问题

请问这个峰值检波的原理是什么,为何会出现下面的问题?

回答
峰值检波,顾名思义,就是用来捕捉输入信号中的最高值(峰值)并将其保持一段时间的电路。它在很多领域都有应用,比如音频信号处理、通信接收机、以及一些测量仪器里,用来获取信号的包络信息。

峰值检波的基本原理

最经典的峰值检波器是基于一个二极管、一个电容器和一个电阻组成的RC电路。它的工作原理可以这样理解:

1. 二极管作为“单向阀”: 二极管有一个特性,就是它只允许电流朝一个方向流动。在峰值检波器中,它就像一个电子开关。当输入信号的电压高于二极管的导通电压时,二极管就会导通,允许电流通过。

2. 电容器作为“储能器”: 电容器能够储存电荷。当二极管导通时,输入信号的电压会通过二极管给电容器充电。

3. 电阻作为“放电器”: 电阻连接在电容器上,它会慢慢地将电容器储存的电荷“放掉”,也就是让电容器的电压缓慢下降。

工作过程:

想象一下输入信号是一个变化的电压波形。

信号上升时: 当输入信号电压开始上升,并且超过了二极管的导通压降(通常是硅管0.7V左右,锗管0.3V左右),二极管就开始导通。电流会通过二极管给电容器充电。电容器两端的电压会迅速跟随输入信号的电压上升。

信号达到峰值时: 当输入信号达到一个局部峰值,并且开始下降时,此时电容器两端的电压(也就是输出电压)已经上升到了接近这个峰值。由于二极管是单向的,当输入信号电压开始下降时,它会低于电容器的电压,这时二极管就会截止,阻止电流从电容器流回输入信号。

信号下降,保持峰值: 一旦二极管截止,电容器就会孤立起来,它储存的电荷就不会流失(至少暂时不会)。电容器两端的电压就“保持”住了刚才的峰值。

电阻的“放电”作用: 然而,电容器上的电荷并不会永远保持。它会通过连接的电阻R慢慢放电。这意味着输出电压会随着时间缓慢下降。

下一个峰值到来: 如果输入信号继续变化,当它再次上升并且其电压超过了电容器当前的电压时,二极管会重新导通,电容器会再次充电,将输出电压更新到新的峰值。

这个过程的核心就是,电容器一旦充到某个峰值电压,二极管就会阻止它被“拉低”,只有当新的更高的电压出现时,它才会再次被充电到新的峰值。电阻的作用是让这个“保持”不是无限期的,以便电路能够跟踪信号的变化。

为什么会出现问题?

你提到的“问题”通常与这个RC电路的参数选择有关,以及输入信号的特性。最常见的问题有:

1. “跟踪不够快”或“过冲” (Overshoot):
原因: 这通常发生在输入信号变化非常快(例如,上升沿非常陡峭)的情况下。如果RC电路的充电时间常数(由R和C决定)太大,电容器就无法及时跟上输入信号快速上升的电压。在信号快速上升的过程中,输入信号的电压已经爬升了很大一部分,但电容器的电压还比较低。当输入信号达到真正的峰值时,电容器的电压可能还没来得及完全充到那个峰值。反之,在某些特定情况下,如果电路设计不当,也可能出现短暂的“过冲”。
更严谨的解释: 在信号上升阶段,电容器的充电过程可以近似看作一个指数曲线。如果上升时间小于RC时间常数,电容器的电压就会滞后于输入信号电压。当输入信号达到峰值并开始下降时,如果RC时间常数太大,电容器电压还没来得及充到峰值,就已经错过了捕捉最高点。

2. “下降太快”或“包络失真” (Droop/Sag):
原因: 这是峰值检波器中最常见的问题之一,尤其是在检波低频信号或信号的峰值之间间隔时间较长时。如前所述,电容器会通过电阻R缓慢放电。如果输入信号的峰值之间的间隔时间(即信号进入下降阶段到下一个峰值出现的时间)长于RC时间常数,电容器储存的电荷就会在下一个峰值到来之前流失一部分,导致输出电压在两个峰值之间有明显的下降(称为“droop”或“sag”)。
影响: 这种下降会使得输出的“包络”看起来不是平坦的,而是有凹陷的。对于低频信号,这个凹陷会更明显,因为峰值之间的间隔相对更长。

