雙沿觸發微分法峰值檢測器及峰值檢測方法與流程
2023-05-17 07:28:36
本發明涉及峰值檢測，具體涉及雙沿觸發微分法峰值檢測器及峰值檢測方法。
背景技術：
峰值檢測的作用是對輸入信號的峰值進行提取，產生輸出電壓等於輸入信號峰值電壓。峰值檢測電路在自動增益控制(AGC)電路、傳感器最值求取電路、AD/DA電路中廣泛應用，平時一般作為程控增益放大器倍數選擇的依據，峰值檢測電路的檢測精度及工作頻率等指標直接決定了參數採集系統的性能。隨著當前信號頻率的不斷提高，信號種類的多樣化發展，對峰值檢測器的工作頻率及檢測精度等也提出了更高的要求。
傳統峰值檢測電路利用二極體的正偏特性作為採樣保持的指令判斷，具有檢測精度高、結構簡單的優勢，但由於二極體的頻率響應特性，其輸入信號工作頻率受到很大限制，而且在應用於輸入信號幅度不斷變化的複雜採樣系統時，需要引入額外的復位電路及相應的邏輯算法，較難滿足複雜參數採樣系統的需求。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於提供雙沿觸發微分法峰值檢測器及峰值檢測檢測方法，實現對高頻率輸入信號的實時峰值檢測。
為了解決上述技術問題，本發明的第一個技術方案是：一種雙沿觸發微分法信號峰值檢測器，包括微分電路、雙沿觸發比較器電路及採樣保持電路；其特點是：
所述微分電路用於對輸入信號進行微分變換處理，得到輸入信號的微分變換結果，且當輸入信號處於峰值或谷值時，得到的微分變換輸出信號正好處於零點或參考電壓；便於比較器進行比較處理；
所述雙沿觸發比較器電路接收微分電路的輸出信號，將其與零點電壓或參考電壓進行比較，並根據比較結果輸出雙沿觸發的數字控制信號，以控制採樣保持電路進行採樣或保持操作；
所述採樣保持電路包括兩級射極跟隨器、高速開關電路及保持電容；第一級射極跟隨器與微分電路同時接收輸入信號，其輸出跟隨輸入信號，第二級射極跟隨器的輸出即為最終的峰值檢測結果輸出；高速開關電路連接在第一級射極跟隨器的輸出與第二級射極跟隨器的輸入之間，並且第二級射極跟隨器的輸入端通過保持電容接地，高速開關電路的通斷由雙沿觸發比較器電路輸出的雙沿觸發數字控制信號控制；當高速開關電路導通時，第一級射極跟隨器的輸出信號對保持電容充電，當高速開關電路斷開時，保持電容通過第二級射極跟隨器放電；高速開關的控制信號由雙沿觸發比較器電路提供。
本發明採用微分電路來實現輸入信號的微分變換，當輸入信號處於峰值或谷值時，得到的微分變換輸出信號正好處於零點或參考電壓值，實現了對輸入信號峰值的高精度判斷；採用雙沿觸發比較器電路來得到用於控制採樣保持電路的雙沿觸發數字控制信號。即通過採用雙沿觸發比較器電路對微分變換輸出信號與零點電壓或參考電壓值進行比較，當輸入信號還未達到峰值時，微分變換輸出信號高於零點電壓或參考電壓值，則雙沿觸發比較器電路輸出高電平。當輸入信號達到峰值時，微分變換輸出信號等於零點電壓或參考電壓值，則雙沿觸發比較器電路輸出由高電平跳變至低電平。在下一個周期中，當輸入信號處於上升沿時，微分變換輸出信號高於零點電壓或參考電壓值，則輸出又由低電平跳變至高電平。從而得於雙沿觸發數字控制信號，實現對採樣保持電路的高速開關的實時控制。本發明採用採樣保持電路來對輸入信號進行採樣和保持兩種操作，當雙沿觸發比較器電路輸出的雙沿觸發數字控制信號為高電平時，高速開關導通，輸出信號跟隨輸入信號變化，為採樣狀態。當雙沿觸發比較器電路輸出的雙沿觸發數字控制信號為低電平時，高速開關關斷，輸出信號在一定時間內保持關斷時的輸出電壓值，為保持狀態。當本發明應用於A/D轉換電路時，即可在保持時間內進行相應的模擬數字轉換。
