双沿触发微分法峰值检测器及峰值检测方法与流程

本发明涉及峰值检测，具体涉及双沿触发微分法峰值检测器及峰值检测方法。

背景技术：

峰值检测的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出电压等于输入信号峰值电压。峰值检测电路在自动增益控制(AGC)电路、传感器最值求取电路、AD/DA电路中广泛应用，平时一般作为程控增益放大器倍数选择的依据，峰值检测电路的检测精度及工作频率等指标直接决定了参数采集系统的性能。随着当前信号频率的不断提高，信号种类的多样化发展，对峰值检测器的工作频率及检测精度等也提出了更高的要求。

传统峰值检测电路利用二极管的正偏特性作为采样保持的指令判断，具有检测精度高、结构简单的优势，但由于二极管的频率响应特性，其输入信号工作频率受到很大限制，而且在应用于输入信号幅度不断变化的复杂采样系统时，需要引入额外的复位电路及相应的逻辑算法，较难满足复杂参数采样系统的需求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供双沿触发微分法峰值检测器及峰值检测检测方法，实现对高频率输入信号的实时峰值检测。

为了解决上述技术问题，本发明的第一个技术方案是：一种双沿触发微分法信号峰值检测器，包括微分电路、双沿触发比较器电路及采样保持电路；其特点是：

所述微分电路用于对输入信号进行微分变换处理，得到输入信号的微分变换结果，且当输入信号处于峰值或谷值时，得到的微分变换输出信号正好处于零点或参考电压；便于比较器进行比较处理；

所述双沿触发比较器电路接收微分电路的输出信号，将其与零点电压或参考电压进行比较，并根据比较结果输出双沿触发的数字控制信号，以控制采样保持电路进行采样或保持操作；

所述采样保持电路包括两级射极跟随器、高速开关电路及保持电容；第一级射极跟随器与微分电路同时接收输入信号，其输出跟随输入信号，第二级射极跟随器的输出即为最终的峰值检测结果输出；高速开关电路连接在第一级射极跟随器的输出与第二级射极跟随器的输入之间，并且第二级射极跟随器的输入端通过保持电容接地，高速开关电路的通断由双沿触发比较器电路输出的双沿触发数字控制信号控制；当高速开关电路导通时，第一级射极跟随器的输出信号对保持电容充电，当高速开关电路断开时，保持电容通过第二级射极跟随器放电；高速开关的控制信号由双沿触发比较器电路提供。

本发明采用微分电路来实现输入信号的微分变换，当输入信号处于峰值或谷值时，得到的微分变换输出信号正好处于零点或参考电压值，实现了对输入信号峰值的高精度判断；采用双沿触发比较器电路来得到用于控制采样保持电路的双沿触发数字控制信号。即通过采用双沿触发比较器电路对微分变换输出信号与零点电压或参考电压值进行比较，当输入信号还未达到峰值时，微分变换输出信号高于零点电压或参考电压值，则双沿触发比较器电路输出高电平。当输入信号达到峰值时，微分变换输出信号等于零点电压或参考电压值，则双沿触发比较器电路输出由高电平跳变至低电平。在下一个周期中，当输入信号处于上升沿时，微分变换输出信号高于零点电压或参考电压值，则输出又由低电平跳变至高电平。从而得于双沿触发数字控制信号，实现对采样保持电路的高速开关的实时控制。本发明采用采样保持电路来对输入信号进行采样和保持两种操作，当双沿触发比较器电路输出的双沿触发数字控制信号为高电平时，高速开关导通，输出信号跟随输入信号变化，为采样状态。当双沿触发比较器电路输出的双沿触发数字控制信号为低电平时，高速开关关断，输出信号在一定时间内保持关断时的输出电压值，为保持状态。当本发明应用于A/D转换电路时，即可在保持时间内进行相应的模拟数字转换。