3. “瞬态响应不足”或“波形失真”:
原因: 除了上述的上升和下降问题,整个电路的带宽和瞬态响应能力也至关重要。如果电路的带宽不足,它就无法准确地复现快速变化的信号成分,特别是信号的尖峰。这会导致输出的包络与实际信号的峰值存在偏差。
更根本的: 理想的峰值检波器应该输出一个平坦的直流信号,其电压等于输入信号的最高峰值。但实际的RC电路是有响应延迟和衰减的。

为了解决这些问题,通常会采取一些改进措施:

减小RC时间常数: 减小R或C的值可以加快电容器的充电速度,从而提高电路对快速变化的信号的跟踪能力,减少过冲。然而,这会加剧“droop”问题,因为放电也会更快。
增加RC时间常数: 增大R或C的值可以减缓电容器的放电速度,从而减少“droop”问题,使输出的包络更平滑。但缺点是电路跟踪快速变化的信号的能力会变差。
使用“主动峰值检波器”: 现代的峰值检波器往往会使用运算放大器(Opamp)来构建。运算放大器可以提供高输入阻抗和低输出阻抗,并用于构建更精确的跟踪和保持(TrackandHold)电路,甚至可以用更复杂的电路来主动“钳位”电容器电压,从而克服简单的RC电路的局限性,实现更精确的峰值检测和更低的“droop”。例如,一种常见的改进是使用一个跟随器(buffer)来驱动电容器,这样电容器放电时就不会影响前面电路的输出。另一种是使用“二极管运放”结构,利用运放的高增益来“虚拟地”减小二极管的压降,或实现更快的充电。

总而言之,峰值检波器的工作原理是利用二极管的单向导电性和电容器的储能特性,通过RC电路的充电和放电过程来跟踪信号的最高电压。而出现的问题,比如跟踪不及时或下降太快,主要是RC时间常数与输入信号的动态特性不匹配造成的,需要根据具体的应用场景来仔细权衡电路参数或者采用更先进的电路设计。

网友意见

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千万不要用 MULTISIM 的中文破解版或者第三方汉化版。 尽管这可能和问题无关, 但是无数的人碰壁以后才发现是软件问题。 MULTISIM 在大约十年前和 ADI 合作的时候提供过免费的 ADI 版。 类似 TEXAS INSTRUMENTS 的 TINA。

       https://www.ti.com/tool/TINA-TI  TINA-TI SPICE-based analog simulation program     


LTspice 的仿真,出来的东西没有明显的错误。


       https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html  LTspice LTspice® is a high performance SPICE simulation software, schematic capture and waveform viewer with enhancements and models for easing the simulation of analog circuits. Included in the download of LTspice are macromodels for a majority of Analog Devices switching regulators, amplifiers, as well as a library of devices for general circuit simulation.     



LTspice 是免费的。




峰值检测电路

用于检测交流波形的峰值。 如果峰值检测要在正负两个半周期上起作用(它们可能非常不同),则在峰值检测器前面使用一个精密整流器。 当信号是不对称的时候,这通常是必要的,这在音频信号中是很常见的。 这里的电路都只对正的峰值工作。

峰值检测器有许多不同的类型,从非常简单到相当复杂。

这完全取决于应用,以及需要保留多长时间的峰值。 在某些情况下,只需使用一个电阻器(或电流汇流排)对保持峰值的电容器进行放电,但在某些情况下,该值必须以非常低的下降率(缓慢的电容器放电)保持相当长的时间,因此需要一个单独的放电电路。 这可以是一个电子开关或一个手动按钮,这取决于应用。

最有可能被问到的问题是 "为什么?"

