如何構(gòu)建峰值檢測(cè)電路和解決方案

頻率監(jiān)測(cè)電路有多種解決方案?！斑^(guò)零檢測(cè)器”被認(rèn)為是最常見(jiàn)的方法之一，因?yàn)樗鼘?duì)周期性和規(guī)則信號(hào)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。但是，如果信號(hào)是非周期性的或不規(guī)則的（包含脈沖之間的非瞬時(shí)零周期），則不能使用過(guò)零。在這種情況下，峰峰值頻率監(jiān)視器是一種理想的替代方案。

峰峰值方法用于現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)，通常來(lái)自模擬傳感器。本文中描述的設(shè)計(jì)使用SLG46620V GreenPAK? 來(lái)計(jì)算 0.5 Hz 至 200 Hz 范圍內(nèi)且波形寬度在 100 - 1000 ms 之間的信號(hào)的低端頻率。有了對(duì)這個(gè)應(yīng)用的基本了解，就可以設(shè)計(jì)其他模擬寬度和周期的峰峰值測(cè)量。

該電路包括峰峰值設(shè)計(jì)的所有部分。因此，IC 負(fù)責(zé)接收模擬信號(hào)樣本并將識(shí)別的峰值存儲(chǔ)在內(nèi)部緩沖器中。它還負(fù)責(zé)將兩個(gè)峰值之間的測(cè)量時(shí)間段與內(nèi)部閾值進(jìn)行比較，以便在超過(guò)這些閾值時(shí)發(fā)出信號(hào)。

該設(shè)計(jì)由 1 個(gè)模擬信號(hào)輸入和 4 個(gè)輸出組成：

PD：檢測(cè)到峰值時(shí)發(fā)出脈沖。

高 PPM：如果信號(hào)頻率超過(guò)上限閾值，則為 HIGH。

低 PPM：如果信號(hào)頻率超過(guò)下限閾值，則為 HIGH。

正常：如果頻率在兩個(gè)閾值之內(nèi)，則為 HIGH。

IC 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 宏單元適合峰值信號(hào)檢測(cè)。所選擇的電路是低功耗且具有成本效益的。它是此應(yīng)用程序所需的小型設(shè)備。IC 可以替代分立 IC 和無(wú)源器件的系統(tǒng)。

對(duì)通用電路進(jìn)行了解釋，期望它將被增強(qiáng)以適應(yīng)特定的實(shí)際應(yīng)用。設(shè)計(jì)結(jié)果利用GreenPAK Designer軟件信號(hào)發(fā)生器來(lái)測(cè)試各種信號(hào)并顯示相應(yīng)的輸出。信號(hào)以高于和低于 IC 中存儲(chǔ)的值的頻率生成，并顯示每種情況的相應(yīng)輸出，以向閱讀器確認(rèn)正確的操作。

此應(yīng)用程序的完整設(shè)計(jì)文件可在此處找到。

設(shè)計(jì)概述

檢測(cè)過(guò)程使用 ADC 模塊對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將其存儲(chǔ)在內(nèi)部緩沖器中。然后接收模擬信號(hào)的新樣本并將其與存儲(chǔ)的樣本進(jìn)行比較。

如果新樣本的值大于當(dāng)前存儲(chǔ)的值，則模擬電壓正在增加。新樣本存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中，接收并比較下一個(gè)信號(hào)樣本。但是，如果接收到的樣本等于緩沖區(qū)中存儲(chǔ)的樣本，則信號(hào)是恒定的。此時(shí)要么達(dá)到一個(gè)短暫的常數(shù)值但未達(dá)到峰值，要么已達(dá)到峰值，因此只有在信號(hào)開(kāi)始下降時(shí)才考慮峰值狀態(tài)。

如果下一個(gè)樣本小于 ADC 緩沖區(qū)中存儲(chǔ)的前一個(gè)樣本，則記錄峰值狀態(tài)。在另一個(gè)循環(huán)中重復(fù)該過(guò)程以找到下一個(gè)峰值。

為了計(jì)算頻率，我們計(jì)算兩個(gè)連續(xù)峰值之間的時(shí)間，并將該時(shí)間與預(yù)先存儲(chǔ)在 IC 內(nèi)部寄存器中的某些閾值進(jìn)行比較。如果此時(shí)間大于較高的閾值，則頻率小于允許的限制。如果這個(gè)時(shí)間小于下閾值，則頻率大于允許的限制。

由于該設(shè)計(jì)適用于頻率相對(duì)較低的信號(hào)，因此它們通常以每分鐘脈沖數(shù)計(jì)算，在本文中縮寫(xiě)為 PPM。閾值標(biāo)記為高 PPM 和低 PPM。