根据本发明所述的双沿触发微分法峰值检测器的优选方案，所述双沿触发比较器电路中包含比较器核心电路和数字控制信号产生电路；所述比较器核心电路为处于开环状态的运算放大器，当微分电路的输出信号达到零点电压或参考电压时，运算放大器输出电压为高电平，当微分电路的输出信号低于零点电压或参考电压时，运算放大器输出电压为低电平；数字控制信号产生电路将运算放大器的输出信号转换成数字电平。

由于在实际工作过程中，运算放大器输出电压受到运算放大器开环增益限制，不能达到电源电压或地电平，因此需要数字控制信号产生电路进行转换，将输出信号放大至电源电压电平，从而得到标准的方波控制信号，用于控制采样保持电路的开关切换。

根据本发明所述的双沿触发微分法峰值检测器的优选方案，比较器核心电路包括PMOS管MP1～MP13和NMOS管MN1～MN10；PMOS管MP1栅极和漏极连接，为电流输入端，MP1的源极接电源；PMOS管MP1、MP2、MP3的栅极相互连接，MP2、MP3的源极接电源；PMOS管MP4、MP5的栅级相互连接，PMOS管MP5的栅极和漏极相连，PMOS管MP4、MP5的源级接电源；PMOS管MP6、MP7构成输入级，MP6的栅极接输入正端，MP7的栅极接输入负端，PMOS管MP6、MP7的源级接MP3的漏极；MP7的漏级接MN13的漏极；PMOS管MP8的栅极和漏极相互连接，MP8的源极接MP9的漏极，PMOS管MP8、MP9的栅极相互连接，MP9的源极接电源；PMOS管MP10、MP11的栅极相互连接，MP10的源极接MP11的漏极，MP11的源极接电源；PMOS管MP12、MP13的栅极相互连接，MP12的源极接MP13的漏极，MP13的源极接电源，MP12的漏极接MP10的源极；NMOS管MN1的栅极和漏极相连，并连接到PMOS管MP2的漏极，NMOS管MN1、MN2的栅极相互连接，NMOS管MN2的漏极连接到NMOS管MN7、MN8的源极，NMOS管MN1、MN2的源极接地；NMOS管MN3、MN4的栅极相互连接，NMOS管MN3的栅级和漏极相互连接，并连接到PMOS管MP4及MP6的漏极，NMOS管MN4的源极接地；NMOS管MN5、MN6的栅极相互连接，NMOS管MN5的漏极连接到PMOS管MP10的漏极，NMOS管MN6的源极接地；NMOS管MN13、MN14的栅极相互连接，NMOS管MN13的栅极和漏极相互连接，并连接到PMOS管MP7的漏极，NMOS管MN6的源极接地；NMOS管MN7、MN8构成输入级，MN7的栅极接输入负端，MN8的栅极接输入正端，MN7的漏极接PMOS管MP5的漏极，MN8的漏极接PMOS管MP8的漏极及NMOS管MN14的漏极；NMOS管MN13、MN14的源极接地；NMOS管MN9、MN10的栅极相互连接，并连接到PMOS管MP12及MP13的栅极，NMOS管MN9的源极连接到MN10的漏极，MN10的源极接地。

根据本发明所述的双沿触发微分法峰值检测器的优选方案，所述数字控制信号产生电路包括反向放大器和输出缓冲器；反向放大器由PMOS管MP14、NMOS管MN11及电阻R1构成，输出缓冲器由NMOS管MN12和PMOS管MP15构成；PMOS管MP14和NMOS管MN11的栅极相互连接，并连接到比较器核心电路；PMOS管MP14的漏极与NMOS管MN11的漏极相连，并连接到电阻R1一端，PMOS管MP14的源极接电源，NMOS管MN11的源极接地，电阻R1另一端接PMOS管MP14和NMOS管MN11的栅极；PMOS管MP15的漏极与NMOS管MN12的漏极相连，PMOS管MP15的源极接电源，NMOS管MN12的源极接地，PMOS管MP15的漏极与NMOS管MN12的栅极相连，并连接到PMOS管MP14的漏极与NMOS管MN11的漏极。