这是一个很好的问题,因为大多数电子爱好者可能从来没有对峰值检测器的需求,或者已经使用了一个而没有意识到他们已经这样做了。

峰值检测器通常用于捕获瞬时事件,否则可能无法检测到,但会导致电路故障。 它们在音频处理系统中也很常见,特别是音频峰值限制器电路。

它们还可以用来捕捉来自功率放大器的瞬时电压峰值,并可用于分析("我的放大器足够强大吗?")或激活削波指示灯。

它们可用于电力工程(如电源供电的电路),以监测电源的最坏情况下的浪涌电流,或查看电源电压瞬态是否超过一个给定的阈值。

因此,虽然许多读者永远不会需要一个,但其他人会看到一个峰值检测器的直接应用。


虽然网上有许多电路声称是峰值检测器,但许多(如果不是大多数)都是原始的,无论如何都不能被认为是精密电路。 这对于非关键性的应用来说是没有问题的,但是如果你真的需要一个性能可预测、输出能准确表示输入波形的峰值的电路,那就没有用了。


储能电容

在建立保持电压超过几毫秒的电路时,有许多事情需要考虑。

在音频方面,像PCB表面漏电和/或电容器漏电很少是一个问题,但当电压被储存在电容器中时,它们就变得至关重要。 高值电容一般不能使用,因为它们需要太多的能量来充电,而且高值电容的特性在很大程度上与峰值检测器或采样和保持电路的要求不一致,它们在许多方面是相似的。在峰值需要保留哪怕几秒钟的情况下,需要特别小心,以尽量减少电容器的放电。 只要有足够的时间,即使是印刷电路板的表面电阻也足以使电容器放电。 例如,一个100nF的电容器和1 GΩ(1,000兆欧)的时间常数是100秒,或1.67分钟。 在这个时候,电压已经下降到原来存储值的0.632(63.2%)。 这种组合只适用于2%精度的4秒左右的保持时间。 如果你使用一个10nF的电容,这些时间将分别减少到10秒和400ms。

我们还需要注意用于存储峰值电压的电容器的类型。 介质吸收在音频电路中不是一个问题,但在峰值检测器、采样和保持电路以及其他需要保持准确和一致电压的地方,这一点至关重要。 聚酯电容器适合在非关键应用中发挥这种作用,但聚丙烯是最便宜、最实惠的替代品,可以替代非常昂贵的的电容器。

电容器的值很重要。 如果是10nF左右,即使是低输出电流的运算放大器也很容易快速充电,但由于漏电电阻,保持时间会受到限制。 一个100nF的电容需要10倍的能量才能充到相同的电压,所以如果要捕捉一个非常快的瞬态,电流可能会受到运算放大器的限制,因为运算放大器可能会有电流限制,无法将电容充到高速电路中的峰值。 为了获得较长的保持时间,C1应该是聚丙烯,因为它比麦拉(聚酯/PET)具有更高的绝缘电阻。


       参考阅读   US3979670A Apparatus for detecting and measuring peak-to-peak values in electrical signals InventorSotirios John VahaviolosCurrent  Assignee AT&T Corp   https://www.analog.com/en/technical-articles/ltc6244-high-speed-peak-detector.html LTC6244 High Speed Peak Detector by Hassan Kelley and Gabino Alonso     


请问这个峰值检波的原理是什么,为何会出现下面的问题?





简单的二极管峰值检测器

二极管是所有峰值检测器的基础,但如果单独使用,正向电压意味着任何低于0.7V的信号都无法被监测。

在精密整流器中使用的 "有源二极管"(使用运算放大器)解决了这个问题,但还有许多其他考虑。 使用肖特基二极管来降低正向电压似乎是合适的,但这些二极管有相对较高的漏电,并不适合,尽管 "低漏电 "肖特基二极管对于存储电压下降不是问题的电路来说可能是可以的。 可敬的1N4148在20V时的额定反向漏电流为25nA,其等效电阻仅为800MΩ。 虽然这听起来像是一个高电阻,但请记住,100nF和1 GΩ的时间常数为100秒,但电压将在4秒多一点的时间内从5V下降到4.9V(2%)。

这意味着,如果需要储存超过5秒左右的数值,总阻抗需要大大高于1 GΩ。 存储电容上的电压不能用万用表测量,因为即使是10MΩ阻抗的数字表也会在几毫秒内对电容放电。 在10MΩ的负载下,一个100nF的电容从5V放电到4.9V只需20多分钟。 一个运算放大器需要被用作缓冲器,以使存储的峰值电压能够被测量或处理。 除了最基本的电路外,FET输入运算放大器在任何情况下都是必要的。

