智能電壓表中量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路研究

電學(xué)參數(shù)測(cè)量技術(shù)涉及范圍廣，特別是微電壓、微電流、高電壓以及待測(cè)信號(hào)強(qiáng)弱相差極大的情況下，既要保證弱信號(hào)的測(cè)量精度又要兼顧強(qiáng)信號(hào)的測(cè)量范圍，在技術(shù)上有一定的難度。傳統(tǒng)的低成本儀表在測(cè)量電壓、電流時(shí)都采用手動(dòng)選擇檔位的方法來轉(zhuǎn)換量程。在使用中，當(dāng)忘記轉(zhuǎn)換檔位時(shí)，會(huì)造成儀表測(cè)量精度下降或損壞。現(xiàn)代電子測(cè)量對(duì)系統(tǒng)的精度要求越來越高且智能化程度也越來越高。全量程無檔電壓表、電流表和歐姆表是在保證測(cè)量精度不下降的前提條件下省去手動(dòng)轉(zhuǎn)換量程的工作，得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)此類設(shè)計(jì)研究較多，但電路設(shè)計(jì)都采用了單片機(jī)、CPLD 或FPGA等復(fù)雜電路系統(tǒng)，硬軟件成本較高。筆者提出了一種利用廉價(jià)的元器件組成的量程轉(zhuǎn)換電路，并進(jìn)行了理想情況下的EWB 仿真，得到了預(yù)期的結(jié)果。

1 常用的電壓測(cè)量電路

常用的模擬電壓表主要由電阻R 和表頭串聯(lián)組成，測(cè)量部件表頭的設(shè)計(jì)是利用載流線圈在磁場(chǎng)中受力矩作用的原理，如圖1 所示。測(cè)量檔位的改變靠改變電阻R的阻值來實(shí)現(xiàn)。 在測(cè)量時(shí)如果沒有選擇適當(dāng)?shù)慕祲弘娮杓礄n位沒有調(diào)節(jié)好，當(dāng)待測(cè)的電壓過高時(shí)有可能使電壓表損壞; 而當(dāng)被測(cè)電壓過低時(shí)，由于電阻較大，表頭顯示值誤差大或者根本顯示不出值來。當(dāng)不了解待測(cè)電壓大小時(shí)，一般會(huì)先選擇最大的量程來試測(cè)電壓，之后再來選擇適當(dāng)?shù)臋n位，進(jìn)行精確測(cè)量?，F(xiàn)在出現(xiàn)的數(shù)字電壓表、電流表其主要測(cè)試原理與模擬儀表相同。所不同的只是把指針式表頭換成A/D 轉(zhuǎn)換器和數(shù)碼顯示器，其分壓分流的原理和量程選擇的方法未變。

圖1 模擬電壓表原理

2 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)框圖

筆者所設(shè)計(jì)的量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路框圖如圖2 所示。被測(cè)量程判斷器判斷出被測(cè)量的范圍，相應(yīng)的量程信號(hào)輸入到檔位選擇器。檔位選擇器根據(jù)量程信號(hào)將檔位自動(dòng)調(diào)至適當(dāng)?shù)牧砍獭２⑤斎胫颠m當(dāng)放大或衰減處理后送至A/D 轉(zhuǎn)換器，并由數(shù)碼顯示器顯示，實(shí)現(xiàn)整個(gè)量程的自動(dòng)選擇。

圖2 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路框圖。

3 電路設(shè)計(jì)

3. 1 電路設(shè)計(jì)的總體要求

電路設(shè)計(jì)的基本要求是在不降低測(cè)量精度的條件下實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要考慮以下幾方面的要求：

1) 輸入值量程判斷器的阻抗。要求在進(jìn)行電壓測(cè)量時(shí)具有高阻抗，進(jìn)行電流測(cè)量時(shí)具有低阻抗。

2) 輸入值量程判斷器應(yīng)具備對(duì)最大量程的上限和最小量程的下限的判斷能力。由于被測(cè)范圍較大，因此既要求在高待測(cè)量值輸入時(shí)不對(duì)小量程電路造成沖擊，又要求在超量程值時(shí)對(duì)檔位轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行關(guān)斷。當(dāng)輸入量低于表內(nèi)的測(cè)量精度時(shí)，也要求將檔位選擇器關(guān)斷。否則，當(dāng)測(cè)量?jī)x表斷開時(shí)，沒有輸入量，而輸入值量程判斷器則認(rèn)為此時(shí)的輸入量在最小量程的檔位上，當(dāng)儀表接通待測(cè)量時(shí)，待測(cè)量大于最小量程檔位的范圍時(shí)，檔位選擇電路及其后級(jí)電路必定受到較大的沖擊。所以，輸入值量程判斷器不僅對(duì)是否超過最大量程能夠判斷，對(duì)是否小于最小量程的精度也有判斷能力。

