间,输出千位0或1及过量程、欠量程和被测电压极性标志信号。
V DD (24脚):整个电路的正电源端。 2.4.2 译码器:
主要是把编码电路编成的二进制编码译码成十进制数,以便于人机交流(即要显示的数为人类易懂的十进制数1、2、3)。该电路功能主要由芯片CD4511完成。 BCD 到七段锁存-译码-驱动器C D4511
图2-6CD4511的引脚图及其输入输出真值表
CD4511的介绍: 七段锁存-译码-驱动器 C D4511
1.CD4511 是专用于将二-十进制代码(BCD)转换成七段显示信号的专用标准译码器,它由4 位锁存器,7 段译码电路和驱动器三布分组成。
(1) 四位锁存器(LATCH):它的功能是将输入的 A ,B ,C 和 D 代码寄存起来,该电路 具有锁存功能,在锁存允许端(LE 端,即 L ATCHENABLE )控制下起锁存数据的作用。 当 L E=1 时,锁存器处于锁存状态,四位锁存器封锁输入,此时它的输出为前一次 L E=0时输入的
L E 端的BCD 码;当 L E=0 时,锁存器处于选通状态,输出即为输入的代码。由此可见,利用
控制作用可以将某一时刻的输入 B CD 代码寄存下来,使输出 不再随输入变化。 (2) 七段译码电路:将来自四位锁存器输出的 B CD 代码译成七段显示码输出, CD4511中的七段译码器有两个控制端:LT 、BI 上述两个控制端配合使用,可使译码器完成显示上的一些特殊功能。
(3) 驱动器:利用内部设置的 N PN 管构成的射极输出器,加强驱动能力,使译码器输出驱动
V DD 的范围为 5V 一 15V ,它可与 N MOS 电路或 T TL 电路兼容电流可达 20mA 。CD4511 电源电压
工作。
CD4511 采用 16 引线双列直插式封装。使用 C D451l 时应注意输出端不允许短路,应用时电路输出端需外接限流电阻。
2.CD4511是一个用于驱动共阴极 LED (数码管)显示器的 BCD 码—七段码译码器,特点如下:具有BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED 显示器。
其功能介绍如下:
BI :4脚是消隐输入控制端,当BI=0 时,不管其它输入端状态如何,七段数码管均处于熄灭(消隐)状态,不显示数字。
LT :3脚是测试输入端,当BI=1,LT=0 时,译码输出全为1,不管输入 DCBA 状态如何,七段均发亮,显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。
LE :锁定控制端,当LE=0时,允许译码输出。 LE=1时译码器是锁A1、A2、A3、A4、为8421BCD 码输入端。a 、b 、c 、d 、e 、f 、g :为译码输出端,输出为高电平1有效。 锁存
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成, 传输门的导通或截止由控制端LE 的电平状态。当LE 为“0”电平导通,TG2截止;当LE 为“1”电平时,TG1截止,TG2导通,此时有锁存作用。 译码
CD4511译码用两级或非门担任,为了简化线路,先用二输入端与非门对输入数据B 、C
进行组合,得出
消隐
BI 为消隐功能端,该端施加某一电平后,迫使B 端输出为低电平,字形消隐。消隐输出J 的电平为 J= =(C+B)D+BI如不考虑消隐BI 项,便得J=(B+C)D 据上式,当输入BCD 代码从1010---1111时,J 端都为“1”电平,从而使显示器中的字形消隐。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD 码输入端。 a、b 、c 、d 、e 、f 、g :为译码输出端,输出为高电平1有效。
CD4511的内部有上拉电阻,在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。