為確保所有記錄的峰值都是所需的，每個(gè)峰值都將與預(yù)先存儲(chǔ)的電壓閾值進(jìn)行比較，以便僅在其幅度大于所選閾值時(shí)才考慮峰值，而忽略短幅度信號(hào)。圖 1 顯示了工作過(guò)程。

（圖一：系統(tǒng)工作流程）

GreenPAK 設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)由兩部分組成：峰值檢測(cè)器電路和頻率監(jiān)控器電路，其中包含定時(shí)器和閾值比較器。圖 2 顯示了該設(shè)計(jì)的框圖。

（圖2：電路框圖）

峰值檢測(cè)器

IC 通過(guò)引腳 8 接收外部信號(hào)，該引腳配置為模擬輸入/輸出。然后，信號(hào)通過(guò)設(shè)置增益的可編程增益放大器或 PGA。ADC 的工作模式為單端，并設(shè)置了 x1 增益。然后，信號(hào)進(jìn)入 ADC 模塊。

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，輸入信號(hào)是低頻的，因此通過(guò)將時(shí)鐘周期除以 16 來(lái)降低采樣率。采樣率變?yōu)橄喈?dāng)于 97，6563 sps 以減少誤差值和尖峰。

采樣率 = PWM 和 ADC 時(shí)鐘 / 256 = 25k / 16 / 256

要指示峰值，必須給出一個(gè)信號(hào)來(lái)指示模擬輸入是上升還是下降。為此，必須比較來(lái)自 ADC 輸出的兩個(gè)連續(xù)值。SLG46620V SPI 模塊配置為作為 ADC 緩沖器運(yùn)行。

根據(jù)數(shù)據(jù)表中的 ADC 屬性，在 ADC INT 輸出激活之前，PAR 數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好使用幾個(gè)時(shí)鐘周期。利用此屬性，ADC INT 輸出通過(guò) DLY5 連接到 SPI 模塊的 SCLK 輸入，該 DLY5 配置為作為上升沿延遲運(yùn)行。因此，在 ADC INT 輸出信號(hào)的上升沿對(duì)新的 ADC 值和舊的 ADC 值進(jìn)行比較。延遲后，DLY5 輸出觸發(fā) SPI 將新值存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中。工作時(shí)序圖如圖 3 所示。

（圖 3. ADC、SPI 和 DFF 時(shí)序圖）

（圖 4. GreenPAK 設(shè)計(jì)矩陣 0）

ADC 值通過(guò) DCMP0 與緩沖值進(jìn)行比較，其中 IN+ 輸入從 ADC ［7:0］ 獲取其值，IN- 輸入從 SPI ［7:0］ 獲取其值。EQ 和 OUT+ 輸出分別連接到 DFF8 和 DFF9。

如果 ADC 值大于 SPI 值，則 OUT+ = 1，且 EQ = 0。

如果 ADC 值小于 SPI 值，則 OUT+ = 0，且 EQ = 0。

如果 ADC 值等于 SPI 值，則 OUT+ = 0，且 EQ = 1。

EQ 和 OUT+ 輸出在 ADC INT 輸出信號(hào)的上升沿保持。為確保每次比較不記錄相等狀態(tài)，SPI 將通過(guò) DLY5 輸出觸發(fā)。因此，僅在兩個(gè)連續(xù)值之間進(jìn)行比較，如圖 3 所示。

通過(guò)在系統(tǒng)運(yùn)行期間監(jiān)控 EQ 和 OUT+ 輸出的狀態(tài)，會(huì)引入間歇性脈沖，如果不加以考慮會(huì)導(dǎo)致毛刺。為防止這種情況并保持穩(wěn)定的信號(hào) CNT3、CNT7 和 CNT8 作為延遲器運(yùn)行以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行去抖動(dòng)。因此可以防止尖峰對(duì)輸出狀態(tài)的影響。

3 位 LUT8 用作 SR 鎖存器，其中來(lái)自 OUT+ 輸出的信號(hào)表示設(shè)置，表示信號(hào)正在上升。復(fù)位來(lái)自 3 位 LUT9，這意味著信號(hào)正在下降。

如果 OUT+ = 0、EQ = 0 且 ACMP1 輸出為高電平，則 3L9 配置為提供高電平信號(hào)。

優(yōu)先考慮上升狀態(tài)，因?yàn)橄到y(tǒng)的目的是檢測(cè)幅度的最高值。

一旦信號(hào)在上升狀態(tài)后開(kāi)始下降，3L8 輸出將由高電平變?yōu)榈碗娖?，并通過(guò) P DLY1 檢測(cè)下降沿。P DLY1 輸出指示峰值 （PD） 的檢測(cè)。PD 信號(hào)通過(guò) DLY9 以增加脈沖寬度傳遞到 Pin10，以適應(yīng)任何外部設(shè)備的靈敏度。它也用于重置計(jì)數(shù)器。

