简 介：本文介绍了一种改进式峰值保持电路设计方案。传统电磁传感模块采用47K电阻被动泄放方式，存在信号残影和响应迟滞问题。新方案通过三个关键改进：1）去除泄放电阻，改用单片机IO口主动控制电荷泄放；2）选用低漏电NP0材质电容；3）采用更低压降的肖特基二极管。实测表明，改进后的电路响应时间缩短至2个电磁周期（50微秒），噪声水平降低至1.27%，同时解决了信号残影问题。该设计特别适用于需要快速响应和精确测量的电磁传感应用场景。
关键词：电磁信号检波，ADC，开漏
01【改进式峰值保持电路】
卓大，虽然我并不参加比赛， 但是最近有同学向我求助， 想让我对他们的电磁传感模块进行微型化改进。 以此契机，我顺便研究了一下电磁传感器部分的经典放大-检波电路， 并且有了一些新的思路，特来向你分享， 并且希望可以对其他的参赛同学有参考作用。
首先贴一下传统的电路：
▲ 图1.1 传统经典电磁信号放大检波电路这个电路的原理就是， 电磁信号经过LC谐振后， 信号一端接地， 一端经过运放进行可调的倍数放大 （由100K的可调电阻控制倍数）， 然后放大后的信号， 通过一个100nF电容隔离直流分量， 再通过一个二极管进行检波， 此时获得到的就是半波信号 （负半周由另一个二极管对地泄放掉了）， 然后二极管因为单向导通的原理， 所以电荷会积累在100nF的保持电容上， 使其保持最大的电压峰值， 这样就可以读到正弦波的峰值了， 同时47K的电阻作为泄放电阻， 用于缓慢泄放这个电荷， 使其峰值下降的时候也能跟随。
我针对这种结构称作被动泄放方式， 因为这里的泄放是不可控的， 由47K电阻一直在泄放， 这种方式下， 当外部20Khz信号的峰峰值快速增大的时候， 因为是二极管直接充电， 所以跟随迅速， 但是缺点也很明显， 信号快速下降的时候， 此时只能由47K电阻进行泄放。 导致这个信号其实是有一个迟滞的， 我管这个叫做“信号残影”。
针对这个问题，我对此做了一些小小的改动：
这张图中，我去除了被动泄放电阻， 那么电荷从哪里走呢？ 我选择将单片机对应读取ADC的I/O口设置为开漏输出，这样输出1的时候单片机为高阻状态， 可以读ADC，输出0的时候为强推挽到地， 可以快速清空这个C3保持电容上的电荷。 同时也巧妙利用的I/O的本身特性， 无需额外驱动电路， 仅靠软件控制I/O状态切换即可实现电荷的精准控制。
▲ 图1.2 改进后的电路这里是有一个好处的， 因为不清空的情况下， 这个保持电容上的电荷无处泄放，所以会一直保持在一个很稳定的水平，具有很高的抗干扰和稳定性。 且主动清空以后，电荷又是从0开始累计的， 所以信号残影也被消除掉了。
这里我将肖特基二极管换成了一个更小压降的， 这样可以更灵敏的探测低信号的电压。 前面的100R电阻， 主要的作用是防止I/O拉低的时候， 因为和二极管形成通路， 对运放的输出造成过大电流负担。 从而保护运放输出级不被反向灌流损坏； 而C3电容则改用低漏电的NP0材质， 进一步抑制温漂与漏电流对峰值保持精度的影响。
同时，我还针对这个电路实际进行了打板测试， 对应的结论也在图上， 噪声水平与保持电容的大小和材质都呈正相关， 使用NP0/C0G材质的电容可以非常明显的降低电路的噪声水平。 同时，之前的经典电路中使用了100nF的电容， 我这里却只使用了6.8nF的电容， 一个是NP0下不好找到那么大的电容， 第二个是I/O口推挽下能走过的电流也有限， 不能使用太大的电容对地放电， 否则流过单片机的电流会过大， 有概率损坏I/O口。
这里再贴一下我实际测试的图片， 这个是由一个便携示波器产生的20Khz信号直接输入， 然后调整这个信号的大小来进行捕获测试。 可以看到，这个示波器使用的其实是一个模拟开关来做的电压切换， 因为其切换的时候可以明显读到0 （全断开状态）， 这个也侧面证明了这个主动泄放方案的响应速度之迅速。 上图的左侧就是一个较小的NP0电容， 右边是一个较大值的NP0电容， 可以看到更大的电容明显具有更低的噪声水平， 在880pF的NP0下， 噪声水平就已经可以降低到1.27%了， 且电路可以在2个电磁周期内进行峰值采样，响应十分迅捷。
这里给出我的实际测试代码， ADC_Clear其实就是#define到了对应的IO口，拉低一段时间清空电荷，然后拉高并等待两个周期的峰值，再进行采样，既可以看到上面波形图中的读数了。—整个过程仅需不到50微秒，比传统47K电组放电更加迅速。
● 相关图表链接:
- 图1.1 传统经典电磁信号放大检波电路
- 图1.2 改进后的电路