选用共阴极数码管,对于 CD4511 ,它与数码管连接其中:A 、B 、C 、D 为数据输入端,LT 、BI 、LE 为控制端。a ~g 为输出端,其输出电平可直接驱动共阴数码管进行0~9的显示。根据CD4511的真值表,要使译码电路正常工作,LE 接低电平,LT 、BI 接高电平,D 端悬空,C 、B 、A 、分别接编码器的三个输出端Q2、Q1、Q0。而八个输出端则接共阴数码管的输入端。
、
、
、
四项,然后将输入的数据A 、D 一起用或非门译码。
图2-7CD4511逻辑图
2.4.3 驱动
七路达林顿驱动器阵列 M Cl413
MC1413采用NPN 达林顿复合晶体管的结构,每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻, 因此有很高的电流增益和很高的输入阻抗,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接
相连,可直接接受MOS 或CMOS 集成电路的输出信号,并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。mc1413工作电压高,工作电流灌电流可达500mA ,并且能够在关态时承受50V 的电压,输出还可以在高负载电流并行运行。该电路内含有7个集电极开路反相器(也称OC 门)。MC1413电路结构和引脚排列如图所示,它采用DIP —16 或SOP —16 塑料封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。
图2-8 MC1413引脚排列和电路结构图 2.4.4 基准电源MC1403
高精度低漂移能隙基准电源 M C l 403
基准电压源:提供精密电压,供 A/D转换器作参考电压。
MCl403 的输出电压的温度系数为零,即输出电压与温度无关.该电路的特点是:
① 温度系数小;② 噪声小;③ 输入电压范围大,稳定性能好,当输入电压从+4.5V 变化到
+15V 时,输出电压值变化量小于 3mV ;④输出电压值准确度较高,y 值在 2.475V ~2.525V 以内;⑤ 压差小,适用于低压电源;⑥ 负载能力小,该电源最大输出电流为 10mA 。MC1403是低压基准芯片。一般用作8~12b it 的D/A 芯片的基准电压等一些需要基本精准的基准电压的场合。MCl403 用 8 条引线双列直插标准封装,如图所示:
图2-9芯片引脚图
.........+--+--+--+ ...Vin.|1.+---+.8|.NC .Vout.|2..........7|.NC .GND.|3..........6|.NC ....NC.|4..........5|.NC .........+---------+
因为输出是固定的,所以电路很简单。就是Vin 接电源输入,GND 接底,Vout 加一个0. 1uf~1uf 的电容就可以了。 V out 一般用作8~12b it 的D/A芯片的基 准电压。
2.4.5 共阴极数码管
把7段数码管的每一段都等效成发光二极管的正负两个极,那共阴就是把abcdefg 这7个发光二极管的负极连接在一起并接地;它们的7个正极接到7段译码驱动电路CD4511的相对应的驱动端上(也是abcdefg )!此时若显示数字1,那么译码驱动电路输出段bc 为高电平,其他段扫描输出端为低电平,以此类推。无论共阴共阳7段显示电路,都需要加限流电阻,否则通电后就把7段译码管烧坏了!限流电阻的选取是:5V 电源电压减去发光二极管的工作电压除上10ma 到15ma 得数即为限流电阻的值。发光二极管的工作电压一般在1.8V--2.2V ,为计算方便,通常选2V 即可!发光二极管的工作电流选取在10-20ma ,电流选小了,7段数码管不太亮,选大了工作时间长了发光管易烧坏!对于大功率7段数码管可根据实际情况来选取限流电阻及电阻的瓦数!
