摘要：微控制器外圍電路的設計已經是一個比較成熟的領域，相比硬件，軟件系統的研發周期更短，投入更少，在中國更加具有發展空間。基于AVR單片機的硬件結構和工作原理，采用一種全新的檢測交流信號峰值的算法，并輔以相應的自校正算法來實現精確的峰值檢測。通過硬件上的實現證明此種算法的速度非常快，精度高達0．1％，在測控工業應用中具有非常好的前景。
關鍵詞：峰值檢測；自我校正；算法

0 引言
    單片機在民用電子產品中的應用主要以測量和控制為主。一個完整的單片機系統除了健全的軟件系統外，往往還需要外圍電路的支持。而現如今，對一些傳統電路的設計已經非常成熟，因此在硬件上要想有所突破要比在軟件算法的突破難得多。拿峰值檢波電路來說，理論上，交流電源在正半周的一段時間內，通過二極管對電容充電，使電容上的電壓逐漸趨近于峰值電壓。只要RC足夠大，可以認為其輸出的直流電壓數值上十分接近于交流電壓的峰值。但是由于泄放電流的影響，輸出電流很難精確地等于輸入電流的峰值。盡管有很多改良后的解決方案，但無論是哪一個種檢波電路，它們的一個相通的缺點就在于電路是非線性的。非線性的電路使內部的軟件系統不能用相對簡單的方法來實現系統誤差的校正。系統誤差是指在相同的條件下(包括溫度，電路，測量工具等)，誤差值隨輸入值按一定規律變化，這種變化可以是線性或非線性的。非線性系統誤差通常采用查表法來修正，通過實際校準將各校準點的數據存入校準表中，在以后的實際測量中，通過查表求得修正了的測量結果，因此需要建立大量的校正點數據來提高計算結果的準確度，增加算法的計算量和復雜程度就不可避免的了。一個系統研發人員追求的是簡潔度與先進性，而不是復雜度，因此簡化外部模擬輸入電路是當務之急。

1 硬件電路設計
    圖1給出的是精密電壓表與精密電流表的模擬輸入部分電路。整個電路只用到放大器與分壓電路，設計簡潔，而且在低頻區系統誤差是線性的，因此用作AVR內部ADC的模擬輸入電路。

    不足的是，圖l中的LM324放大器對高頻信號的頻率響應不理想。如果用傳統的峰值計算的算法，利用Nyquist定理，在采樣頻率不小于信號頻率的條件下，對多個樣本的幅值進行綜合運算如下：
   
    這種方法對采樣頻率有較高的要求，尤其是高頻輸入的時候，要求高速的ADC，而且樣本數過大會造成計算量加大，所以要想在高頻區有所應用非常困難。如果使用專用轉換芯片又會增加產品制作的成本，而且存在系統誤差難測算的問題。因此筆者在硬件設計和軟件設計上都做出了一些新的嘗試。

    硬件電路方面，借助圖2的頻率測量電路和AVR的輸入捕捉功能(ICP)配合來測算輸入信號的頻率。74HCU04是高速的16進制CMOS反相器，傳輸時間很短，具有很好的頻率特性。

2 正弦波峰值測量理論的建立
    算法上，通過測算出來的信號周期值，在1／4個周期上任取兩點就可以推導求出信號的峰值，下面是對該方法的推導和求證。
    首先，利用AVR ATmega64的定時器1的輸入捕捉功能，在單位圓的1／4周期內截取兩個點yl，y2。無論它的捕捉屬性是上升沿還是下降沿，因為延時的關系不可能絕對準確地捕捉到電平翻轉的瞬間時刻，也就是說檢測的初相不同于真實的初相，又因為初相會隨著峰值和頻率發生變化，因此不能用勾股定理中使用相位相加為90度方法取出兩點再求出峰值。具體的推導如下。
    

    在公式(17)中，y1和y2的相位是已知的，幅值可以通過內部ADC采樣得到。那么，求峰值的問題就迎刃而解了。

3 算法實現
    前面提到，通過AVR內部的ICP捕捉到的初相和實際初相有偏差，但因為在下一個周期來臨的時刻又會出現相同的偏差，所以并不影響周期計算的結果。只要利用Timerl的ICP中斷服務程序，就可以輕松求得信號周期，然后再將y1的相位增量(φ1=30所對應的周期分量：周期的1／12)加到輸出比較寄存器上，以此來控制ADC的啟動并對y1進行采樣。同時利用輸出比較中斷服務程序和y2的相位增量，開啟ADC并對y2進行采樣。
    因為外部的模擬輸入部分是線性電路，在實際測量時，只要取兩點做為校正點，讀取和測取兩組真實值和誤差值，就能求得下面二元二次方程的解Ki和K0：
   

4 總結
    本文中采用一種新的峰值測算方法，打破傳統方法中對硬件的過度依賴，不僅方法新穎，而且大大簡化了硬件電路的設計，將測控功能最大程度地轉移到軟件系統中來實現，使得校正工作變得十分簡單而有效。同時，這種檢測方法具有超乎尋常的高精度，可達O．1％，為工業測控的一些技術難題提供了很好的解決方案。