本发明的第二个技术方案是，一种利用微分法和双沿触发进行信号峰值检测的方法，其特点是：

设置微分法信号峰值检测器，包括微分电路、双沿触发比较器电路及采样保持电路；

所述微分电路用于对输入信号进行微分变换处理，得到输入信号的微分变换结果，且当输入信号处于峰值或谷值时，得到的微分变换输出信号正好处于零点或参考电压；便于比较器进行比较处理；

所述双沿触发比较器电路接收微分电路的输出信号，将其与零点电压或参考电压进行比较，当微分电路的输出信号达到零点电压或参考电压时，所述双沿触发比较器电路输出高电平数字信号，使高速开关导通，当微分电路的输出信号低于零点电压或参考电压时，所述双沿触发比较器电路输出低电平数字信号，使高速开关断开；

所述采样保持电路用于对输入信号进行采样和保持操作；当高速开关导通时，所述采样保持电路的输出信号跟随输入信号变化，为采样状态；当高速开关关断时，所述采样保持电路的输出信号保持关断时的输出电压值，为保持状态。

根据本发明所述的利用微分法和双沿触发进行信号峰值检测的方法的优选方案，所述采样保持电路包括两级射极跟随器、高速开关及保持电容；

第一级射极跟随器与微分电路同时接受输入信号，其输出跟随输入信号，第二级射极跟随器的输出即为最终的峰值检测结果输出；高速开关连接在第一级射极跟随器的输出与第二级射极跟随器的输入之间，并且第二级射极跟随器的输入端通过保持电容接地；当高速开关导通时，第一级射极跟随器的输出信号对保持电容充电，当高速开关断开时，保持电容通过第二级射极跟随器放电，高速开关电路的通断由双沿触发比较器电路输出的双沿触发数字控制信号控制。

本发明所述的双沿触发微分法峰值检测器及峰值检测方法的有益效果是：本发明通过采用微分电路对输入信号进行微分变换，实现了对输入信号峰值的高精度判断，并通过双沿触发数字控制信号控制采样保持电路，引入了自复位机制，不需额外复位单元及复位逻辑；本发明与传统的二极管式锁存峰值检测器相比，具有工作频率高、检测精度高、自复位等优点，实现了高频率高精度的峰值检测，可广泛应用在各种复杂信号采样系统中。

附图说明

图1是双沿触发微分法信号峰值检测器原理框图。

图2是高速开关电路5的电路图。

图3是双沿触发比较器电路2的电路图。

图4是微分电路1的实施效果图。

图5是双沿触发微分法峰值检测器实现效果图。

具体实施方式

参见图1，一种双沿触发微分法信号峰值检测器，包括微分电路1、双沿触发比较器电路2及采样保持电路3；其中：

所述微分电路1用于对输入信号进行微分变换处理，得到输入信号的微分变换结果，且当输入信号处于峰值或谷值时，得到的微分变换输出信号正好处于零点或参考电压；

所述双沿触发比较器电路2接收微分电路1的输出信号，将其与零点电压或参考电压进行比较，并根据比较结果输出双沿触发的数字控制信号，控制采样保持电路3进行采样或保持操作；

所述采样保持电路3包括两级射极跟随器、高速开关电路5及保持电容C4；第一级射极跟随器4与微分电路1同时接受输入信号，其输出跟随输入信号，第二级射极跟随器的输出即为最终的峰值检测结果输出；高速开关电路5连接在第一级射极跟随器4的输出与第二级射极跟随器6的输入之间，并且第二级射极跟随器的输入端通过保持电容接地，高速开关电路5的通断由双沿触发比较器电路2控制；当高速开关电路5导通时，第一级射极跟随器4的输出信号对保持电容C4充电，当高速开关电路5断开时，保持电容C4通过第二级射极跟随器6放电；高速开关5的控制信号由双沿触发比较器电路2提供；两级射极跟随器均采用相同的运算放大器将输出端与负输入端相连形成的单位增益跟随放大器构成。