图2-10共阴极数码管外部图及其结构图
2.5 数字电压表的基本原理
数字电压表是将被测模拟量转换为数字量,并进行实时数字显示的数字系统。
该系统可由MC14433―3 1/2位A/D转换器,MC1413七路达林顿驱动器阵列,CD4511 BCD到七段锁存-译码-驱动器,能隙基准电压源MC1403和共阴级LED 发光数码管组成数字电压表将被测模
拟量转换为数字量,并进行实时数字显示。其数字范围均为 0~所谓 3 位是指个位、十位、百位,9,而所谓半位是指千位数,它不能从 0 变化到 9,而只能由 0 变到 l ,即二值状态,所以称为半
位。 各部分的功能如下: 1 位 A /D 转换器(MC14433):将输入的模拟信号转换成数字信号。 2
基准电源(MC1403):提供精密电压,供 A /D 转换器作参考电压。
译码器(MC4511):将二—十进制(BCD)码转换成七段信号。 驱动器(MC1413):驱动显示器的 a ,b ,c ,d ,e ,f ,g 七个发光段,驱动发光数码管(LED)进行显示。 显示器:将译码器输出的七段信号进行数字显示,读出 A /D 转换结果。
工作过程如下:
3位半数字电压表通过位选信号 D S 1~DS 4 进行动态扫描显示,由于 M Cl4433 电路的 A /D 转换结果是采用 B CD 码多路调制方法输出,只要配上一块译码器,就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的 L ED 发光数码管动态扫描显示。DS 1~DS 4 输出多路调制选通脉 冲信号。DS 选通脉冲为高电平时表示对应的数位被选通,此时该位数据在 Q 0~Q 3 端输出。每个 D S 选通脉冲高电平宽度为 18 个时钟脉冲周期,两个相邻选通脉冲之间间隔 2 个时钟 脉冲周期。DS 和 E OC 的时序关系是在 E OC 脉冲结束后,紧接着是 D S 1 输出正脉冲。以下 依次为 D S2,DS 3 和 DS 4。其中 D S 1 对应最高位(MSD),DS4 则对应最低位(LSD)。在对应 DS2,DS 3 和 D S 4 选通期间,Q 0~Q 3 输出 B CD 全位数据,即以 8421 码方式输出对应的数字0~9.在 D S 1 选通期间,Q 0~Q 3 输出千位的半位数 0 或 l 及过量程、欠量程和极性标志信号。 在位选信号 D S 1 选通期间 Q 0~Q 3 的输出内容如下:
Q 3 表示千位数,Q 3=0 代表千位数的数宇显示为 1,Q 3=1 代表千位数的数字显示为 0。Q 2 表示被测电压的极性,Q 2 的电平为 1,表示极性为正,即 U X >0,Q 2 的电平为 0,表 示极性为负,即 U X
小数点显示是由正电源通过限流电阻 R DP 供电燃亮小数点。若量程不同则选通对应的小 数点。
过量程是当输入电压 U X 超过量程范围时,输出过量程标志信号。 MCl4433 的OR 端与 M C4511 的消隐端 B I 直接相连,当 U X 超出量程范围时,OR 输出低电平,即OR 0 → B I 0 ,MC4511 译码器输出全 0,使发光数码管显示数字熄灭,而负 号和小数点依然发亮。被测直流电压V X 经A / D 转换后以动态扫描形式输出,数字量输出端Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 上的数字信号(8421码) 按照时间先后顺序输出。位选信号DS 1 , DS2,DS 3,DS 4通过位选开关MC1413分别控制着千位、百位、十位和个位上的四只LED 数码管的公共阴极。数字信号经七段译码器CD4511译码后,驱动四只LED 数码管的各段阳极。这样就把A / D 转换器按时间顺序输出的数据以扫描形式在四只数码管上依次显示出来,由于选通重复频率较高,工作时从高位到低位以每位每次约300μS 的速率循环显示。即一个4位数的显示周期是1.2ms ,所以人的肉眼就能清晰地看到四位数码管同时显示三位半十进制数字量。
(1) 当参考电压V R =2V 时,满量程显示1.999V ;V R =200mV 时,满量程为199.9mV 。可以
