1、目录绪论 .1一 峰值检测基本原理 .2二 系统方案设计 .22.1 系统总体框图设计 .22.2 峰值检测方案设计和论证 .3三 硬件设计 .43.1 单片机 A/D 转换电路和 LCD 接口电路 .43.1.1 ATMEGA16 简介 .43.1.2 ATMEGA16 的管脚分布及功能 .53.1.3 LCD1602 的接口电路 .53.2 小信号放大电路 .63.3 电源电路 .7四 软件设计 .84.1 ATMEGA16 单片机的模数转换器 ADC 介绍 .84.2 ATMEGA16 单片机的模数转换器 ADC 相关的 I/O 寄存器 .94.2.1 ADC 多路复用器选择寄存器 AD
2、MUX .94.2.2 ADC 控制和状态寄存器 AADCSRA.104.2.3 ADC 数据寄存器 ADCL 和 ADCH .114.3 系统软件框图设计 .12五 系统仿真调试与结果分析 .135.1 系统仿真调试 .135.2 结果分析 .14六 总结 .15七 参考文献 .16附录 .17附录 A 系统总体电路图 .17附录 B 主程序代码 .18附录 C 头文件 LCD1602.h .20附录 D 实物图 .22致谢 .23信号峰值检测研究与设计摘要本设计介绍了峰值检测系统的设计原理、软硬件设计方法及系统性能指标调试方法。被测信号经传感器转化为电信号，再经运放 AD620 和 OP0
3、7 放大、LF398 采样/保持后进行 A/D 转化和信号处理后数字显示输出。研究的主要内容有：方案论证、硬件设计、软件设计、系统实物调试。硬件设计主要有小信号放大电路、峰值采样/保持电路、AD 转换电路、LCD 显示电路、电源电路及单片机最小系统。系统以 ATMEGA16 单片机作为控制核心，以 LF398 芯片为峰值采样/保持电路核心，实现了输入信号的峰值提取和数字输出，并给出了具体方案和实验样本。【关键词】 峰值 采样/保持电路 ATMEGA16 单片机 LF398AbstractThis design introduced the design principle of the pea
4、k detection system、the design method and system performance testing method. The sensor signal is transformed into electrical signals, then the amplifier AD620 and OP07 amplifier、LF398 sampling/keep on the A/D transformation after and signal processing after digital display output. The main contents
5、include: project argumetntation, hardware design, software design and debug. Physical system, The hardware design mainly small signal amplifier circuit, peak sampling/keep circuit, AD transform circuit, LCD display circuit, the power circuit chip and minimum system. As the control system with ATMEGA
6、16 microcontroller core, with LF398 chip for peak sampling/keep circuit, realize the core of the input signal peak extraction and digital outputs, and presents a scheme and test sample.【Keywords】 peak sampling/keep circuit ATMEGA16 LF3981绪论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 1。设计完
7、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存储示波器及数据采集卡中的重要技术之一, 用来实现波形的峰值捕捉 2。在科研、生产的许多领域都需要用到峰值检测设备，比如检测某建筑物中梁的最大承受力 ,检测一根钢丝绳的最大允许拉力等，这就需要用到相应的检测设备。目前常用的方法是先求得检测信号的平均值，但使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 3。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 ,效果会很差 ,主要表
8、现在两个方面:第一 ,若选择 RC 电路时间常数大一些 ,则输出信号的波形会好一些 ,但检波输出之后的信号幅值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 ,信号快变部分的丢失变得严重。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 A/ D 变换。为了得到良好的输出波形,同时峰值检波前后的信号幅值差异小 ,信号快变部分丢失小 ,检波效率高 ,以利于 A/ D 变换的需要 ,一种较好的方法就是采用基于单片机(MCU)和 LF398 的峰值检波电路
9、，本文分析设计了一台基于 AVR 单片机(MCU)和 LF398 的信号峰值检测仪 ,测量精度为 0.005V,采用 LCD1602 液晶显示峰值。2一 峰值检测基本原理峰值检测电路（PKD，Peak Detector）的作用就是对输入信号的峰值进行提取，产生输出 Vo = Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值需一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位。其效果原理如图 1 所示：图 1 峰值检测基本原理二 系统方案设计2.1 系统总体框图设计本系统的关键任务是检测出峰值并使之保持稳定和数字显示，其总体结构框图如图 2 所示。它由传感器、放大器、采样/保持电路、采样/保持控制电路、A
10、/D 转换电路、峰值显示电路组成。由传感器测量得到一定的输入信号，该输入信号一般较小，需经放大器放大，放大后的信号送入峰值采样/保持电路，单片机将得到的峰值模拟信号进行 A/D 转换后数字输出并显示。传感器信 号放大 采样/ 保持电路采样/ 保持控 制电路主控器A / D 转换峰 值显示图 2 峰值检测系统设计总体结构框图32.2 峰值检测方案设计和论证方案 1：如图 3 所示即为一般正峰值检测电路，其工作原理为：初始状态电容电压 Uc 等于零时,当输入电压 Ui 0 的时候,由于运放 U3 充当跟随器,故 Ui= Uo ,二极管 D2 导通 ,电压 Ui 对电容 C2 充电 ,直至电容 C2