如果电压相当高,二极管的导通误差与被采样的电压相比很小,那么简单的检测器可能就很好。 然而,电压必须不超过运算放大器的输入范围,所以这通常意味着最大约为12V(假设±15V电源)。 不幸的是,除了非常简单的电路外,这很少是一种选择,因为在这种情况下,精度不是一个主要的问题。

运算放大器必须是FET或MOSFET(CMOS)输入类型,因此输入电流不会对存储电容放电(或充电!)。 所有具有BJT(双极结晶体管)输入的运算放大器都不适合作为缓冲器。


可敬的TL071声称其输入阻抗为1 TΩ(10E12欧姆),远远高于任何双极晶体管运算放大器。

CMOS运算放大器也具有同样的性能,如果不使用专门的(和昂贵的)部件,很难在此基础上进行改进。 这种水平的阻抗需要高度专业化的PCB布局,以尽量减少杂散漏电,杂散漏电可能远远大于运算放大器的输入。另外,大多数玻璃二极管在被环境光照亮的情况下会显示出更多的漏电,因此可能需要一个防光罩以确保漏电保持在其声称的数字。 虽然这可能不是通常要担心的事情,但在高阻抗电路中却变得非常关键。 对于普通的小信号二极管来说,这种效应并不广为人知。


请问这个峰值检波的原理是什么,为何会出现下面的问题?


有源二极管峰值检测器 == 这个峰值检波

有源二极管使用一个运算放大器来有效消除二极管的偏移。

然而除非小心谨慎,否则该电路有一个不理想的特性,即当输入电压低于电容上的存储电压时,所使用的运算放大器会摆动到负电源轨道。 这有两个不好的影响。

首先,这意味着运算放大器必须至少摆动一半的总电源电压,才能做任何事情(如给保持电容充电),这严重限制了高频响应。

其次,这意味着二极管的反向电压比必要的要高得多,这就增加了漏电流。 这可能不是非常多,但我们一般都在寻找尽可能低的漏电,这样可以延长保持时间。 任何地方的高漏电都意味着保持时间会大大减少。 在许多情况下,有必要使用比想象中更小的电容,特别是在需要捕捉非常快的瞬态时。


图中所示的有源二极管电路使用运算放大器反馈环路内的二极管来有效地消除0.7V的偏移.

这是一个常见的电路,如果长保持时间和高速度不是必须的,那么它在实践中的效果足够好。

在某些情况下,最好在 C 1上串联一个电阻,以限制过冲,如果输入信号对运算放大器来说太快了,就会出现过冲。 这意味着运算放大器开环运行(没有任何反馈),直到输出能够 "追上 "输入。 在测量电路中,这可能是一个非常实际的问题,因为输入可能比任何音频信号快很多。

