峰值采样电路在涡流电导仪中的应用

1 引言
受厂家委托，我们开发研制了利用涡流效应测量金属电导率的涡流电导仪。涡流效应，简单地说，就是金属在高频线圈附近感应后形成的感应磁场，它会对通过该线圈的高频信号产生反作用，影响该信号的相位和幅值。不同的金属对同一标准信号的影响各不相同，根据这一原理，我们只需测量出相位和幅值，然后利用Matlab 软件进行数值模拟分析，就能得出电导率与幅值、相位的函数。通过实验，我们发现幅值是关键性的，对于非铁磁性金属材料，利用幅值得到的区分度最大。
而测量幅值最直接、最有效的方法就是测量其峰值电压，这就要用到峰值采样电路。

2 原理
峰值采样电路通常仅由采样保持器和比较器组成（如图1所示），当Vi>V时，V2为高电平，并控制LF398采样，当经过峰值后，ViV1，此时，V2为低，使此时的V1，即，峰值被保持。峰值采样电路有两个功能：采样和保持。采样值保持多久，需要根据具体情况来决定。我们所研制的涡流电导仪，由于标准信号在60kHz以上，频率较高，因此这样的峰值采样电路已经不能适用，主要原因一是其保持时间太短，A/D转换芯片速度跟不上，改用高速A/D又不经济；二是采样保持器本身的局限，如其采样时间的要求、反应速度、保持精度（与保持电容CP有关）等，并且，对于峰值时刻与控制脉冲跳变时刻的偏移无法调节。这种电路用于较低频率（10kHz以下）系统，其效果较好，但随着频率的提高，偏移就越大。
基于以上原因，我们对该电路进行了改进，改进后的电路原理框图如图2所示。

原有电路最大的问题在于频率较高时，采样和保持时间均过短，这与采样保持器的控制信号有关。图1中，V2在频率较高时不能直接用作控制信号，需将其分频后再加至采样保持器的控制端。这里，我们是利用微分和比较器电路产生采样保持器的控制信号。将采样信号微分后，输入过零比较器的负输入端，正端为基准零点。具体电路如图3所示，这里，微分器使用的运放为LF356，比较器是LM311。
微分电路中需要注意R、C值的选择，根据不同的频率范围，所用的R、C值是不同的。选择方法如下：
以图4为例，电阻R1可降低高频噪声，电容Cf用于抑制自激振荡。电路的传递函数为：

根据式（1）和式（2），可得微分电路的设计步骤如下：?
（1）设fa等于输入信号的最高频率（根据具体需要而定），选择电容C11μF，然后根据式（2）计算Rf。
（2）选fa=10fb，根据式（2）计算R1。?
（3）由式（1）计算出Cf。?

微分电路的输出信号连至比较器。在最初使用比较电路时，基准零点（LM311正输入端）是直接接地的，但在使用中我们发现，当频率较高时（>10kHz），比较器的输出，即采样保持器LF398的控制信号脉冲跳变时刻与采样信号的峰值时刻的偏差就开始扩大，为此,将直接接地改为如图3所示的与对称的正负电源相接的串联分压电路，电位器用来微调基准零点。这样改动后，通过调整电位器，可以使LF398的控制脉冲保持在峰值时刻发生跳变。
然而，实际上，此时并不能将比较器输出直接作为控制信号，需要将其分频后再使用，这是为了绝对满足采样保持器的采样时间和A/D转换器输入信号的保持时间的要求。
另外，分频后的控制信号又作为单片机的外部中断输入信号（中断触发方式最好设为边沿触发方式），以此作为单片机启动A/D的信号，开始采样。
当然，也可不使用分频器，将比较器的输出直接作为单片机的中断信号，而用单片机的一个I/O口，作为采样保持器的控制口线。中断信号来之前，该控制口线置为采样所需电平（对LF398为高电平），中断信号来后，置为保持电平（对LF398为低电平），并启动A/D开始采样数据。这种方式可省去分频器，而且保持时间可以随意由单片机控制，使用较灵活。但是需占用一个通用I/O口。需要注意的是，如果采样信号频率很高，比较器输出脉冲信号的高低电平保持时间不满足单片机对其外部中断信号的要求，仍需要加分频器。
3 结束语
经过测试，该电路性能稳定，结构简单，通用性强，使用灵活，具有一定的实用价值。?

参考文献?

1 单承赣，钱小霞. 峰值电路原理及应用. 电子技术应用，1990（9）?
2 王福瑞. 单片微机测控系统大全. 北京：北京航空航天大学出版社，1998?
3 谈文心，钱聪，宋云娴. 模拟集成电路原理及应用. 西安：西安交通大学出版社，1995?
4 王秀杰，张畴先. 模拟集成电路应用. 西安：西北工业大学出版社，1994