根據本發明所述的雙沿觸發微分法峰值檢測器的優選方案，所述雙沿觸發比較器電路中包含比較器核心電路和數字控制信號產生電路；所述比較器核心電路為處於開環狀態的運算放大器，當微分電路的輸出信號達到零點電壓或參考電壓時，運算放大器輸出電壓為高電平，當微分電路的輸出信號低於零點電壓或參考電壓時，運算放大器輸出電壓為低電平；數字控制信號產生電路將運算放大器的輸出信號轉換成數字電平。
由於在實際工作過程中，運算放大器輸出電壓受到運算放大器開環增益限制，不能達到電源電壓或地電平，因此需要數字控制信號產生電路進行轉換，將輸出信號放大至電源電壓電平，從而得到標準的方波控制信號，用於控制採樣保持電路的開關切換。
根據本發明所述的雙沿觸發微分法峰值檢測器的優選方案，比較器核心電路包括PMOS管MP1～MP13和NMOS管MN1～MN10；PMOS管MP1柵極和漏極連接，為電流輸入端，MP1的源極接電源；PMOS管MP1、MP2、MP3的柵極相互連接，MP2、MP3的源極接電源；PMOS管MP4、MP5的柵級相互連接，PMOS管MP5的柵極和漏極相連，PMOS管MP4、MP5的源級接電源；PMOS管MP6、MP7構成輸入級，MP6的柵極接輸入正端，MP7的柵極接輸入負端，PMOS管MP6、MP7的源級接MP3的漏極；MP7的漏級接MN13的漏極；PMOS管MP8的柵極和漏極相互連接，MP8的源極接MP9的漏極，PMOS管MP8、MP9的柵極相互連接，MP9的源極接電源；PMOS管MP10、MP11的柵極相互連接，MP10的源極接MP11的漏極，MP11的源極接電源；PMOS管MP12、MP13的柵極相互連接，MP12的源極接MP13的漏極，MP13的源極接電源，MP12的漏極接MP10的源極；NMOS管MN1的柵極和漏極相連，並連接到PMOS管MP2的漏極，NMOS管MN1、MN2的柵極相互連接，NMOS管MN2的漏極連接到NMOS管MN7、MN8的源極，NMOS管MN1、MN2的源極接地；NMOS管MN3、MN4的柵極相互連接，NMOS管MN3的柵級和漏極相互連接，並連接到PMOS管MP4及MP6的漏極，NMOS管MN4的源極接地；NMOS管MN5、MN6的柵極相互連接，NMOS管MN5的漏極連接到PMOS管MP10的漏極，NMOS管MN6的源極接地；NMOS管MN13、MN14的柵極相互連接，NMOS管MN13的柵極和漏極相互連接，並連接到PMOS管MP7的漏極，NMOS管MN6的源極接地；NMOS管MN7、MN8構成輸入級，MN7的柵極接輸入負端，MN8的柵極接輸入正端，MN7的漏極接PMOS管MP5的漏極，MN8的漏極接PMOS管MP8的漏極及NMOS管MN14的漏極；NMOS管MN13、MN14的源極接地；NMOS管MN9、MN10的柵極相互連接，並連接到PMOS管MP12及MP13的柵極，NMOS管MN9的源極連接到MN10的漏極，MN10的源極接地。
根據本發明所述的雙沿觸發微分法峰值檢測器的優選方案，所述數字控制信號產生電路包括反向放大器和輸出緩衝器；反向放大器由PMOS管MP14、NMOS管MN11及電阻R1構成，輸出緩衝器由NMOS管MN12和PMOS管MP15構成；PMOS管MP14和NMOS管MN11的柵極相互連接，並連接到比較器核心電路；PMOS管MP14的漏極與NMOS管MN11的漏極相連，並連接到電阻R1一端，PMOS管MP14的源極接電源，NMOS管MN11的源極接地，電阻R1另一端接PMOS管MP14和NMOS管MN11的柵極；PMOS管MP15的漏極與NMOS管MN12的漏極相連，PMOS管MP15的源極接電源，NMOS管MN12的源極接地，PMOS管MP15的漏極與NMOS管MN12的柵極相連，並連接到PMOS管MP14的漏極與NMOS管MN11的漏極。