在具体实施例中，所述微分电路1包括运算放大器10、电容C1、C2和电阻R1；电容C1为交流耦合电容，一端接输入信号，另一端接运算放大器10的输入负端；电阻R1为跨接电阻，一端接运算放大器10的输入负端，另一端接运算放大器10的输出端；电容C2为跨接电容，一端接运算放大器的输入负端，另一端接运算放大器的输出端。运算放大器10的正端接收接基准电路7产生的参考电压。该微分电路1可以对输入信号进行微分变换，当输入信号处于峰值或谷值时，得到的微分变换输出信号正好处于参考电压值。

微分电路的工作原理是：当输入信号处于上升沿时，电平由低跳变为高，相当于在R1C1回路中突然接通了高电平，由于电容C1两端的电压不能突变，即电容器上的电压需要经过一个充电过程才逐渐上升，则此时电容C1两端电压为0，输入电压全部落在跨接电阻R1上，此时输出电压达到最高。此后输入信号开始给电容C1充电，电容C1两端电压按指数规律上升，而电阻R1两端电压按指数规律下降，当输入信号达到峰值时，输出电压降低到零。当输入信号处于下降沿时，电平由高跳变为低，相当于在R1C1回路中突然撤掉了高电平，同样由于电容C1两端的电压不能突变，其需要通过跨接电阻R1进行放电，因此电容C1两端电压落在电阻R1两端，而由于放电电流与充电电流反向，故而输出电压达到最低。当输入信号达到谷值时，电容C1放电即将结束，从而使得输出电压回升至零。综上所述，当输入信号达到峰值或谷值时，输出电压均为零值，从而实现了对输入信号进行微分变换的作用。在实际电路应用中，为了不采用负电源，运算放大器的输入正端加入了参考电压值，从而使得微分变换中的零值转换为参考电压值，便于比较器进行比较。

微分电路实施效果见图4所示，横轴为时间，纵轴为电压。图中包含两条曲线，输入信号曲线及微分变换输出曲线，由图4可以看出，当输入信号达到峰值时，微分变换输出信号达到参考电压值；当输入信号达到谷值时，微分变换输出信号达到参考电压值。图4表明：该微分电路可以实现微分变换输出。

本发明采用高增益的运算放大器构成微分电路、双沿触发比较器及采样保持电路，同时利用NMOS管构成高速开关，只要设计形成高频高带宽高增益的的运算放大器，就可实现高频工作特性，突破了传统二极管结构的工作频率限制。

所述采样保持电路由两级射极跟随器4、6、高速开关电路5及保持电容C4、交流耦合电容C3构成，高速开关电路5连接在第一级射极跟随器4的输出与第二级射极跟随器6的输入之间，两级射极跟随器均由相同的运算放大器，并将输出端与负输入端相连形成的单位增益跟随放大器构成；电容C3的一端接收输入信号，另一端接第一级射极跟随器4的输入正端；第二级射极跟随器的输入端还通过保持电容C4接地，高速开关电路5的控制信号由双沿触发比较器电路2提供；第二级射极跟随器的输出端即为最终的峰值检测结果输出。

采样保持电路的工作原理是：当处于采样状态时，采样保持电路的输出信号跟随输入信号变化而变化，当处于保持状态时，采样保持电路的输出信号保持为接到保持命令的瞬间的输入信号电平值。当电路处于采样状态时高速开关电路5导通，这时保持电容充电C4，如果电容值很小，电容C4可以在很短的时间内完成充放电，这时输出端输出信号跟随输入信号变化而变化；当电路处于保持状态时，高速开关电路5断开，这时由于第二级射极跟随器的输入端呈高阻状态，电容C4放电缓慢，所以输出信号基本保持为断开瞬间的信号电平值。

在具体实施例中，构成微分电路的运算放大器和射极跟随器的运算放大器均可包含两级放大结构，两极放大有效提高了运算放大器的开环增益，便于形成高频工作的微分电路及射极跟随电路，同时采用共源共栅结构，可以使电路工作在较低的工作电压下。

