0 引 言
傳統(tǒng)的電壓表在測量電壓時需要手動切換量程，不僅不方便，而且要求不能超過該量程。如果在測量時忘記改變量程，則會出現(xiàn)很大的測量誤差，甚至有將電壓表燒壞的可能。
本文中采用運算放大器和集成多路模擬開關(guān)電路設(shè)計了電壓表量程自動切換技術(shù)，通過單片機檢測可實現(xiàn)電壓表量程的自動轉(zhuǎn)換。它具有體積小，驅(qū)動電流小，動作快，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便的優(yōu)點，可用于實驗教學(xué)中。
1 技術(shù)要求
電壓測量范圍：0～500 V；測量精度：0．5％；量程自動切換；采用LED顯示；可用現(xiàn)場提供的220 V交流電源。
2 基本原理
基本原理如圖1所示，信號經(jīng)過衰減處理后通過采樣保持器采樣保持，由A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由單片機控制和計算后將結(jié)果送LED顯示。量程的自動切換由單片機通過程序控制多路模擬開關(guān)來完成。由于要求采用現(xiàn)場的220 V交流電源，所以本文設(shè)計了電源電路，將220 V交流電轉(zhuǎn)換成電路可用的低壓直流電。
3 硬件系統(tǒng)設(shè)計
在硬件電路設(shè)計中多次采用了電容濾波來消除干擾信號，同時采用了跟隨器，跟隨器的輸入阻抗很大，可以解決信號傳輸中的衰減問題。又考慮到單片機的驅(qū)動能力很小，在設(shè)計中加入了7407用來驅(qū)動LED顯示。整個硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：
(1)電壓信號衰減電路：將輸人的0～500 V被測電壓信號衰減成0～5 V。
(2)量程自動切換電路：完成信號量程選擇及其小數(shù)點位置選擇。
(3)采樣保持器：對模擬信號進行采樣并保持。
(4)模數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路：完成對采集的數(shù)據(jù)處理和對系統(tǒng)的控制。
(5)顯示器：由74LS164和數(shù)碼管組成，將測量的電壓信號顯示出來。
(6)整流電路：將交流電整流成直流電，作為電源給數(shù)字電壓表供電。
3．1 電壓信號衰減電路
電壓信號衰減電路如圖2所示。為了在輸入大電壓時不損壞電壓表內(nèi)部器件先對電壓進行衰減，該設(shè)計中用阻抗進行1：100衰減，為防止衰減后信號電壓過小又通過運算放大電路以及多路開關(guān)CD4052進行信號放大，其中的5．1 V穩(wěn)壓管起過壓保護作用。
3．2 量程自動切換電路
量程的自動切換由初設(shè)量程開始，直至選出最佳的量程為止。量程自動切換電路如圖3所示，控制開關(guān)的閉合和斷開都有一個短暫的過程，為解決這個問題系統(tǒng)中采用軟件延時，然后再進行測量與判斷。為了避免相鄰兩量程交叉點上可能出現(xiàn)的跳動，在程序中把低量程的上限比較值和高量程的下限比較值之間設(shè)計了一定的重疊范圍。該單元中運算放大器與多路模擬開關(guān)CD4052的其中一組開關(guān)執(zhí)行相應(yīng)量程的選擇，另一組開關(guān)接LED的小數(shù)點，選擇不同量程時分別點亮相應(yīng)LED 的小數(shù)點位。CD4052的A、B以及INH分別接單片機P21，P20，P22。
3．3 采樣保持器
在測量交流電壓時，A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差與信號的頻率成正比。為了提高模擬量輸入的頻率范圍，故選用采樣保持器。在此設(shè)計中采用LF398作采樣保持器，采樣保持器的原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，保持電容Cn取值和采樣頻率以及精度有關(guān)，常選510～1 000 pF。一般選用聚苯乙烯，聚四氟乙烯等高質(zhì)量的電容器。
3．4 A／D轉(zhuǎn)換電路
A／D轉(zhuǎn)換器是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件或裝置，是一種模擬系統(tǒng)和計算機之間的接口，在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的A／D轉(zhuǎn)換方式有逐次逼近式和雙斜積分式，考慮到前者轉(zhuǎn)換時間短，因此選用逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器。AD574為12位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，分辨率為1／212，轉(zhuǎn)換時間25μs。在本系統(tǒng)中的量程選用雙極性-5～+5 V，與AT89C51的接口電路如圖5所示。AD574的12／8引腳接+5 V，一次輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果，3，5腳分別接至單片機控制總線的P3．1，P3．2，CE接單片機P3．0，狀態(tài)引腳(STATUS)接單片機的 P1．7。AD574的12引腳和10引腳接兩個0．1 kΩ的電位器，分別用于零點調(diào)整和滿刻度調(diào)整。AD574的數(shù)據(jù)輸出線與單片機數(shù)據(jù)總線的連接時，12位分別接單片機的P0．0～P0．7和 P1．0～P1．3。
3．5 顯示電路
顯示電路如圖6所示，電路采用了簡單的軟件譯碼移位輸出的方法，串行數(shù)據(jù)經(jīng)單片機的P3．6輸出至74LS164，四個74LS164將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)送數(shù)碼管字型口顯示，74LS164的時鐘信號由單片機的P3．7提供。數(shù)碼管選用共陰極型。
3．6 整流電路
數(shù)字電壓表的設(shè)計電路中用到了兩個直流電壓5 V和12 V，而設(shè)計要求采用現(xiàn)場提供的交流220 V電源，因此需要經(jīng)過整流電路把220 V交流電源轉(zhuǎn)化為5 V和12 V直流電源。本系統(tǒng)中采用了單相橋式整流電路，如圖7所示，為了減小紋波以及消除高頻諧波電路中加入了電容濾波。
式中：△Tm為相鄰兩次采樣的時間間隔；um為第m-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值；N為一個周期的采樣點數(shù)。若相鄰兩采樣的時間間隔相等，即△Tm為常數(shù)△T，考慮到N=(T／△T)+1，則有：
根據(jù)式(2)可以由一個周期內(nèi)各采樣瞬時值及每周期采樣點數(shù)計算電壓信號的有效值。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，除了在硬件上采取相應(yīng)的措施外，軟件上采用冗余計算法即重復(fù)重要的指令，以防止程序跳飛而死機。系統(tǒng)的程序流程圖如圖8所示。
4 結(jié) 語
本文采用程控放大器實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換。用AT89C51進行數(shù)據(jù)控制、處理，送到顯示器顯示，硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件采用C語言實現(xiàn)，程序簡單可讀寫性強，效率高。與傳統(tǒng)的電路相比，具有方便操作、處理速度快、穩(wěn)定性高、性價比高的優(yōu)點，具有一定的使用價值。本設(shè)計在超量程時會顯示特定的值，即超量程顯示，如想更直觀的顯示，可加入聲光報警電路，在超量程操作時可進行聲光報警。