ACMP1 用于將 PGA 輸出與固定閾值進(jìn)行比較，在本設(shè)計(jì)中選擇為 200 mv。因此，如果其幅度小于邊際值，則該峰值將被忽略。

（圖 5. GreenPAK 設(shè)計(jì)矩陣 1）

峰峰值頻率監(jiān)視器設(shè)計(jì)

在構(gòu)建了峰值檢測(cè)器設(shè)計(jì)之后，我們將使用從上述設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的 PD 信號(hào)來(lái)構(gòu)建頻率監(jiān)視器。

FSM1 用作計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)算兩個(gè)峰值之間的時(shí)間。由于預(yù)期信號(hào)為低頻，F(xiàn)MS1 的時(shí)鐘源選擇為 LF OSC，除以 16。因此，測(cè)量時(shí)間可以在 19 ms 和 2.35 s 之間，步長(zhǎng)約為 10 ms。通過(guò)使用低頻振蕩器，有源電流消耗被最小化。

DCMP1 和 DCMP2 將 FSM1 值與頻率上限和下限進(jìn)行比較。DCMP1 將 FSM1 值與 （1:1） 寄存器值進(jìn)行比較，在本設(shè)計(jì)中設(shè)置為 500 ms，表示閾值下限。DCMP2 將 FSM1 值與寄存器 2 值進(jìn)行比較，在本設(shè)計(jì)中設(shè)置為 897 ms。

比較值與 PD 信號(hào)的上升沿一起存儲(chǔ)在 DFF10 和 DFF11 中。Q 輸出極性已配置為要反轉(zhuǎn)的 DFF11。

FSM1 數(shù)據(jù) 《 Register0 值 ---》 DCMP1 OUT+ = HIGH ---》 DFF10 out = HIGH ---》 高 PPM

FSM1 數(shù)據(jù) 》 Register2 值 ---》 DCMP2 OUT+ = HIGH ---》 DFF11 out = HIGH ---》 低 PPM

Register0 《 FSM1 data 《 Register2 ---》 3L10 out = HIGH ---》 正常

FSM1 在 PD 信號(hào)的下降沿通過(guò) 3L11 反相器復(fù)位。如果周期超過(guò) FSM1 工作范圍 2.35 s，F(xiàn)SM1 輸出向 3L10 和 2L6 提供高電平信號(hào)以關(guān)閉所有輸出。這種情況表明測(cè)量周期大于預(yù)期。此功能可用于指示輸入中沒(méi)有脈沖或特定應(yīng)用處于危險(xiǎn)的低周期。可以更改 FSM 的時(shí)鐘源以適應(yīng)要實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。

（圖 6. LUT 屬性）

（圖 7. CNT5 和 CNT9 屬性）

結(jié)果

GreenPAK Designer 程序中包含的信號(hào)向?qū)б延糜跈z查設(shè)計(jì)并確保其按預(yù)期工作。

Signal Wizard 非常方便設(shè)計(jì)檢查，無(wú)需使用外部信號(hào)發(fā)生器即可生成不同形狀的信號(hào)。信號(hào)頻率和幅度可以很容易地控制。也可以生成自定義信號(hào)。

產(chǎn)生了幾個(gè)信號(hào)。PD 信號(hào)如下圖所示。

（圖 8. CNT5 和 CNT9 屬性）

（圖 9. 藍(lán)色信號(hào)為輸入，紅色信號(hào)為 PD 輸出信號(hào)）

生成具有短的不良峰值的自定義信號(hào)。

（圖 10. 生成自定義信號(hào)）

（圖 11. 藍(lán)色信號(hào)為輸入，紅色信號(hào)為 PD 輸出信號(hào)）

已將不同的周期應(yīng)用于輸入。對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)如表1所示。

表 1：不同時(shí)期的輸出狀態(tài)

輸入峰峰值周期Pin18 輸出

（高 PPM）Pin19 輸出

（普通的）Pin20 輸出

（低 PPM）輸入峰峰值周期

400 毫秒高的低的低的400 毫秒

1000 毫秒低的低的高的1000 毫秒

800 毫秒低的高的低的800 毫秒

沒(méi)信號(hào)低的低的低的沒(méi)信號(hào)

本文概述了如何構(gòu)建峰值檢測(cè)電路，其中包括一個(gè)基于輸入信號(hào)峰峰值時(shí)間計(jì)算的頻率監(jiān)控電路。該 IC 展示了集成多種功能的高效率，因?yàn)樵擁?xiàng)目需要這樣的功能。此外，所選電路的低成本和小面積特別適用于本應(yīng)用描述中針對(duì)的便攜式和可穿戴解決方案。

審核編輯：郭婷