本發明的第二個技術方案是，一種利用微分法和雙沿觸發進行信號峰值檢測的方法，其特點是：
設置微分法信號峰值檢測器，包括微分電路、雙沿觸發比較器電路及採樣保持電路；
所述微分電路用於對輸入信號進行微分變換處理，得到輸入信號的微分變換結果，且當輸入信號處於峰值或谷值時，得到的微分變換輸出信號正好處於零點或參考電壓；便於比較器進行比較處理；
所述雙沿觸發比較器電路接收微分電路的輸出信號，將其與零點電壓或參考電壓進行比較，當微分電路的輸出信號達到零點電壓或參考電壓時，所述雙沿觸發比較器電路輸出高電平數位訊號，使高速開關導通，當微分電路的輸出信號低於零點電壓或參考電壓時，所述雙沿觸發比較器電路輸出低電平數位訊號，使高速開關斷開；
所述採樣保持電路用於對輸入信號進行採樣和保持操作；當高速開關導通時，所述採樣保持電路的輸出信號跟隨輸入信號變化，為採樣狀態；當高速開關關斷時，所述採樣保持電路的輸出信號保持關斷時的輸出電壓值，為保持狀態。
根據本發明所述的利用微分法和雙沿觸發進行信號峰值檢測的方法的優選方案，所述採樣保持電路包括兩級射極跟隨器、高速開關及保持電容；
第一級射極跟隨器與微分電路同時接受輸入信號，其輸出跟隨輸入信號，第二級射極跟隨器的輸出即為最終的峰值檢測結果輸出；高速開關連接在第一級射極跟隨器的輸出與第二級射極跟隨器的輸入之間，並且第二級射極跟隨器的輸入端通過保持電容接地；當高速開關導通時，第一級射極跟隨器的輸出信號對保持電容充電，當高速開關斷開時，保持電容通過第二級射極跟隨器放電，高速開關電路的通斷由雙沿觸發比較器電路輸出的雙沿觸發數字控制信號控制。
本發明所述的雙沿觸發微分法峰值檢測器及峰值檢測方法的有益效果是：本發明通過採用微分電路對輸入信號進行微分變換，實現了對輸入信號峰值的高精度判斷，並通過雙沿觸發數字控制信號控制採樣保持電路，引入了自復位機制，不需額外復位單元及復位邏輯；本發明與傳統的二極體式鎖存峰值檢測器相比，具有工作頻率高、檢測精度高、自復位等優點，實現了高頻率高精度的峰值檢測，可廣泛應用在各種複雜信號採樣系統中。
附圖說明
圖1是雙沿觸發微分法信號峰值檢測器原理框圖。
圖2是高速開關電路5的電路圖。
圖3是雙沿觸發比較器電路2的電路圖。
圖4是微分電路1的實施效果圖。
圖5是雙沿觸發微分法峰值檢測器實現效果圖。
具體實施方式
參見圖1，一種雙沿觸發微分法信號峰值檢測器，包括微分電路1、雙沿觸發比較器電路2及採樣保持電路3；其中：
所述微分電路1用於對輸入信號進行微分變換處理，得到輸入信號的微分變換結果，且當輸入信號處於峰值或谷值時，得到的微分變換輸出信號正好處於零點或參考電壓；
所述雙沿觸發比較器電路2接收微分電路1的輸出信號，將其與零點電壓或參考電壓進行比較，並根據比較結果輸出雙沿觸發的數字控制信號，控制採樣保持電路3進行採樣或保持操作；
所述採樣保持電路3包括兩級射極跟隨器、高速開關電路5及保持電容C4；第一級射極跟隨器4與微分電路1同時接受輸入信號，其輸出跟隨輸入信號，第二級射極跟隨器的輸出即為最終的峰值檢測結果輸出；高速開關電路5連接在第一級射極跟隨器4的輸出與第二級射極跟隨器6的輸入之間，並且第二級射極跟隨器的輸入端通過保持電容接地，高速開關電路5的通斷由雙沿觸發比較器電路2控制；當高速開關電路5導通時，第一級射極跟隨器4的輸出信號對保持電容C4充電，當高速開關電路5斷開時，保持電容C4通過第二級射極跟隨器6放電；高速開關5的控制信號由雙沿觸發比較器電路2提供；兩級射極跟隨器均採用相同的運算放大器將輸出端與負輸入端相連形成的單位增益跟隨放大器構成。