参见图2,高速开关电路5主要由NMOS管5MN1及电阻5R1、5R2构成，NMOS管5MN1的漏极作为输入端，NMOS管5MN1的源极作为输出端，NMOS管5MN1的栅极连接电阻5R1的一端，电阻5R1的另一端作为控制信号输入端；电阻5R2的一端连接到NMOS管5MN1的衬底，另一端连接到地。

高速开关电路5的工作原理是，当控制信号为高电平时，NMOS管5MN1的栅源电压差值大于其阈值电压，NMOS管5MN1导通，即开关处于导通状态。当控制信号为低电平时，NMOS管5MN1的栅源电压差值小于其阈值电压，NMOS管5MN1截止，即开关处于断开状态。电阻5R1、5R2可以有效减小NMOS管5MN1的栅极及源漏极到地的寄生电容，降低高频率工作时的信号损耗，从而提高峰值检测精度。

参见图3,双沿触发比较器电路包含比较器核心电路8和数字控制信号产生电路9；所述比较器核心电路8为处于开环状态的运算放大器，当微分电路1的输出信号达到零点电压或参考电压时，运算放大器输出电压为高电平，当微分电路1的输出信号低于零点电压或参考电压时，运算放大器输出电压为低电平；数字控制信号产生电路9将运算放大器的输出信号转换成数字电平。

在具体实施例中，所述比较器核心电路8包括PMOS管MP1～MP13和NMOS管MN1～MN10；PMOS管MP1栅极和漏极连接，为电流输入端，MP1的源极接电源；PMOS管MP1、MP2、MP3的栅极相互连接，MP2、MP3的源极接电源；PMOS管MP4、MP5的栅级相互连接，PMOS管MP5的栅极和漏极相连，PMOS管MP4、MP5的源级接电源；PMOS管MP6、MP7构成输入级，MP6的栅极接输入正端，MP7的栅极接输入负端，PMOS管MP6、MP7的源级接MP3的漏极；MP7的漏级接MN13的漏极；PMOS管MP8的栅极和漏极相互连接，MP8的源极接MP9的漏极，PMOS管MP8、MP9的栅极相互连接，MP9的源极接电源；PMOS管MP10、MP11的栅极相互连接，MP10的源极接MP11的漏极，MP11的源极接电源；PMOS管MP12、MP13的栅极相互连接，MP12的源极接MP13的漏极，MP13的源极接电源，MP12的漏极接MP10的源极；NMOS管MN1的栅极和漏极相连，并连接到PMOS管MP2的漏极，NMOS管MN1、MN2的栅极相互连接，NMOS管MN2的漏极连接到NMOS管MN7、MN8的源极，NMOS管MN1、MN2的源极接地；NMOS管MN3、MN4的栅极相互连接，NMOS管MN3的栅级和漏极相互连接，并连接到PMOS管MP4及MP6的漏极，NMOS管MN4的源极接地；NMOS管MN5、MN6的栅极相互连接，NMOS管MN5的漏极连接到PMOS管MP10的漏极，NMOS管MN6的源极接地；NMOS管MN13、MN14的栅极相互连接，NMOS管MN13的栅极和漏极相互连接，并连接到PMOS管MP7的漏极，NMOS管MN6的源极接地；NMOS管MN7、MN8构成输入级，MN7的栅极接输入负端，MN8的栅极接输入正端，MN7的漏极接PMOS管MP5的漏极，MN8的漏极接PMOS管MP8的漏极及NMOS管MN14的漏极；NMOS管MN13、MN14的源极接地；NMOS管MN9、MN10的栅极相互连接，并连接到PMOS管MP12及MP13的栅极，NMOS管MN9的源极连接到MN10的漏极，MN10的源极接地。

