基于AD7896的瞬时峰值电压测量仪

袁开鸿，陈新喜

（湖南铁道职业技术学院 湖南 株洲 412001）

峰值检测是示波器中数据采集的方法之一[1-3]。示波器显示波形时，为了能够在存储深度上满足获取毛刺的需求，可以采取取样方式、平均方式以及峰值检测方式。取样方式是通过平均的时间间隔对信号进行取样来创建波形，这种方式要捕捉窄的毛刺时，示波器必须以高的采样率才能实现，并且数据需要全部存储起来，当信号的频率比较低的时刻，示波器必须将时基档位调到等效采样率很低，采集到毛刺信号非常困难。而峰值检测则只需要以最高的采样率捕捉信号，简单的忽略某些采样，只记录发生在每个采样间隔期间内的最大和最小值。这样就无须增加存储深度，还可以捕捉毛刺或者偶发事件。因此研究峰值检测技术、设计实用易行的峰值检测电路则具有很好的应用价值。本文给出了整个电路的整体框架，以AD7896作为主要的转换器件，完成了一款简单易行的峰值检测仪的设计，并对各个子模块的硬件设计以及软件框图进行了设计与说明[4-5]。

1 系统原理

本测量仪以P89V51RD2单片机为基础，以AD7896作为主要器件，整个电路分为以下几个功能模块：分压模块、峰值检测电路、中断启动电路、A/D采样电路、单片机控制电路和数码管显示电路。电路框图如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of the system structure

2 硬件系统设计

2.1 分压电路的设计

分压电路是利用高压臂电阻R1和低压臂电阻R2组成电阻式分压器，电压信号在低压侧取出，如图2。为保护二次侧测量装置，在低压电阻上加装一个稳压管D5，使其放电电压恰好略小于或等于低压侧允许的最大电压5 V，为使电子电路不影响分压器的分压比，在二次侧加设跟随器。

电阻分压器最重要的是误差问题，其结构和参数的确定必须从减小误差的角度加以考虑。由电路分析可以看出，若在分压器的高压端加设屏蔽罩，可以部分地补偿分压器对地的杂散电容，即可以减小误差，同时考虑到接地端的屏蔽罩可以控制分压器对地的杂散电容，因此在设计时也加设了低压屏蔽罩。经过分压电路后的最大电压值为：

图2 分压电路原理图Fig.2 Principle diagram pressure circuit

电阻的选择应从3个方面加以考虑，电阻温度系数、耐压性能和阻值。如果是冲击电压的电压值较高，可以考虑选用可承受高电压的玻璃釉电阻器，该电阻器又称厚膜电阻器，属于合成型电阻器，其温度系数小，表面比功率高，几乎没有杂散电感。选择电阻元件的容量大于分压器所需的额定功率，减小温升，也是出于减小误差的考虑。

2.2 峰值检测与保持电路设计

本电路中仅用两个运算放大器就能完成对非正弦波形的峰值电压的检测。如图3。图中运算放大器AR1和AR2采用JFET双运放TL082，具有低偏置电压和高输入阻抗特性。AR2起到电压跟随器作用。V1（t）的电压范围是0～5 V，峰值检测器的作用是：一直跟随输入信号，当输入到最大电压值时峰值检测器自动保持该峰值电压值。

图3 峰值检测与保持电路Fig.3 Peak detection and hold circuit

该电路的原理是：

1）本电路输出初始电压值为0，二极管D1，D2和D3截止。

2）在电压峰值达到V1之前，AR1处于开环增益状态，V2＞0，D1截止，D2和D3导通，V3=VC=V0=V1，对电容C3进行充电，将被测信号电压的峰值保持在电容C3上，电路工作在跟随状态。

3）当峰值达到后，V1（t）减小，V1＜VP （峰值），V3＞V1，经过AR1开环增益放大后，D1导通，使AR1没有进入反馈饱和，D2反射向偏置，由于R2的存在，使得D3处于零偏置状态，阻止电容C3放电。由于电容C3在峰值到来之前充电，存储的能量是最大幅度时的，因此后级跟随器依然保持之前的最大幅度，电路工作的保持状态。

4）之所以增加二极管D3的电阻R6，是因为可以有效地减小电容C3通过D2漏电。

5）在本电路中，在电容C3旁边增加了一个PNP三极管作为开关，并通过P14控制该电容在测量之后进行放电，以便下次测量。此外，在电容C3之前，还串接一个1Ωm的电阻，用过防止过冲。

本电路的电压转换速率为：

因此，电容C3的容量大小将对电压转换速率有很大的影响。容量大、漏电小的电容可以有效减小漏电流，但是由于价格昂贵的原因也并没有得到很好的应用。同时，容量过大，也不能很好的捕捉到峰值电压，一般C3的典型值为：1 nf～0.1μf。