3) 電路安全要求。在本設(shè)計(jì)中，利用傳輸?shù)难訒r(shí)，對(duì)檔位進(jìn)行從關(guān)斷測(cè)量到最大量程檔位向低量程檔位逐級(jí)下降直至到適當(dāng)檔位的轉(zhuǎn)換，這樣就使得電路在測(cè)量完高待測(cè)量后就能順利地進(jìn)行對(duì)最低待測(cè)量的測(cè)量。

4) 成本及功耗問題。由于輸入值判斷器所判斷出的值不是用來測(cè)量，而是用于轉(zhuǎn)換量程檔位，所轉(zhuǎn)換出的數(shù)值不需要十分精確，故其電路功耗可按儀表需要選擇適當(dāng)?shù)男酒?/p>

3. 2 電路設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

3. 2. 1 量程判斷電路的設(shè)計(jì)

量程判斷電路框圖如圖3 所示。輸入的被測(cè)量經(jīng)分壓電路分壓并經(jīng)隔離電路后輸入電壓判斷電路。

圖3 量程判斷電路框圖

單量程的量程判斷實(shí)現(xiàn)電路如圖4 所示。

圖4 單量程判斷實(shí)現(xiàn)電路

電路中Uin 代表被測(cè)信號(hào)，電阻R1 、R2 組成分壓電路。運(yùn)放A1 組成隔離電路。電壓判斷電路由電壓源UREF2 和運(yùn)放A3 組成的單限電壓比較器實(shí)現(xiàn)。該電壓比較器的閾值電壓UT 為：

電路下半部分與上半部分的結(jié)構(gòu)和工作原理相似。不過，比較電壓由A4 的反相端輸入。由( 1 )式可知，當(dāng)跟隨器A1 的輸出大于0. 2 V 時(shí)，比較器A3 輸出高電平; 當(dāng)跟隨器A2 的輸出小于- 0. 2 V時(shí)，比較器A4 輸出高電平; 當(dāng)- 0. 2 V

用EWB(electronics workbench)軟件對(duì)圖4 電路的仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 單量程判斷器的仿真波形。

仿真所用的信號(hào)源Uin 為有效值1 V , 頻率1 Hz , 初相位為0°的正弦交流電壓?；鶞?zhǔn)電壓為2 V的直流電壓。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)被測(cè)輸入電壓的瞬時(shí)值達(dá)到±0. 4 V時(shí)，比較器轉(zhuǎn)換電平。通過量程判斷器，將被測(cè)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檔位選擇的控制。

量程判斷器的總電路如圖6 所示。每個(gè)運(yùn)放的輸入端都接有穩(wěn)壓管進(jìn)行限壓，以保護(hù)運(yùn)放。圖中上半部分為檔位選擇電路，正負(fù)電壓都可由整流橋整流后送分壓電阻分壓，基準(zhǔn)電壓都是- 2 V , 所以電壓比較器的閾值為1 V . 下半部分為輸入電壓的最小值判斷電路，對(duì)輸入被測(cè)量的有和無進(jìn)行直接判斷。根據(jù)前級(jí)的分壓比可以求得，當(dāng)被測(cè)的電壓值大于0. 2 V 或者小于- 0. 2 V 時(shí)，輸出端G1才輸出高電平。

圖6 量程判斷器的總電路3. 2. 2 檔位選擇器

輸入值判斷器已經(jīng)把電壓信號(hào)分檔并轉(zhuǎn)換為高低電平的數(shù)字輸出值輸出。檔位選擇器可根據(jù)輸入值判斷器所得結(jié)果來設(shè)計(jì)。輸入值判斷器的2 個(gè)輸入端電壓與5 個(gè)輸出端的真值表如表1 所示。

表1 中，1 表示高電平，0 表示低電平。由真值表的特性可知，可以用一個(gè)3?8 譯碼器譯碼，對(duì)檔位進(jìn)行選擇。其譯碼表如表2 所示。

對(duì)照表1 和表2 , 可得出譯碼電路對(duì)各量程選擇的輸出端，從小到大分別為： Y0、Y4、Y6、Y7 .

