簡(jiǎn) 介： 本文介紹了一種改進(jìn)式峰值保持電路設(shè)計(jì)方案。傳統(tǒng)電磁傳感模塊采用47K電阻被動(dòng)泄放方式，存在信號(hào)殘影和響應(yīng)遲滯問(wèn)題。新方案通過(guò)三個(gè)關(guān)鍵改進(jìn)：1）去除泄放電阻，改用單片機(jī)IO口主動(dòng)控制電荷泄放；2）選用低漏電NP0材質(zhì)電容；3）采用更低壓降的肖特基二極管。實(shí)測(cè)表明，改進(jìn)后的電路響應(yīng)時(shí)間縮短至2個(gè)電磁周期（50微秒），噪聲水平降低至1.27%，同時(shí)解決了信號(hào)殘影問(wèn)題。該設(shè)計(jì)特別適用于需要快速響應(yīng)和精確測(cè)量的電磁傳感應(yīng)用場(chǎng)景。
關(guān)鍵詞：電磁信號(hào)檢波，ADC，開(kāi)漏
卓大，雖然我并不參加比賽，但是最近有同學(xué)向我求助，想讓我對(duì)他們的電磁傳感模塊進(jìn)行微型化改進(jìn)。以此契機(jī)，我順便研究了一下電磁傳感器部分的經(jīng)典放大-檢波電路，并且有了一些新的思路，特來(lái)向你分享，并且希望可以對(duì)其他的參賽同學(xué)有參考作用。
??首先貼一下傳統(tǒng)的電路：?
▲ 圖1.1 傳統(tǒng)經(jīng)典電磁信號(hào)放大檢波電路??這個(gè)電路的原理就是，電磁信號(hào)經(jīng)過(guò)LC諧振后，信號(hào)一端接地，一端經(jīng)過(guò)運(yùn)放進(jìn)行可調(diào)的倍數(shù)放大 （由100K的可調(diào)電阻控制倍數(shù)），然后放大后的信號(hào)，通過(guò)一個(gè)100nF電容隔離直流分量，再通過(guò)一個(gè)二極管進(jìn)行檢波，此時(shí)獲得到的就是半波信號(hào) （負(fù)半周由另一個(gè)二極管對(duì)地泄放掉了），然后二極管因?yàn)閱蜗驅(qū)ǖ脑?，所以電荷?huì)積累在100nF的保持電容上，使其保持最大的電壓峰值，這樣就可以讀到正弦波的峰值了，同時(shí)47K的電阻作為泄放電阻，用于緩慢泄放這個(gè)電荷，使其峰值下降的時(shí)候也能跟隨。
??我針對(duì)這種結(jié)構(gòu)稱作被動(dòng)泄放方式，因?yàn)檫@里的泄放是不可控的，由47K電阻一直在泄放，這種方式下，當(dāng)外部20Khz信號(hào)的峰峰值快速增大的時(shí)候，因?yàn)槭嵌O管直接充電，所以跟隨迅速，但是缺點(diǎn)也很明顯，信號(hào)快速下降的時(shí)候，此時(shí)只能由47K電阻進(jìn)行泄放。導(dǎo)致這個(gè)信號(hào)其實(shí)是有一個(gè)遲滯的，我管這個(gè)叫做“信號(hào)殘影”。
??針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我對(duì)此做了一些小小的改動(dòng)：?
??這張圖中，我去除了被動(dòng)泄放電阻，那么電荷從哪里走呢？?我選擇將單片機(jī)對(duì)應(yīng)讀取ADC的I/O口設(shè)置為開(kāi)漏輸出，這樣輸出1的時(shí)候單片機(jī)為高阻狀態(tài)，可以讀ADC，輸出0的時(shí)候?yàn)閺?qiáng)推挽到地，可以快速清空這個(gè)C3保持電容上的電荷。同時(shí)也巧妙利用的I/O的本身特性，無(wú)需額外驅(qū)動(dòng)電路，僅靠軟件控制I/O狀態(tài)切換即可實(shí)現(xiàn)電荷的精準(zhǔn)控制。
▲ 圖1.2 改進(jìn)后的電路
??這里是有一個(gè)好處的，因?yàn)椴磺蹇盏那闆r下，這個(gè)保持電容上的電荷無(wú)處泄放，所以會(huì)一直保持在一個(gè)很穩(wěn)定的水平，具有很高的抗干擾和穩(wěn)定性。且主動(dòng)清空以后，電荷又是從0開(kāi)始累計(jì)的，所以信號(hào)殘影也被消除掉了。
??這里我將肖特基二極管換成了一個(gè)更小壓降的，這樣可以更靈敏的探測(cè)低信號(hào)的電壓。前面的100R電阻，主要的作用是防止I/O拉低的時(shí)候，因?yàn)楹投O管形成通路，對(duì)運(yùn)放的輸出造成過(guò)大電流負(fù)擔(dān)。從而保護(hù)運(yùn)放輸出級(jí)不被反向灌流損壞； 而C3電容則改用低漏電的NP0材質(zhì)，進(jìn)一步抑制溫漂與漏電流對(duì)峰值保持精度的影響。
??同時(shí)，我還針對(duì)這個(gè)電路實(shí)際進(jìn)行了打板測(cè)試，對(duì)應(yīng)的結(jié)論也在圖上，噪聲水平與保持電容的大小和材質(zhì)都呈正相關(guān)，使用NP0/C0G材質(zhì)的電容可以非常明顯的降低電路的噪聲水平。同時(shí)，之前的經(jīng)典電路中使用了100nF的電容，我這里卻只使用了6.8nF的電容，一個(gè)是NP0下不好找到那么大的電容，第二個(gè)是I/O口推挽下能走過(guò)的電流也有限，不能使用太大的電容對(duì)地放電，否則流過(guò)單片機(jī)的電流會(huì)過(guò)大，有概率損壞I/O口。
??這里再貼一下我實(shí)際測(cè)試的圖片，這個(gè)是由一個(gè)便攜示波器產(chǎn)生的20Khz信號(hào)直接輸入，然后調(diào)整這個(gè)信號(hào)的大小來(lái)進(jìn)行捕獲測(cè)試。可以看到，這個(gè)示波器使用的其實(shí)是一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)來(lái)做的電壓切換，因?yàn)槠淝袚Q的時(shí)候可以明顯讀到0 （全斷開(kāi)狀態(tài)），這個(gè)也側(cè)面證明了這個(gè)主動(dòng)泄放方案的響應(yīng)速度之迅速。上圖的左側(cè)就是一個(gè)較小的NP0電容，右邊是一個(gè)較大值的NP0電容，可以看到更大的電容明顯具有更低的噪聲水平，在880pF的NP0下，噪聲水平就已經(jīng)可以降低到1.27%了，且電路可以在2個(gè)電磁周期內(nèi)進(jìn)行峰值采樣，響應(yīng)十分迅捷。
??這里給出我的實(shí)際測(cè)試代碼，ADC_Clear其實(shí)就是#define到了對(duì)應(yīng)的IO口，拉低一段時(shí)間清空電荷，然后拉高并等待兩個(gè)周期的峰值，再進(jìn)行采樣，既可以看到上面波形圖中的讀數(shù)了。—整個(gè)過(guò)程僅需不到50微秒，比傳統(tǒng)47K電組放電更加迅速。