所述数字控制信号产生电路9包括反向放大器和输出缓冲器；反向放大器由PMOS管MP14、NMOS管MN11及电阻R1构成，输出缓冲器由NMOS管MN12和PMOS管MP15构成；PMOS管MP14和NMOS管MN11的栅极相互连接，并连接到比较器核心电路8，即PMOS管MP12、MP13及NMOS管MN9、MN10的栅极；PMOS管MP14的漏极与NMOS管MN11的漏极相连，并连接到电阻R1一端，PMOS管MP14的源极接电源，NMOS管MN11的源极接地，电阻R1另一端接PMOS管MP14和NMOS管MN11的栅极；PMOS管MP15的漏极与NMOS管MN12的漏极相连，PMOS管MP15的源极接电源，NMOS管MN12的源极接地，PMOS管MP15的漏极与NMOS管MN12的栅极相连，并连接到PMOS管MP14的漏极与NMOS管MN11的漏极。

由于反相放大器具有较高的增益和电压裕度，可以将输出信号放大至电源电压电平，从而得到标准的方波控制信号，用于控制采样保持电路的开关切换。

所述双沿触发比较器电路2的工作原理是：双沿触发比较器电路包含一个处于开环状态的运算放大器和一个用于将比较结果转换为数字电平的数字控制信号产生电路，当微分电路1的输出信号达到参考电压值时，输出电压为高，当微分电路1的输出信号低于参考电压值时，输出电压为低，

.一种利用微分法和双沿触发进行信号峰值检测的方法，包括设置微分法信号峰值检测器，包括微分电路1、双沿触发比较器电路2及采样保持电路3；

所述微分电路1用于对输入信号进行微分变换处理，得到输入信号的微分变换结果，且当输入信号处于峰值或谷值时，得到的微分变换输出信号正好处于零点或参考电压；便于比较器进行比较处理；

所述双沿触发比较器电路2接收微分电路1的输出信号，将其与零点电压或参考电压进行比较，当微分电路1的输出信号达到零点电压或参考电压时，所述双沿触发比较器电路2输出高电平数字信号，使高速开关5导通，当微分电路1的输出信号低于零点电压或参考电压时，所述双沿触发比较器电路2输出低电平数字信号，使高速开关电路5断开；

所述采样保持电路3用于对输入信号进行采样和保持操作；当高速开关导通时，所述采样保持电路3的输出信号跟随输入信号变化，为采样状态；当高速开关关断时，所述采样保持电路3的输出信号保持关断时的输出电压值，为保持状态。

在具体实施例中，所述采样保持电路3包括两级射极跟随器、高速开关5及保持电容C4；

第一级射极跟随器4与微分电路1同时接受输入信号，其输出跟随输入信号，第二级射极跟随器的输出即为最终的峰值检测结果输出；高速开关电路5连接在第一级射极跟随器4的输出与第二级射极跟随器6的输入之间，并且第二级射极跟随器的输入端通过保持电容C4接地；当高速开关电路5导通时，第一级射极跟随器4的输出信号对保持电容C4充电，当高速开关电路5断开时，保持电容C4通过第二级射极跟随器6放电，高速开关电路5的通断由双沿触发比较器电路2输出的双沿触发数字控制信号控制。

双沿触法微分法峰值检测电路实施效果见图5所示，横轴为时间，纵轴为电压。图中包含三条曲线，输入信号曲线、双沿触发数字控制信号曲线、输出信号曲线，由图5可以看出，当输入信号未达到峰值时，双沿触发数字控制信号为高电平，输出信号跟随输入信号；当输入信号达到峰值时，双沿触发数字控制信号由高电平跳变为低电平，输出信号保持峰值电压不变，保持时间≥0.5*输入信号周期，此时即可对输出信号进行数据转换；随后双沿触发数字控制信号由低电平跳变为高电平，完成自动复位，输出信号继续跟随输入信号直到下一周期的峰值到来。图5表明：本发明提出的双沿触法微分法峰值检测电路可以实现峰值检测输出。

上面的实施结果表明：本发明的一种双沿触法微分法峰值检测器具有高频工作、高精度检测等特点。本发明技术可以应用到高速AD/DA、复杂参数采集系统等领域。