11、 上的电压 Uc 等于输入电压 Ui 的峰值，只要输入电压 Ui Uc ,二极管 D2 就截止,电容电压 Uc 保持不变,即电容电压 Uc 保持先前检测到的输入电压 Ui 的峰值,只有输入电压 Ui Uc 时,二极管 VD 才导通 ,电容 C 进行充电。总之 ,电容电压 Uc 始终保持输入电压 Ui 的峰值。但此电路存在缺陷 ,当输入小信号波形的正向峰值小于二极管 D2 的正向导通电压时 ,二极管将截止 ,此峰值检测电路便不能工作。可见 ,此电路不能用于检测小信号波形的峰值。图 3 一般峰值信号检测原理图方案 2：如图 4 所示为小信号峰值检测电路,此电路是由一级运放构成 ,二极管 VD 置于
12、反馈回路之中。运放 U1 与电容 C1 一道构成峰值检测电路;运放 U2 构成跟随器 ,使峰值检测电路与后面的电路隔离。当小信号输入时 ,即使输入信号的正半周很小 ,由于运放 U1 的 Av ( Av 为运放环路电压增益 ) 很大,而 U1 的输出电压等于 Uin Av ,所以 U1 的输出电压也足以使二极管导通,迫使运放 U1 处于跟随状态,从而能实现对输入小信号的峰值进行检测。虽避免了方案 1 的不足之处，但是该方案对各个元件的参数要求较高，而且容易受干扰。图 4 小信号峰值检测原理图4方案 3 ：如图 5 所示，采用 LF398 作为峰值采样/保持电路的核心，LF398是一种反馈型采样/
13、保持放大器，它的第 8 个引脚为采样保持器的控制脚 ,输人高电平时 ,芯片工作在采样状态,输入低电平时 ,芯片工作在保持状态 。由于回路阻抗很大 ,所以保持功能很强 ,电路的保持功能是依靠 C1 对 Vi 的充电实现的 ,因而对 C1 的要求较高 ,一般选用有机薄膜介质电容。UA741 构成比较器电路,将被测信号与保持信号 Vo 进行比较,若 ViVo,比较器输出高电平 ,开启 LF398 进人采样状态 ，若 ViVo,比较器输出低电平 ,使 LF398 保持原有信号峰值。图 5 LF398 采样电路通过实验发现，方案 3 不仅避免了前两种方案的缺陷，而且相比于前两个方案，其峰值保持效果有极大
14、的提升，简化了硬件电路，在一定程度上减少了元件参数的影响，因此本系统采用了方案 3。三 硬件设计3.1 单片机 A/D 转换电路和 LCD 接口电路3.1.1 ATMEGA16 简介ATMEGA16 单片机是 1997 年由 ATMEL 公司研发出的增强型内置 Flash 的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速 8 位单片机。与其它单片机相比，AVR 单片机具有如下优点： 哈佛结构，具备 1MIPS / MHz 的高速运行处理能力； 超功能精简指令集（RISC），具有 32 个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU 采用单一 ACC 进行处理造成
15、的瓶颈现象；5 快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号 FLASH 非常大，特别适用于使用高级语言进行开发； 大部分 AVR 片上资源丰富：带E2PROM，PWM，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT 等； 片内集成多种频率的 RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠； 3.1.2 ATMEGA16 的管脚分布及功能如图 6 所示为 ATMEGA16 的管脚图。VCC(10):数字电路的电源。GND(11、31):地。XTAL1（13）:反向振荡放大器与片内时钟
16、电路输入端。XTAL2（12）：反向振荡放大器输出端。AVCC（30）:端口 A 与 A/D 转换器电源。AREF（32）:A/D 模拟基准电压输入引脚。 图 6 ATMEGA16L 管脚图RESET（9）:复位输入脚，持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。端口 A（PA0-PA7）:端口 A 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。端口 B（PB0-PB7）: 端口 B 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。端口 C（PC0-PC7）: 端口 C 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。端口 D（PD0-PD7）: 端口 D 为 8 位双
17、向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。3.1.3 LCD1602 的接口电路LCD1602 引脚分布及功能与 ATMEGA16L 单片机的接口电路如图 7 所示。6图 7 A/D 转换电路和 LCD 显示电路第 1 脚：VSS 为地电源。第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影” ，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当
18、RS和 RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据。第 6 脚：E 为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。第 1516 脚：背光电源。3.2 小信号放大电路在一般的信号放大应用中通常只要经过差动放大电路即可满足要求，然而基本的差动放大电路精密度较差，而且差动放大电路上改变放大增益时，必须调整两个电阻，影响整个放大精确度的因素就更加复杂。而仪表放大器 AD620 增益范围7宽（增益为 1-1000） ，电源供电范围宽（+2.
19、3V-+18V） ，功耗低，精确度高，电路简单，只需外接一个电阻就可改变放大倍数 4，图 8 为 AD620 的管脚图，其中 1、8 脚需跨接一电阻来调整放大倍率，4、7 脚需提供正负相等的工作电压，2、3 脚接入输入信号即可从 6 脚得到放大后的信号，5 脚为参考基准电压输入，如果接地则 6 脚的输出即为与地之间的相对电压，AD620 的放大增益关系式如式（1）和式（2）所示，由此 2 式我们即可推出各种增益所需要的电阻 Rg.G = +1 （1）49.4KRgRg = （2）49.4KG-1图 8 AD620 管脚图基于上述有利条件，我们以 AD620 为核心，OP07（扩大增益范围）为辅构成系统的放大电路,电路如图 9 所示：信号经过前级电压跟随器器后送入 AD620进行第一级放大，AD620 输出信号送至 OP07 进行第二级放大后输出。图 9 信号放大电路3.3 电源电路电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。在本系统中单片机、液晶显示电路需要 5V 的电源，因此电路中选用稳压芯片 7805；峰值采样/保持芯片 LF398，AD620，OP07 等芯片需要+12V 和-12V 的双电源，因此电路中采用了稳压芯片 7812 和 7912，其最大输出电流为 1.5A，能够满足系统的要求，其电路如图 10 所示。