在具體實施例中，所述微分電路1包括運算放大器10、電容C1、C2和電阻R1；電容C1為交流耦合電容，一端接輸入信號，另一端接運算放大器10的輸入負端；電阻R1為跨接電阻，一端接運算放大器10的輸入負端，另一端接運算放大器10的輸出端；電容C2為跨接電容，一端接運算放大器的輸入負端，另一端接運算放大器的輸出端。運算放大器10的正端接收接基準電路7產生的參考電壓。該微分電路1可以對輸入信號進行微分變換，當輸入信號處於峰值或谷值時，得到的微分變換輸出信號正好處於參考電壓值。
微分電路的工作原理是：當輸入信號處於上升沿時，電平由低跳變為高，相當於在R1C1迴路中突然接通了高電平，由於電容C1兩端的電壓不能突變，即電容器上的電壓需要經過一個充電過程才逐漸上升，則此時電容C1兩端電壓為0，輸入電壓全部落在跨接電阻R1上，此時輸出電壓達到最高。此後輸入信號開始給電容C1充電，電容C1兩端電壓按指數規律上升，而電阻R1兩端電壓按指數規律下降，當輸入信號達到峰值時，輸出電壓降低到零。當輸入信號處於下降沿時，電平由高跳變為低，相當於在R1C1迴路中突然撤掉了高電平，同樣由於電容C1兩端的電壓不能突變，其需要通過跨接電阻R1進行放電，因此電容C1兩端電壓落在電阻R1兩端，而由於放電電流與充電電流反向，故而輸出電壓達到最低。當輸入信號達到谷值時，電容C1放電即將結束，從而使得輸出電壓回升至零。綜上所述，當輸入信號達到峰值或谷值時，輸出電壓均為零值，從而實現了對輸入信號進行微分變換的作用。在實際電路應用中，為了不採用負電源，運算放大器的輸入正端加入了參考電壓值，從而使得微分變換中的零值轉換為參考電壓值，便於比較器進行比較。
微分電路實施效果見圖4所示，橫軸為時間，縱軸為電壓。圖中包含兩條曲線，輸入信號曲線及微分變換輸出曲線，由圖4可以看出，當輸入信號達到峰值時，微分變換輸出信號達到參考電壓值；當輸入信號達到谷值時，微分變換輸出信號達到參考電壓值。圖4表明：該微分電路可以實現微分變換輸出。
本發明採用高增益的運算放大器構成微分電路、雙沿觸發比較器及採樣保持電路，同時利用NMOS管構成高速開關，只要設計形成高頻高帶寬高增益的的運算放大器，就可實現高頻工作特性，突破了傳統二極體結構的工作頻率限制。
所述採樣保持電路由兩級射極跟隨器4、6、高速開關電路5及保持電容C4、交流耦合電容C3構成，高速開關電路5連接在第一級射極跟隨器4的輸出與第二級射極跟隨器6的輸入之間，兩級射極跟隨器均由相同的運算放大器，並將輸出端與負輸入端相連形成的單位增益跟隨放大器構成；電容C3的一端接收輸入信號，另一端接第一級射極跟隨器4的輸入正端；第二級射極跟隨器的輸入端還通過保持電容C4接地，高速開關電路5的控制信號由雙沿觸發比較器電路2提供；第二級射極跟隨器的輸出端即為最終的峰值檢測結果輸出。
採樣保持電路的工作原理是：當處於採樣狀態時，採樣保持電路的輸出信號跟隨輸入信號變化而變化，當處於保持狀態時，採樣保持電路的輸出信號保持為接到保持命令的瞬間的輸入信號電平值。當電路處於採樣狀態時高速開關電路5導通，這時保持電容充電C4，如果電容值很小，電容C4可以在很短的時間內完成充放電，這時輸出端輸出信號跟隨輸入信號變化而變化；當電路處於保持狀態時，高速開關電路5斷開，這時由於第二級射極跟隨器的輸入端呈高阻狀態，電容C4放電緩慢，所以輸出信號基本保持為斷開瞬間的信號電平值。
在具體實施例中，構成微分電路的運算放大器和射極跟隨器的運算放大器均可包含兩級放大結構，兩極放大有效提高了運算放大器的開環增益，便於形成高頻工作的微分電路及射極跟隨電路，同時採用共源共柵結構，可以使電路工作在較低的工作電壓下。