该电路仍有一些小问题,主要是电容器充电电流有限,以及当输入电压为负值时,U1的输出接近负电源轨道,因此速度受到限制。

运算放大器的 SLEW RATE 意味着摆动到峰值电压需要时间,再加上二极管的压降。 运算放大器开环工作,直到输出电压与输入的瞬时(正)值相同。




仿真模型就在下面, 请自行取用。 不必客气, 不必点赞。 收藏就好了。

       Version 4 SHEET 1 1260 680 WIRE 64 -48 32 -48 WIRE 512 -48 144 -48 WIRE 416 32 400 32 WIRE 512 32 512 -48 WIRE 512 32 496 32 WIRE 32 48 32 -48 WIRE 176 80 176 48 WIRE 256 80 176 80 WIRE 400 144 400 32 WIRE 416 144 400 144 WIRE -80 160 -80 128 WIRE -80 160 -96 160 WIRE 32 160 32 48 WIRE 32 160 -80 160 WIRE 64 160 32 160 WIRE 512 160 512 32 WIRE 512 160 480 160 WIRE 608 160 608 112 WIRE 608 160 512 160 WIRE 176 176 176 80 WIRE 176 176 128 176 WIRE 192 176 176 176 WIRE 352 176 352 128 WIRE 352 176 336 176 WIRE 400 176 352 176 WIRE 416 176 400 176 WIRE 32 192 -16 192 WIRE 64 192 32 192 WIRE 352 224 352 176 WIRE 400 224 400 176 WIRE -16 240 -16 192 WIRE 32 240 32 192 WIRE 608 256 608 240 WIRE -16 352 -16 320 FLAG 496 416 0 FLAG 592 416 0 FLAG 496 336 v++ FLAG 96 144 v++ FLAG 448 128 v++ FLAG 592 336 v-- FLAG 96 208 v-- FLAG 448 192 v-- FLAG -16 352 0 FLAG 352 288 0 FLAG 400 304 0 FLAG 608 256 0 FLAG -96 240 0 FLAG 608 112 PPout FLAG 352 128 tp0 FLAG 256 80 tp_1 FLAG -80 128 tp_2 FLAG 32 240 sig_in SYMBOL voltage 592 320 R0 WINDOW 123 0 0 Left 0 WINDOW 39 0 0 Left 0 SYMATTR InstName V1 SYMATTR Value -15 SYMBOL voltage 496 320 R0 WINDOW 123 0 0 Left 0 WINDOW 39 0 0 Left 0 SYMATTR InstName V2 SYMATTR Value 15 SYMBOL voltage -16 224 R0 WINDOW 0 -71 86 Left 2 WINDOW 3 -296 125 Left 2 WINDOW 123 24 124 Left 2 WINDOW 39 0 0 Left 0 SYMATTR InstName V3 SYMATTR Value SINE(0 20e-3 1000) SYMATTR Value2 AC 1 SYMBOL diode 192 192 R270 WINDOW 0 32 32 VTop 2 WINDOW 3 0 32 VBottom 2 SYMATTR InstName D1 SYMATTR Value 1N4148 SYMBOL diode 32 64 R270 WINDOW 0 32 32 VTop 2 WINDOW 3 15 -47 VBottom 2 SYMATTR InstName D2 SYMATTR Value 1N4148 SYMBOL cap 336 224 R0 WINDOW 3 -35 38 Left 2 SYMATTR InstName C1 SYMATTR Value 10n SYMBOL res 80 64 R270 WINDOW 0 32 56 VTop 2 WINDOW 3 0 56 VBottom 2 SYMATTR InstName R1 SYMATTR Value 1e-3 SYMBOL res 416 320 R180 WINDOW 0 -50 27 Left 2 WINDOW 3 -71 63 Left 2 SYMATTR InstName R2 SYMATTR Value 10e6 SYMBOL res -112 144 R0 SYMATTR InstName R3 SYMATTR Value 10k SYMBOL res 48 -32 R270 WINDOW 0 32 56 VTop 2 WINDOW 3 0 56 VBottom 2 SYMATTR InstName R4 SYMATTR Value 10k SYMBOL res 512 16 R90 WINDOW 0 0 56 VBottom 2 WINDOW 3 32 56 VTop 2 SYMATTR InstName R5 SYMATTR Value 100 SYMBOL res 592 144 R0 SYMATTR InstName R6 SYMATTR Value 10k SYMBOL res 240 192 R270 WINDOW 0 32 56 VTop 2 WINDOW 3 0 56 VBottom 2 SYMATTR InstName R7 SYMATTR Value 50 SYMBOL OpAmps\LT1792 96 112 R0 WINDOW 3 -2 160 Left 2 SYMATTR InstName U3 SYMBOL OpAmps\LT1792 448 96 R0 WINDOW 3 37 115 Left 2 SYMATTR InstName U4 TEXT -116 440 Left 2 !.tran 0 20e-3 0 1e-6     




LM324 的 SLEW RATE 太低, 不适合用来做 100 赫兹以上的峰值检测。


【未完待续】






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俺没啥文化, 初中毕业,大伙都知道。

俺不到一百万知友(760多K),才升10级。阅读总量没到一小步(8000万左右,不到一个亿的小目标)。长期关注俺的知友知道, 俺不是专业的。 俺也不是大佬。

是最业余的......笑话、神棍和论坛孤儿

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