峰值檢測器在硬件與軟件的設(shè)計(jì)上如何權(quán)衡

定義峰值檢測器功能

與比較器類似，峰值檢測器是用于許多現(xiàn)實(shí)世界信號處理應(yīng)用的基本電路構(gòu)建模塊。峰值檢測確定信號已經(jīng)超過其峰值并向系統(tǒng)發(fā)出信號以指示這種情況。它們可用于標(biāo)記連續(xù)流中有效脈沖的存在，捕獲雷達(dá)信號返回，監(jiān)測心臟脈沖，或指示新的最大值，例如來自振蕩的數(shù)據(jù)（建筑物因地震而搖擺）。

在設(shè)計(jì)峰值檢測器之前，必須非常清楚項(xiàng)目的目標(biāo)，因?yàn)樾g(shù)語中存在一些重疊和含糊之處。首先，有一個最大信號檢測器，它無限期地捕獲信號的最大值，直到出現(xiàn)新的最大值（圖1）。

一個例子可能是跟蹤最大電擊的傳感器運(yùn)輸包裹受到影響。較小的沖擊是不感興趣的;只有那個最大值是值得關(guān)注的。

圖1：在許多現(xiàn)實(shí)世界的信號處理應(yīng)用中，確定是否存在新的最大值是必需的功能;在這里我們看到正負(fù)峰值。 （圖像來源：Spectrum Software）

峰值檢測也是最大檢測的后續(xù)功能。峰值被定義為信號最大值，隨后是信號值的下降（數(shù)學(xué)上，信號的二階導(dǎo)數(shù)改變符號）。一些應(yīng)用尋找全局絕對峰值，例如信號流中的單峰值信號。

然而，許多其他應(yīng)用尋找局部峰值，例如心電圖（EKG或ECG），其中每個峰值代表心跳波形（圖2）。通過測量這些峰值之間的時間，即使每個峰值的值與其相鄰值略有不同，也可以確定脈沖率。

圖2：測量心跳參數(shù)需要持續(xù)信號和來自EKG的峰值。循環(huán)到循環(huán)波形不完全相同但與它們的鄰居有很大不同，但這對于該應(yīng)用并不重要。 （圖像來源：Scientific Research/scirp.org）

最后，有些情況下，較大的那些附近的“較小的”，非常局部的峰也是有意義的，例如在單個心跳的EKG波形中（圖3）。對于這種情況，那些較小的峰及其與較大峰的關(guān)系是醫(yī)學(xué)上的信息，必須用信號通知。

圖3：較小的峰值（正對于某些醫(yī)學(xué)分析，單個心跳脈沖也是有意義的，因此必須標(biāo)記它們的出現(xiàn)。 （圖像來源：HyperPhysics/佐治亞州立大學(xué)）

總之，確定應(yīng)用程序是否需要確定最大值，或?qū)で笕址逯祷蚓植糠逯档某霈F(xiàn)是很重要的。

這似乎很簡單，但重要的是要記住，任何峰值的存在，無論是全球還是地方，都要在它發(fā)生之后才能確定;也就是說，當(dāng)信號值開始減小時。這仍然非常不同于收集數(shù)據(jù)，然后審查它，并說，“這是峰值的位置，這是它的價值。”相反，它主要是實(shí)時確定峰值實(shí)際上是發(fā)生了。在某些情況下（但不是全部），峰值的實(shí)際值不是主要關(guān)注點(diǎn)。

現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是決定信號幅度的減少有多少構(gòu)成有效峰值，而答案又是應(yīng)用的功能，以及波形的預(yù)期特征，包括噪聲，小擾動和其他方面。

一旦定義了峰值檢測器的作用，就可以設(shè)計(jì)它了。

使用硬件進(jìn)行峰值檢測

可以使用運(yùn)算放大器，二極管和電容構(gòu)建基本的全模擬峰值檢波器（圖4）。輸入信號對電容器充電，當(dāng)信號從其值減小時，二極管阻止電容器放電。因此，峰值由電容器保持。

圖4：基本峰值檢測器僅需要少量無源元件和單個運(yùn)算放大器來驅(qū)動電壓存儲電容器。 （圖像來源：電子設(shè)備教程）

雖然這是一個積極的峰值設(shè)計(jì)，但是電路可以重新排列以處理負(fù)峰值，甚至可以用于雙重配置來檢測正峰值和負(fù)峰值。用于解調(diào)的經(jīng)典AM無線電“包絡(luò)檢波器”是峰值檢測器的簡單版本。

高性能峰值檢波器設(shè)計(jì)需要運(yùn)算放大器，如德州儀器的OPA111（圖5）。該運(yùn)算放大器具有極低的1皮安（pA）輸入偏置電流，因此不會消耗低泄漏電容上存儲的任何電荷，而是將電壓提供給其余電路。