參見圖2,高速開關電路5主要由NMOS管5MN1及電阻5R1、5R2構成，NMOS管5MN1的漏極作為輸入端，NMOS管5MN1的源極作為輸出端，NMOS管5MN1的柵極連接電阻5R1的一端，電阻5R1的另一端作為控制信號輸入端；電阻5R2的一端連接到NMOS管5MN1的襯底，另一端連接到地。
高速開關電路5的工作原理是，當控制信號為高電平時，NMOS管5MN1的柵源電壓差值大於其閾值電壓，NMOS管5MN1導通，即開關處於導通狀態。當控制信號為低電平時，NMOS管5MN1的柵源電壓差值小於其閾值電壓，NMOS管5MN1截止，即開關處於斷開狀態。電阻5R1、5R2可以有效減小NMOS管5MN1的柵極及源漏極到地的寄生電容，降低高頻率工作時的信號損耗，從而提高峰值檢測精度。
參見圖3,雙沿觸發比較器電路包含比較器核心電路8和數字控制信號產生電路9；所述比較器核心電路8為處於開環狀態的運算放大器，當微分電路1的輸出信號達到零點電壓或參考電壓時，運算放大器輸出電壓為高電平，當微分電路1的輸出信號低於零點電壓或參考電壓時，運算放大器輸出電壓為低電平；數字控制信號產生電路9將運算放大器的輸出信號轉換成數字電平。
在具體實施例中，所述比較器核心電路8包括PMOS管MP1～MP13和NMOS管MN1～MN10；PMOS管MP1柵極和漏極連接，為電流輸入端，MP1的源極接電源；PMOS管MP1、MP2、MP3的柵極相互連接，MP2、MP3的源極接電源；PMOS管MP4、MP5的柵級相互連接，PMOS管MP5的柵極和漏極相連，PMOS管MP4、MP5的源級接電源；PMOS管MP6、MP7構成輸入級，MP6的柵極接輸入正端，MP7的柵極接輸入負端，PMOS管MP6、MP7的源級接MP3的漏極；MP7的漏級接MN13的漏極；PMOS管MP8的柵極和漏極相互連接，MP8的源極接MP9的漏極，PMOS管MP8、MP9的柵極相互連接，MP9的源極接電源；PMOS管MP10、MP11的柵極相互連接，MP10的源極接MP11的漏極，MP11的源極接電源；PMOS管MP12、MP13的柵極相互連接，MP12的源極接MP13的漏極，MP13的源極接電源，MP12的漏極接MP10的源極；NMOS管MN1的柵極和漏極相連，並連接到PMOS管MP2的漏極，NMOS管MN1、MN2的柵極相互連接，NMOS管MN2的漏極連接到NMOS管MN7、MN8的源極，NMOS管MN1、MN2的源極接地；NMOS管MN3、MN4的柵極相互連接，NMOS管MN3的柵級和漏極相互連接，並連接到PMOS管MP4及MP6的漏極，NMOS管MN4的源極接地；NMOS管MN5、MN6的柵極相互連接，NMOS管MN5的漏極連接到PMOS管MP10的漏極，NMOS管MN6的源極接地；NMOS管MN13、MN14的柵極相互連接，NMOS管MN13的柵極和漏極相互連接，並連接到PMOS管MP7的漏極，NMOS管MN6的源極接地；NMOS管MN7、MN8構成輸入級，MN7的柵極接輸入負端，MN8的柵極接輸入正端，MN7的漏極接PMOS管MP5的漏極，MN8的漏極接PMOS管MP8的漏極及NMOS管MN14的漏極；NMOS管MN13、MN14的源極接地；NMOS管MN9、MN10的柵極相互連接，並連接到PMOS管MP12及MP13的柵極，NMOS管MN9的源極連接到MN10的漏極，MN10的源極接地。