通过选择开关来控制千位和十位数码管的h 笔经限流电阻实现对相应的小数点显示的控制。
(2) 最高位(千位)显示时只有b 、c 二根线与LED 数码管的b 、c 脚相接,所以千位只显
示1或不显示,用千位的g 笔段来显示模拟量的负值(正值不显示)即由MC14433的Q 2 端通过NPN 晶体管9013来控制g 段
2.6 数字锁存控制电路 74121的介绍 单稳态多谐振荡器
V cc
R ex t /Cex t C ex t R in t ^Q
TR -A TR -B TR +Q
图2-11 74121引脚图
CT74121型单稳态触发器的控制功能参见表4-2
说明:⨯表示任意值;↓表示电平从高到低的跳变;↑表示电平从低到高的跳变;“高”表示高电平脉冲;“低”表示低电平脉冲。
使用:C ext 是外接电容端,R int 是内部电阻端,R int /C ext 是外接电阻和电容公共端。 单稳态触发器输出脉冲的宽度由定时元件R 和C 决定。接法见图。
t
图2-12 74121
数字锁存控制电路是保证A/D存器里。为完成峰值的锁存,必须掌握A/D脚是数字显示更新输入控制端D U ,另一个管脚是转换周期结束标志输出端E 0C 。
D U 的功能是:当D U 为高电平时,A/D转换结果被送入输出锁存器;当D U 为低电
平时,A/D转换器仍输出锁存器中原来的转换结果。E 0C 的功能是:每一个A/D转换周期结束时,E 0C 端输出一个正脉冲。通常电路利用E 0C 端的输出控制D U ,则每次A/D转换的结果都会被输出,而峰值检测电路只允许峰值结果输出,小于峰值则不输出。所以电路必须设置在峰值时,E 0C 的输出才能控制D U 。考虑1/2位A/D转换器转换周期为1/3S,当峰值信号来到时,应允许的输出在1/3S内控制DU
端。由于采样/保持电路能在A/D转换周期内保持峰值的模拟量,所以在A/D转换周期间峰值数据不会受影响。根据前面分析设计数字锁存控制电路。
1) 电路设计
设计的数字锁存控制电路如图所示。其中74121及RT 、Cext 组成单稳态延时电路,由它和或门GA 、与门GB 组成控制电路。输入信号U K 来自比较器的输出,U K =1表示峰值采样,U K =0峰值保持。电路工作原理如下:
当U K =1时,或门GA 输出1,允许U EOC 通过与门GB 。若U E O C 高电平,则U DU
也是高电平。U DU 可以控制DU 端,峰值数据被锁存在A/D转换器的输出锁存器中。
当U K 由高电平变成低电平时,单稳态触发器的3端是下降沿触发的脉冲展宽延时电路输入端,在输入脉冲的作用下,在1/3S内U 0U 0在1/3S内仍保持高电平。使或门GA 输出1,此间E 0C 的输出电平U EOC 能通过与门GB ,U EOC 是高电平时,U DU 也是高电平,U K 也能控制DU 端,使输出锁存器锁存峰值数据。
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当U K =0,U 0=0时,或门GA 输出为0,封锁与门GB ,U EOC 不能通过与门GB ,与门GB 的输出U DU 为低电平,U DU 封锁A/D转换器的输出锁存器,输出锁存器仍输出原来的峰值数据。
2) 参数计算
单稳态触发器 3 脚输入信号 Uk 由高电平变为低电平时, 使输出脉冲 Uo 延时 1/3s 的高电平,数字锁存控制电路就能控制 A /D 的输出锁存器锁存峰值数据。输出 脉冲的延时时间 T x =1/3s 由外接部件 R T 和 C ext 的数值大小所决定。根据公式 T x =Cext R T ln2=0.7Cext R T ; 取 C ext =lμF ,将 T x =1/3s ,C ext =1μF 代入上式,得1/3s = 0.7RT ×10-6s ,即R T = 476kΩ 取标称值 R T = 510kΩ。 3) 器件选择
单稳态触发器74LS121,或门选74LS08。C ext 选1uF 的聚苯乙烯电容,RT 选510K Ω的金属膜电阻。
图2-13 数字锁存控制电路
3 附:峰值检测系统总体电路图的绘制(图中正电源用+5V,负电源用- 5V 。)