圖5：OPA111的低輸入偏置電流使其成為緩沖聚苯乙烯電容器（右下）電壓的理想選擇。 （圖像源：德州儀器）

3507J運(yùn)算放大器緩沖輸入信號，以防止電容器的低輸入阻抗加載該輸入。

當(dāng)該電路保持峰值時，它沒有實(shí)現(xiàn)完整的峰值檢測功能。這需要添加比較器以將保持的峰值與輸入信號的當(dāng)前實(shí)時值進(jìn)行比較。當(dāng)當(dāng)前值低于已保持的峰值時，比較器輸出指示已發(fā)生峰值。

設(shè)計(jì)權(quán)衡：速度和電容

任何峰值的權(quán)衡之一檢測器精確度與檢測速度。如果保持的峰值和當(dāng)前值之間的閾值差異非常小，例如幾毫伏（mV）或滿量程的百分之幾，則將快速識別峰值。然而，由于信號噪聲，也可能存在假峰值。

相反，如果差異變大，例如幾百mV或幾十個百分點(diǎn)，誤跳閘將被最小化，但信號一個高峰將被推遲。

只要使用合適的運(yùn)算放大器，全模擬峰值檢波器就可以對接近DC到兆赫茲（MHz）的信號進(jìn)行操作，甚至可以工作在千兆赫茲（GHz）范圍內(nèi)。該電路操作簡單，但用戶必須決定電容的值。在使用可以快速跟隨輸入的小電容器與可以將捕獲的輸入保持更長時間的較大值之間存在折衷，其缺點(diǎn)是當(dāng)它試圖跟隨輸入信號時它反應(yīng)更慢。/p>

速度因素在無線鏈路等應(yīng)用中非常重要，因?yàn)楦咚俜逯禉z測至關(guān)重要。凌力爾特公司（現(xiàn)為ADI公司的一部分）的LTC5564 IC是一款精密射頻功率檢測器，工作頻率范圍為600 MHz至15 GHz，輸入信號范圍為-24 dBm至+16 dBm（圖6）。它包括一個溫度補(bǔ)償肖特基二極管峰值檢測器，一個增益可選運(yùn)算放大器和一個采用16引腳3 mm×3 mm QFN封裝的快速比較器。

圖6：凌力爾特公司的LTC5564為600 MHz至15 GHz的RF信號提供了幾乎完整的峰值檢測功能，以及內(nèi)部溫度補(bǔ)償功能，可在較寬的工作范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的性能。 （圖像來源：凌力爾特公司）

在LTC5564內(nèi)，RF輸入信號被峰值檢測，然后由比較器和放大器檢測。比較器對超過閾值參考電壓VREF的輸入電平提供非?？斓?納秒（ns）響應(yīng)時間，并且還包括峰值鎖存啟用/禁用功能。實(shí)際應(yīng)用中器件的原理圖顯示了額外的元件 - 電阻和小值電容，但沒有電感（圖7）。增加電感器，并可能微調(diào)它們的值，是15 GHz射頻電路設(shè)計(jì)的一部分。

圖7：一個完整的峰值使用15 GHz LTC5564的檢測電路需要額外的小值無源元件，以優(yōu)化特定信號特性的性能。 （圖像來源：凌力爾特公司）

模擬電路對系統(tǒng)資源的負(fù)擔(dān)最小，要求它只響應(yīng)已檢測到峰值的指示。在許多實(shí)現(xiàn)中，處理器然后通過一個小電路響應(yīng)，該電路通過短暫地將電容器短路并將其電壓設(shè)置為零來重置峰值檢測功能。

軟件中的峰值檢測作為替代

雖然峰值檢測器在概念上很簡單，但有許多流程圖可用于描述其特性，具體取決于應(yīng)用及其要求（圖8）。

圖8：峰值檢測器的這個流程圖是可能的許多版本之一，每個版本都有決策變化，以適應(yīng)應(yīng)用的細(xì)節(jié)及其對絕對峰值，局部峰值，全局峰值和噪聲靈敏度問題的定義。 （圖片來源：Researchgate.net）

顯示的流程圖以數(shù)字化輸入值的運(yùn)行平均值開始。然后是一個看似簡單的決定：新值是否小于之前的值？如果是，則發(fā)信號通知峰值并清除寄存器（或標(biāo)志）;如果沒有，請重復(fù)此過程。

當(dāng)然，任何真實(shí)的代碼都必須處理其他問題。首先，應(yīng)該做出“是”高峰決定的下降幅度有多大？使用最小1個最低有效位（LSB）值非常容易產(chǎn)生噪聲和誤觸發(fā)。相反，必須建立一些閾值，或者作為等于電壓差的二進(jìn)制計(jì)數(shù)，或者作為滿量程的百分比。使用的值取決于應(yīng)用程序細(xì)節(jié)，就像在基于硬件的版本中一樣。