所述數字控制信號產生電路9包括反向放大器和輸出緩衝器；反向放大器由PMOS管MP14、NMOS管MN11及電阻R1構成，輸出緩衝器由NMOS管MN12和PMOS管MP15構成；PMOS管MP14和NMOS管MN11的柵極相互連接，並連接到比較器核心電路8，即PMOS管MP12、MP13及NMOS管MN9、MN10的柵極；PMOS管MP14的漏極與NMOS管MN11的漏極相連，並連接到電阻R1一端，PMOS管MP14的源極接電源，NMOS管MN11的源極接地，電阻R1另一端接PMOS管MP14和NMOS管MN11的柵極；PMOS管MP15的漏極與NMOS管MN12的漏極相連，PMOS管MP15的源極接電源，NMOS管MN12的源極接地，PMOS管MP15的漏極與NMOS管MN12的柵極相連，並連接到PMOS管MP14的漏極與NMOS管MN11的漏極。
由於反相放大器具有較高的增益和電壓裕度，可以將輸出信號放大至電源電壓電平，從而得到標準的方波控制信號，用於控制採樣保持電路的開關切換。
所述雙沿觸發比較器電路2的工作原理是：雙沿觸發比較器電路包含一個處於開環狀態的運算放大器和一個用於將比較結果轉換為數字電平的數字控制信號產生電路，當微分電路1的輸出信號達到參考電壓值時，輸出電壓為高，當微分電路1的輸出信號低於參考電壓值時，輸出電壓為低，
.一種利用微分法和雙沿觸發進行信號峰值檢測的方法，包括設置微分法信號峰值檢測器，包括微分電路1、雙沿觸發比較器電路2及採樣保持電路3；
所述微分電路1用於對輸入信號進行微分變換處理，得到輸入信號的微分變換結果，且當輸入信號處於峰值或谷值時，得到的微分變換輸出信號正好處於零點或參考電壓；便於比較器進行比較處理；
所述雙沿觸發比較器電路2接收微分電路1的輸出信號，將其與零點電壓或參考電壓進行比較，當微分電路1的輸出信號達到零點電壓或參考電壓時，所述雙沿觸發比較器電路2輸出高電平數位訊號，使高速開關5導通，當微分電路1的輸出信號低於零點電壓或參考電壓時，所述雙沿觸發比較器電路2輸出低電平數位訊號，使高速開關電路5斷開；
所述採樣保持電路3用於對輸入信號進行採樣和保持操作；當高速開關導通時，所述採樣保持電路3的輸出信號跟隨輸入信號變化，為採樣狀態；當高速開關關斷時，所述採樣保持電路3的輸出信號保持關斷時的輸出電壓值，為保持狀態。
在具體實施例中，所述採樣保持電路3包括兩級射極跟隨器、高速開關5及保持電容C4；
第一級射極跟隨器4與微分電路1同時接受輸入信號，其輸出跟隨輸入信號，第二級射極跟隨器的輸出即為最終的峰值檢測結果輸出；高速開關電路5連接在第一級射極跟隨器4的輸出與第二級射極跟隨器6的輸入之間，並且第二級射極跟隨器的輸入端通過保持電容C4接地；當高速開關電路5導通時，第一級射極跟隨器4的輸出信號對保持電容C4充電，當高速開關電路5斷開時，保持電容C4通過第二級射極跟隨器6放電，高速開關電路5的通斷由雙沿觸發比較器電路2輸出的雙沿觸發數字控制信號控制。
雙沿觸法微分法峰值檢測電路實施效果見圖5所示，橫軸為時間，縱軸為電壓。圖中包含三條曲線，輸入信號曲線、雙沿觸發數字控制信號曲線、輸出信號曲線，由圖5可以看出，當輸入信號未達到峰值時，雙沿觸發數字控制信號為高電平，輸出信號跟隨輸入信號；當輸入信號達到峰值時，雙沿觸發數字控制信號由高電平跳變為低電平，輸出信號保持峰值電壓不變，保持時間≥0.5*輸入信號周期，此時即可對輸出信號進行數據轉換；隨後雙沿觸發數字控制信號由低電平跳變為高電平，完成自動復位，輸出信號繼續跟隨輸入信號直到下一周期的峰值到來。圖5表明：本發明提出的雙沿觸法微分法峰值檢測電路可以實現峰值檢測輸出。
上面的實施結果表明：本發明的一種雙沿觸法微分法峰值檢測器具有高頻工作、高精度檢測等特點。本發明技術可以應用到高速AD/DA、複雜參數採集系統等領域。