2.3 中断启动电路的设计

为了单片机采集、处理数据的方便性，可以在峰值检测电路的基础上加入硬件中断输出能力以在峰值数据准备好后通知单片机，电路原理如图4所示。

图4 中断启动电路原理图Fig.4 Interrupt enable circuit principle diagram

用户可以根据信号特征的不同调节产生中断的信号门槛电压，这样可以提供给使用者很大的方便。该电路使运放处于开环增益状态，其输出值为-5 V或者+5 V，经过二极管D4后，使其输出为0或者5 V，符合单片机正常的工作信号：低电平和高电平。

2.4 A/D采样电路的设计

本电路设计的被测电压的范围为0～100 V，假设要求被测信号分辨出0.1 V电压变化，由于被测信号经分压电路后规范成0～5 V，而在本测量仪中，假设选择参考电压源为5 V的ADC，则可求出ADC芯片的分辨率以及信号调理的放大倍数。

K=ADC满刻度电压值/信号最大值=5 V/5 V=1 ADC芯片的位数为：

式中，Umax为ADC芯片的满刻度输入电压，现以定为5 V，Umin为ADC芯片的最小分辨出的电压。它由被测信号分辨率决定，现要求能分辨出0.1 V电压变化，对应于分压电路后产生0.1×5 V/100 V的电压变化，此电压经K=1倍放大后，求得Umin为：

综上所述 ，选择N≥10位的ADC芯片，即可以满足分辨率要求。

当然，如果要求被测信号能分辨出0.01 V的电压变化，即要求更高精度的ADC，则ADC的分辨率高些，此时，N=log（1+5V/5×10-4V）2=13.29，故选择N≥14位的ADC芯片即可。

考虑到瞬时电压的周期为50~100μs，速率比较快，本电路采用AD7896作为A/D转换器。AD7896是一个12位的快速AD转换芯片，片上包含了一个8μs的逐次逼近ADC，一个锁存放大器，一个高速串行接口。AD7896为单电源供电，VDD输入范围为2.7~5.5 V，模拟信号输入端VIN的电压可在0V-VDD间取值，同时VDD也作为ADC的参考电压（本电路设计的参考电压源为+5 V），AD7896提供了两种工作模式：高速采样模式与自动休眠模式。为了获得快速的电压转换信号，这里采用了高速采样模式。其A/D转换接口电路图如图5所示。

图5 A/D转换电路原理图Fig.5 The A/D conversion circuit principle diagram

2.5 单片机控制电路

本测量仪采用单片机P89V51RD2作为控制核心，当收到中断启动电路的中断信号后，启动AD转换电路，并将电压值直接送到数码管显示电路。单片机控制电路如图6所示。

图6 单片机控制电路Fig.6 SCM control circuit

3 系统软件设计

本系统的整个软件设计都是围绕着如何准确获得电压的峰值以及将测量结果正确显示处理。因此，在主程序中主要处理各系统的初始化以及显示问题，而在中断服务程序中处理电压信号的读取、模数转化以及数据运算等问题。软件设计的流程图如图7~8所示。

图7 主函数流程图Fig.7 The main function flow chart

图8 中断服务程序流程图Fig.8 Interrupt service program flow chart

4 结 论

电路通过软硬件的联调，将测试的结果显示在数码管上，通过对数码管上数值与示波器实测数据的比较，可以得出，本设计的峰值检测电路灵敏可靠，转换速率高。

[1]郭宗平，王厚军，戴志坚.信号采集中峰值检测电路的设计与实现[J].中国测试，2011，37（3）63-65.GUO Zong-ping，WANG Hou-jun，DAI Zhi-jian.Peak signal detection circuit design and implementation of the test[J].Chinese，2011，37（3）:63-65.

[2]朱金涞，毛翔，朱高剑.峰值检测电路中过峰时刻判断方法研究[J].电子元器件应用，2012，12（5）：50-53.ZHU Jin-lai，MAO Xiang，ZHU Gao-jian.Peak detection circuit in the peak time judgment method of[J].Electronic Components Application，2012，12（5）:50-53.

[3]刘洪英，史小军.带中断输出的实用峰值检波电路设计[J].电子器件，2003，26（1）：104-106.LIU Hong-ying，SHI Xiao-jun.Interrupted with practical peak detection circuit design of[J].Electronic Device Output，2003，26（1）:104-106.

[4]李凌，虞礼贞.电压幅值可达毫伏数量级的小信号峰值检测电路的设计[J].南昌大学学报，2003，27（4）：382-386.LI Ling，YU Li-zhen.Design of small signal peak magnitude of voltage amplitude can reach MV detection circuit[J].Journal of Nanchang University，2003，27（4）:382-386.

[5]胡理，师弈兵，黄建国.峰值检测技术在数据采集卡中的应用[J].仪器仪表学报增刊，2004，25（4）:407-409.HU Li，SHI Yi-bin，HUANG Jian-guo.Application of[J].Chinese Journal of scientific instrument supplement peak detection technology in the data acquisition card，2004，25（4）:407-409.

[6]宫玉芳.峰值检测系统的设计[J].今日科苑，2007，20（3）:36.GONG Yu-fang.Design of peak detection system[J].Today Keyuan，2007，20（3）:36.