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峰值检测器在硬件与软件的设计上如何权衡

发布时间:2019-05-09 22:04 来源:未知 编辑:admin

  与比较器类似,峰值检测器是用于许多现实世界信号处理应用的基本电路构建模块。峰值检测确定信号已经超过其峰值并向系统发出信号以指示这种情况。它们可用于标记连续流中有效脉冲的存在,捕获雷达信号返回,监测心脏脉冲,或指示新的最大值,例如来自振荡的数据(建筑物因地震而摇摆)。

  在设计峰值检测器之前,必须非常清楚项目的目标,因为术语中存在一些重叠和含糊之处。首先,有一个最大信号检测器,它无限期地捕获信号的最大值,直到出现新的最大值(图1)。

  一个例子可能是跟踪最大电击的传感器运输包裹受到影响。较小的冲击是不感兴趣的;只有那个最大值是值得关注的。

  图1:在许多现实世界的信号处理应用中,确定是否存在新的最大值是必需的功能;在这里我们看到正负峰值。 (图像来源:Spectrum Software)

  峰值检测也是最大检测的后续功能。峰值被定义为信号最大值,随后是信号值的下降(数学上,信号的二阶导数改变符号)。一些应用寻找全局绝对峰值,例如信号流中的单峰值信号。

  然而,许多其他应用寻找局部峰值,例如心电图(EKG或ECG),其中每个峰值代表心跳波形(图2)。通过测量这些峰值之间的时间,即使每个峰值的值与其相邻值略有不同,也可以确定脉冲率。

  图2:测量心跳参数需要持续信号和来自EKG的峰值。循环到循环波形不完全相同但与它们的邻居有很大不同,但这对于该应用并不重要。 (图像来源:

  最后,有些情况下,较大的那些附近的“较小的”,非常局部的峰也是有意义的,例如在单个心跳的EKG波形中(图3)。对于这种情况,那些较小的峰及其与较大峰的关系是医学上的信息,必须用信号通知。

  图3:较小的峰值(正对于某些医学分析,单个心跳脉冲也是有意义的,因此必须标记它们的出现。 (图像来源:HyperPhysics/佐治亚州立大学)

  总之,确定应用程序是否需要确定最大值,或寻求全局峰值或局部峰值的出现是很重要的。

  这似乎很简单,但重要的是要记住,任何峰值的存在,无论是全球还是地方,都要在它发生之后才能确定;也就是说,当信号值开始减小时。这仍然非常不同于收集数据,然后审查它,并说,“这是峰值的位置,这是它的价值。”相反,它主要是实时确定峰值实际上是发生了。在某些情况下(但不是全部),峰值的实际值不是主要关注点。

  现在的挑战是决定信号幅度的减少有多少构成有效峰值,而答案又是应用的功能,以及波形的预期特征,包括噪声,小扰动和其他方面。

  可以使用运算放大器,二极管和电容构建基本的全模拟峰值检波器(图4)。输入信号对电容器充电,当信号从其值减小时,二极管阻止电容器放电。因此,峰值由电容器保持。

  图4:基本峰值检测器仅需要少量无源元件和单个运算放大器来驱动电压存储电容器。 (图像来源:电子设备教程)

  虽然这是一个积极的峰值设计,但是电路可以重新排列以处理负峰值,甚至可以用于双重配置来检测正峰值和负峰值。用于解调的经典AM无线电“包络检波器”是峰值检测器的简单版本。

  高性能峰值检波器设计需要运算放大器,如德州仪器的OPA111(图5)。该运算放大器具有极低的1皮安(pA)输入偏置电流,因此不会消耗低泄漏电容上存储的任何电荷,而是将电压提供给其余电路。

  图5:OPA111的低输入偏置电流使其成为缓冲聚苯乙烯电容器(右下)电压的理想选择。 (图像源:德州仪器)

  当该电路保持峰值时,它没有实现完整的峰值检测功能。这需要添加比较器以将保持的峰值与输入信号的当前实时值进行比较。当当前值低于已保持的峰值时,比较器输出指示已发生峰值。

  任何峰值的权衡之一检测器精确度与检测速度。如果保持的峰值和当前值之间的阈值差异非常小,例如几毫伏(mV)或满量程的百分之几,则将快速识别峰值。然而,由于信号噪声,也可能存在假峰值。

  相反,如果差异变大,例如几百mV或几十个百分点,误跳闸将被最小化,但信号一个高峰将被推迟。

  只要使用合适的运算放大器,全模拟峰值检波器就可以对接近DC到兆赫兹(MHz)的信号进行操作,甚至可以工作在千兆赫兹(GHz)范围内。该电路操作简单,但用户必须决定电容的值。在使用可以快速跟随输入的小电容器与可以将捕获的输入保持更长时间的较大值之间存在折衷,其缺点是当它试图跟随输入信号时它反应更慢。/p>

  速度因素在无线链路等应用中非常重要,因为高速峰值检测至关重要。凌力尔特公司(现为ADI公司的一部分)的LTC5564 IC是一款精密射频功率检测器,工作频率范围为600 MHz至15 GHz,输入信号范围为-24 dBm至+16 dBm(图6)。它包括一个温度补偿肖特基二极管峰值检测器,一个增益可选运算放大器和一个采用16引脚3 mm×3 mm QFN封装的快速比较器。

  图6:凌力尔特公司的LTC5564为600 MHz至15 GHz的RF信号提供了几乎完整的峰值检测功能,以及内部温度补偿功能,可在较宽的工作范围内保持稳定的性能。 (图像来源:凌力尔特公司)