图3-1峰值检测电路
4 系统调试
(1) 加电源电压。VDD=+5V,V EE = -5V。
(2) 用示波器观察 M Cl4433 的 11 脚 f CLK 时钟频率。调整 R 2 f CLK =66kHz。
V x ,此值需用标准数字电压表(3) 采用稳压电源,调整其输出电压为 1.999V ,以此作为模拟量输入信号 监视,然后调整基准电压 V R 的电位器,使 L ED 显示量为1.999V 或 199mV ,此时将电位器值固定好。 (4) 观察 M Cl4433 第 6 脚处的积分波形.调整电阻 R 1 值使 U x 为 1.. 999V 时,积分器输出既不饱和,又能得到最大不失真的摆幅。 5) 检查自动调零功能。当 M Cl4433 的端子 U x 与 U AG 短路或 U x 端没有信输入时,LED 显示器应显示 0000。
(6) 检查超量程溢出功能。调节 U x 值,当 U x 为 2V(或者 U x >UR ) ,观察 L ED 发光数码管有否闪烁显示告警作用,此时OR 端应为低电平。 (7) 检查自动极性转换功能。将+1.990V 和一 1.990V 先后加到输入端,两次读数之 差为翻转误差,根据 MOTOROLA 公司规定,正负极性转换时允许个位有士 1 个字的误差。 (8) 测试线性度误差,将输入信号 U x 从 0V 增大到 1.999V ,输出几个采样值,其U x 值用标准数字电压表监视,然后与 L ED 显示数值相比较,其最大偏差为线性误差。 (9) 将信号电压 U x 极性变反,重复步骤 (8)。 (10) 当 M Cl4433 的 9 与 14 脚直接相连时,观察 E OC 信号有否? 当 D U 端置“0” 时,观察 L ED 显示数字是否锁存。
(11) 调试分压器,检查各量程是否准确。
5 总结
历时二个多月的毕业设计结束了,虽然这个过程是漫长和枯燥的,其间也碰到过困难,但毕业论文的顺利完成使我获得了很多平时没学到的知识,心中充满了欣慰。通过进行峰值检测系统的设计,我掌握了数字电压表的原理、设计与调试方法。熟悉了集成电路 M Cl4433,MCl413,CD451l 和 M Cl403 的使用方法,并掌握了其工作原理。并能将它们合理的利用去设计出这一峰值检测系统,其间遇到过不少的困难,在自己去积极查资料和总体思路的把握与冯老师的指点与帮助下,完成这个题目的设计。通过这此的峰值检测系统的设计,使我对数模电子技术的理论有了进一步的认知与提高,更重要的是使我的自学和实践的能力得到了一定的提高。虽然大部分的元器件在仿真软件中不能找到,没能完成电路的仿真,这是一大遗憾,但它在理论上是行得通的。
6 致谢辞
历时二个多月的毕业设计结束了,虽然这个过程是漫长和枯燥的,但毕业论文的顺利完成使我获得了很多平时没学到的知识,心中充满了欣慰。毕业论文是大学三年所学知识的综合运用,也是理论走向实践的第一步,为以后走向工作岗位奠定了基础。经过这次毕业设计,使我掌握了峰值检测电路的设计、组装与调试方法;熟悉了LF398和集成电路 M Cl4433、MCl413、CD451l 、MCl403 的使用方法,并掌握了其工作原理;熟悉了电子电路的一般设计方法。在设计中我得到了冯老师的悉心指导,为我指点迷津,帮助我开拓研究思路,精心点拨、热忱鼓励。她严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励着我。在此,对冯老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 荐于本人的水平有限,难免存在一些错误和漏洞,望各位老师、同学不吝赐教,在此向大家表示衷心的感谢。
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参考文献
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电子科技大
8 附录
附录一 元件清单
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