改进式峰值保持电路（牛爷爷）

简 介本文介绍了一种改进式峰值保持电路设计方案。传统电磁传感模块采用47K电阻被动泄放方式存在信号残影和响应迟滞问题。新方案通过三个关键改进1去除泄放电阻改用单片机IO口主动控制电荷泄放2选用低漏电NP0材质电容3采用更低压降的肖特基二极管。实测表明改进后的电路响应时间缩短至2个电磁周期50微秒噪声水平降低至1.27%同时解决了信号残影问题。该设计特别适用于需要快速响应和精确测量的电磁传感应用场景。关键词电磁信号检波ADC开漏01【改进式峰值保持电路】卓大虽然我并不参加比赛 但是最近有同学向我求助 想让我对他们的电磁传感模块进行微型化改进。 以此契机我顺便研究了一下电磁传感器部分的经典放大-检波电路 并且有了一些新的思路特来向你分享 并且希望可以对其他的参赛同学有参考作用。首先贴一下传统的电路▲ 图1.1 传统经典电磁信号放大检波电路这个电路的原理就是 电磁信号经过LC谐振后 信号一端接地 一端经过运放进行可调的倍数放大 由100K的可调电阻控制倍数 然后放大后的信号 通过一个100nF电容隔离直流分量 再通过一个二极管进行检波 此时获得到的就是半波信号 负半周由另一个二极管对地泄放掉了 然后二极管因为单向导通的原理 所以电荷会积累在100nF的保持电容上 使其保持最大的电压峰值 这样就可以读到正弦波的峰值了 同时47K的电阻作为泄放电阻 用于缓慢泄放这个电荷 使其峰值下降的时候也能跟随。我针对这种结构称作被动泄放方式 因为这里的泄放是不可控的 由47K电阻一直在泄放 这种方式下 当外部20Khz信号的峰峰值快速增大的时候 因为是二极管直接充电 所以跟随迅速 但是缺点也很明显 信号快速下降的时候 此时只能由47K电阻进行泄放。 导致这个信号其实是有一个迟滞的 我管这个叫做“信号残影”。针对这个问题我对此做了一些小小的改动这张图中我去除了被动泄放电阻 那么电荷从哪里走呢 我选择将单片机对应读取ADC的I/O口设置为开漏输出这样输出1的时候单片机为高阻状态 可以读ADC输出0的时候为强推挽到地 可以快速清空这个C3保持电容上的电荷。 同时也巧妙利用的I/O的本身特性 无需额外驱动电路 仅靠软件控制I/O状态切换即可实现电荷的精准控制。▲ 图1.2 改进后的电路这里是有一个好处的 因为不清空的情况下 这个保持电容上的电荷无处泄放所以会一直保持在一个很稳定的水平具有很高的抗干扰和稳定性。 且主动清空以后电荷又是从0开始累计的 所以信号残影也被消除掉了。这里我将肖特基二极管换成了一个更小压降的 这样可以更灵敏的探测低信号的电压。 前面的100R电阻 主要的作用是防止I/O拉低的时候 因为和二极管形成通路 对运放的输出造成过大电流负担。 从而保护运放输出级不被反向灌流损坏 而C3电容则改用低漏电的NP0材质 进一步抑制温漂与漏电流对峰值保持精度的影响。同时我还针对这个电路实际进行了打板测试 对应的结论也在图上 噪声水平与保持电容的大小和材质都呈正相关 使用NP0/C0G材质的电容可以非常明显的降低电路的噪声水平。 同时之前的经典电路中使用了100nF的电容 我这里却只使用了6.8nF的电容 一个是NP0下不好找到那么大的电容 第二个是I/O口推挽下能走过的电流也有限 不能使用太大的电容对地放电 否则流过单片机的电流会过大 有概率损坏I/O口。这里再贴一下我实际测试的图片 这个是由一个便携示波器产生的20Khz信号直接输入 然后调整这个信号的大小来进行捕获测试。 可以看到这个示波器使用的其实是一个模拟开关来做的电压切换 因为其切换的时候可以明显读到0 全断开状态 这个也侧面证明了这个主动泄放方案的响应速度之迅速。 上图的左侧就是一个较小的NP0电容 右边是一个较大值的NP0电容 可以看到更大的电容明显具有更低的噪声水平 在880pF的NP0下 噪声水平就已经可以降低到1.27%了 且电路可以在2个电磁周期内进行峰值采样响应十分迅捷。这里给出我的实际测试代码 ADC_Clear其实就是#define到了对应的IO口拉低一段时间清空电荷然后拉高并等待两个周期的峰值再进行采样既可以看到上面波形图中的读数了。—整个过程仅需不到50微秒比传统47K电组放电更加迅速。● 相关图表链接:图1.1 传统经典电磁信号放大检波电路图1.2 改进后的电路