  在LTC5564内,RF输入信号被峰值检测,然后由比较器和放大器检测。比较器对超过阈值参考电压VREF的输入电平提供非常快的9纳秒(ns)响应时间,并且还包括峰值锁存启用/禁用功能。实际应用中器件的原理图显示了额外的元件 - 电阻和小值电容,但没有电感(图7)。增加电感器,并可能微调它们的值,是15 GHz射频电路设计的一部分。

  图7:一个完整的峰值使用15 GHz LTC5564的检测电路需要额外的小值无源元件,以优化特定信号特性的性能。 (图像来源:凌力尔特公司)

  模拟电路对系统资源的负担最小,要求它只响应已检测到峰值的指示。在许多实现中,处理器然后通过一个小电路响应,该电路通过短暂地将电容器短路并将其电压设置为零来重置峰值检测功能。

  虽然峰值检测器在概念上很简单,但有许多流程图可用于描述其特性,具体取决于应用及其要求(图8)。

  图8:峰值检测器的这个流程图是可能的许多版本之一,每个版本都有决策变化,以适应应用的细节及其对绝对峰值,局部峰值,全局峰值和噪声灵敏度问题的定义。 (图片来源:

  显示的流程图以数字化输入值的运行平均值开始。然后是一个看似简单的决定:新值是否小于之前的值?如果是,则发信号通知峰值并清除寄存器(或标志);如果没有,请重复此过程。

  当然,任何真实的代码都必须处理其他问题。首先,应该做出“是”高峰决定的下降幅度有多大?使用最小1个最低有效位(LSB)值非常容易产生噪声和误触发。相反,必须建立一些阈值,或者作为等于电压差的二进制计数,或者作为满量程的百分比。使用的值取决于应用程序细节,就像在基于硬件的版本中一样。

  同样,如果输入信号具有全局峰值以及较小的本地峰值,则代码必须适应特定于应用程序的高峰标准。这定义了是否只需要识别全局峰值,或者也需要引用本地峰值。

  基于软件的方法的一个主要优点是峰值确定标准可以灵活,甚至是根据需要由软件动态更改。当噪声水平发生变化,或者接收信号的性质发生变化时,这可能非常有用。

  该算法甚至可以增强,以查看第一个峰值和第一个峰值之间的幅度差异。较小的第二个峰值,还要看它们的发生时间。然后它可以决定是否只有一个真正的峰值,然后是“回波”,“阴影”或不感兴趣的峰值,应该被忽略,或者是否存在两个或更多独立峰值。在许多系统中,这些都是系统性能要求的重要决策。

  请注意,动态修改决策因素的能力具有相关的先例。许多称重秤包括双速率低通滤波器(仅在硬件中,或在软件中以数字方式完成),以处理将包放置在秤上时发生的脉冲。首先,宽带快速响应滤波器用于在近似读数的范围内,然后用窄带,较慢的响应滤波器代替,该滤波器聚焦于最后一个LSB以提供最终值。

  相比之下一旦组件就位,改变基于电路的版本的峰值检测参数是不切实际的。尽管理论上可以切换到具有不同值的组件,但是在更高的速度下,电路变得复杂,需要添加智能控制器功能,并且细微的电路错误,漂移和容差问题将很快超过益处。

  尽管基于软件的解决方案在电路简单性和灵活性方面具有优势,但在许多情况下它并不是一个可行的选择。对于更宽带宽的信号,软件需要一个用于原始信号的高速,高分辨率模数转换器(ADC)。这些相对昂贵,功耗高,需要仔细的电路板布局。它还对系统处理器提出了大量资源需求,以确保峰值检测代码能够以足够快的速率循环。

  硬件和软件解决方案都是基本峰值功能的选项。主要决定因素是信号频率。如果被比较的信号或检测到的峰值相对较慢,例如在几百kHz以下,那么使用软件几乎总是更好的选择。所需的电路很小,并且由于其他原因可能已经在设计中。可以使用基于软件的方法的应用程序通常涉及温度,机械信号,液体流动和其他基于现实世界的现象。

  在速度范围的另一端,当信号达到数十MHz甚至更高时,基于硬件的解决方案可能是唯一可行的选择,原因有两个。首先,通过软件,再次需要高速,高分辨率的ADC及其接口。其次,高速执行循环代码段的负担,即使是相当短的代码段,也可能是对处理器资源的不可接受的额外需求。即使在已经拥有高速转换器的RF系统中,例如软件定义无线电,ADC的输出也可能没有所需的分辨率,处理器(通常是FPGA)可能已经达到极限。

  困难的选择是从几百kHz到几十MHz的中间范围。在那里,权衡包括前期硬件成本,电路板空间和布局,性能灵活性和功耗,而不是确保ADC具有适合比较器/峰值检测功能和处理器负担的规范的需求。另一个考虑因素是,如果需要操作参数的任何灵活性,则决策倾向于基于软件的方法。

  全硬件,基于模拟的设计,以及用于比较器和峰值检测器的基于软件的实现是可行的选择。在较低的速度下,软件方法通常更具成本,功耗和空间有效,但在RF范围内,硬件方法成为更好的选择。

  无论使用何种方法,峰值检测器都很简单概念,但有微妙之处和设计问题,在最终承诺设计或代码之前必须仔细考虑。使用代表性输入进行仔细的规划,测试,评估和调试对于确保比较或评估信号类型的成功至关重要。

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