表1 真值表(truth table)

表2 譯碼表(decoding table)

根據(jù)芯片輸入、輸出的引腳特性，其電路接線圖如圖7 所示。

圖7 檔位判斷電路

其中3 個(gè)控制引腳： G2A'、G2B' 為低電平開啟，G1 為高電平開啟。電路引腳中，若A、B、C無輸入或懸空時(shí)，Y0 輸出1 , 控制檔位在最高量程電壓檔位上，起到保護(hù)電路的作用。

檔位的開啟電路如圖8 所示。電路中采用了N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管。各場(chǎng)效應(yīng)管的柵極分別接到3?8 譯碼器輸出的相應(yīng)量程檔位上。各場(chǎng)效應(yīng)管的漏極分別接由分壓電阻分壓后的電壓，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)檔位的選擇。

根據(jù)測(cè)量電壓的量程，場(chǎng)效應(yīng)的最大擊穿電壓必須大于300 V , 一般可選耐壓為350 V 的開關(guān)管。前面的譯碼器中若控制端G2A' 和G1 分別不為0 和1 時(shí)，即量程不在0. 2~300 V 之內(nèi)時(shí)，譯碼器所有輸出為0 , 所有檔位開啟電路也都關(guān)斷，起到保護(hù)儀表的作用。

圖8 檔位開啟電路。

3. 2. 3 量程自動(dòng)選擇總電路

根據(jù)上述研究，可得量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路如圖9 所示。電路中所用的基準(zhǔn)電壓都是2 V , 可用同一直流電源提供。穩(wěn)壓管均采用2. 8 V 工作電壓的穩(wěn)壓管。整個(gè)輸入值判斷器的電路在測(cè)量端的輸入電阻值不小于20 ∥ 19 ∥ 19. 8 ∥ 29. 9 ∥ 20 = 4. 227 MΩ ,以實(shí)現(xiàn)高阻抗輸入的特點(diǎn)。

圖9 量程自動(dòng)選擇總電路。

4 芯片的選用

在選用3-8 譯碼器芯片時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的是： 當(dāng)前常用的3?8 譯碼器芯片為低功耗肖特基系列，即74LS 系列，如74LS138 . 其輸出Y0~Y7 , 都是反相輸出，而圖7 中的則為正相輸出。應(yīng)用74LS138 時(shí)應(yīng)在各輸出端加反相器。

電路中共用了12 個(gè)運(yùn)算放大器，可選用3 塊LMP2014MT 芯片提供。LMP2014MT 系美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司2004 年12 月發(fā)布的低功耗、軌到軌輸出(滿壓輸出) 的精密放大器。主要利用其高集成度低功耗的特點(diǎn)： 每塊集成4 個(gè)運(yùn)算放大器。

芯片工作電壓為2. 7 ~ 5. 25 V ; 工作溫度為0 ~70 ℃ ; 最高輸入輸出電流為30 mA .

5 結(jié)論

提出并設(shè)計(jì)了一種適合于智能電壓表的量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路，并對(duì)所設(shè)計(jì)的電路圖用EWB 軟件進(jìn)行了仿真。文中所設(shè)計(jì)的電路是按直流的電壓輸入量來設(shè)計(jì)的。對(duì)交流量的測(cè)量則需要在輸入端加設(shè)一絕對(duì)值轉(zhuǎn)換器，把交流電壓幅值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的直流量值。而且對(duì)于范圍更寬的輸入量的測(cè)量則需要增設(shè)擴(kuò)展檔位，增加分壓電路，提高場(chǎng)效應(yīng)管的耐壓值，選擇更多輸入輸出線的譯碼芯片。

由于本文所設(shè)計(jì)的電路的選檔部分和檔位開關(guān)是通用型的，當(dāng)這部分電路作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整后，可移植到設(shè)計(jì)量程自動(dòng)選擇的電流表、歐姆表等測(cè)試儀表中。因此還可用在自動(dòng)測(cè)試及控制等方面。