同樣，如果輸入信號具有全局峰值以及較小的本地峰值，則代碼必須適應(yīng)特定于應(yīng)用程序的高峰標(biāo)準(zhǔn)。這定義了是否只需要識別全局峰值，或者也需要引用本地峰值。

基于軟件的方法的一個主要優(yōu)點(diǎn)是峰值確定標(biāo)準(zhǔn)可以靈活，甚至是根據(jù)需要由軟件動態(tài)更改。當(dāng)噪聲水平發(fā)生變化，或者接收信號的性質(zhì)發(fā)生變化時，這可能非常有用。

該算法甚至可以增強(qiáng)，以查看第一個峰值和第一個峰值之間的幅度差異。較小的第二個峰值，還要看它們的發(fā)生時間。然后它可以決定是否只有一個真正的峰值，然后是“回波”，“陰影”或不感興趣的峰值，應(yīng)該被忽略，或者是否存在兩個或更多獨(dú)立峰值。在許多系統(tǒng)中，這些都是系統(tǒng)性能要求的重要決策。

請注意，動態(tài)修改決策因素的能力具有相關(guān)的先例。許多稱重秤包括雙速率低通濾波器（僅在硬件中，或在軟件中以數(shù)字方式完成），以處理將包放置在秤上時發(fā)生的脈沖。首先，寬帶快速響應(yīng)濾波器用于在近似讀數(shù)的范圍內(nèi)，然后用窄帶，較慢的響應(yīng)濾波器代替，該濾波器聚焦于最后一個LSB以提供最終值。

相比之下一旦組件就位，改變基于電路的版本的峰值檢測參數(shù)是不切實(shí)際的。盡管理論上可以切換到具有不同值的組件，但是在更高的速度下，電路變得復(fù)雜，需要添加智能控制器功能，并且細(xì)微的電路錯誤，漂移和容差問題將很快超過益處。

硬件或軟件？

盡管基于軟件的解決方案在電路簡單性和靈活性方面具有優(yōu)勢，但在許多情況下它并不是一個可行的選擇。對于更寬帶寬的信號，軟件需要一個用于原始信號的高速，高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。這些相對昂貴，功耗高，需要仔細(xì)的電路板布局。它還對系統(tǒng)處理器提出了大量資源需求，以確保峰值檢測代碼能夠以足夠快的速率循環(huán)。

硬件和軟件解決方案都是基本峰值功能的選項(xiàng)。主要決定因素是信號頻率。如果被比較的信號或檢測到的峰值相對較慢，例如在幾百kHz以下，那么使用軟件幾乎總是更好的選擇。所需的電路很小，并且由于其他原因可能已經(jīng)在設(shè)計(jì)中?？梢允褂没谲浖姆椒ǖ膽?yīng)用程序通常涉及溫度，機(jī)械信號，液體流動和其他基于現(xiàn)實(shí)世界的現(xiàn)象。

在速度范圍的另一端，當(dāng)信號達(dá)到數(shù)十MHz甚至更高時，基于硬件的解決方案可能是唯一可行的選擇，原因有兩個。首先，通過軟件，再次需要高速，高分辨率的ADC及其接口。其次，高速執(zhí)行循環(huán)代碼段的負(fù)擔(dān)，即使是相當(dāng)短的代碼段，也可能是對處理器資源的不可接受的額外需求。即使在已經(jīng)擁有高速轉(zhuǎn)換器的RF系統(tǒng)中，例如軟件定義無線電，ADC的輸出也可能沒有所需的分辨率，處理器（通常是FPGA）可能已經(jīng)達(dá)到極限。

困難的選擇是從幾百kHz到幾十MHz的中間范圍。在那里，權(quán)衡包括前期硬件成本，電路板空間和布局，性能靈活性和功耗，而不是確保ADC具有適合比較器/峰值檢測功能和處理器負(fù)擔(dān)的規(guī)范的需求。另一個考慮因素是，如果需要操作參數(shù)的任何靈活性，則決策傾向于基于軟件的方法。

結(jié)論

全硬件，基于模擬的設(shè)計(jì)，以及用于比較器和峰值檢測器的基于軟件的實(shí)現(xiàn)是可行的選擇。在較低的速度下，軟件方法通常更具成本，功耗和空間有效，但在RF范圍內(nèi)，硬件方法成為更好的選擇。

無論使用何種方法，峰值檢測器都很簡單概念，但有微妙之處和設(shè)計(jì)問題，在最終承諾設(shè)計(jì)或代碼之前必須仔細(xì)考慮。使用代表性輸入進(jìn)行仔細(xì)的規(guī)劃，測試，評估和調(diào)試對于確保比較或評估信號類型的成功至關(guān)重要。