高精度電壓比測量方法

在許多測量系統(tǒng)中，經(jīng)常要進行電壓比的測量， 即V1/V2，如非線性系數(shù)的測量,通常的測量方法是模擬量經(jīng)多路A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)單片機進行高精度浮點計算，這樣既要求A/D轉(zhuǎn)換要有較高的精度，又要求單片機要進行高精度的浮點運算。我們采用了MAX7135芯片即實現(xiàn)了高精度的A/D轉(zhuǎn)換，又進行了電壓比的計算，單片機僅需要簡單的浮點運算就可直接得到V1/V2的比值。

MAXIM ICL7135是CMOS單片位(十進制)雙積分型高精度A/D轉(zhuǎn)換器，除基準電壓、顯示驅(qū)動器和時鐘之外，它包括雙積分式轉(zhuǎn)換器所需的全部有源器件，具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能。MAXIM ICL7135的封裝形式為DIP28， ICL7135每個測量周期包括三個階段：從啟動A/D轉(zhuǎn)換開始為“自動校零(A/Z)”階段，時間長度固定為10001TCL， TCL為外加時鐘周期；其后為對被測電壓信號積分(INT)階段，持續(xù)時間10000TCL；最后為對基準電壓反向積分(DE)階段，持續(xù)的時間與被測電壓信號大小有關，最大為20001 TCL。一個完整的轉(zhuǎn)換周期需要40002個時鐘脈沖，如圖1所示。

直流電壓比通常的測量方法是將兩模擬量V1、V2分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，再進行浮點除運算，這樣做不僅實現(xiàn)電路復雜，速度慢，而且兩次測量后再進行數(shù)據(jù)處理將會產(chǎn)生積累誤差，影響精度。我們采用一片MAXIM ICL7135芯片，經(jīng)一個測量周期后可直接得到V1/V2的值。

根據(jù)雙積分ADC的原理：調(diào)零階段后，首先對被測模擬信號V1積分(采樣階段)，即對積分電容CINT充電，經(jīng)過時間t1后，有

（1）式中NTCL即為t1，TCL為時鐘脈沖的振蕩周期，對于MAXIM ICL7135，N為10000；然后對基準電壓進行反積分(測量階段），因為基準電壓VREF與被測電壓V1極性相反，于是使CINT放電，經(jīng)過t2時間后，有

（2）式中NX TCL即為t2，TCL為時鐘脈沖的振蕩周期，NX為時鐘脈沖的計數(shù)值。由式（1）（2）可得：

（3）根據(jù)式（3），若我們把被測模擬電壓V2作為基準電壓(VREF)輸入，則可得V1/V2即為采樣階段和測量階段所需的振蕩脈沖個數(shù)之比。由圖1可知，當被測電壓V1積分階段一開始，BUSY端即輸出高電平，并一直維持到積分器過零后的第一個振蕩脈沖(在過量程時，其高電平保持到轉(zhuǎn)換周期結(jié)束)。所以只要測出BUSY信號維持為高電平期間振蕩脈沖的個數(shù)，而N=10000，則可得NX。

直流電壓比的實用測量電路如圖2，由單片機AT89C2051、A/D轉(zhuǎn)換器MAXIM ICL7135和顯示電路(圖中未畫出)組成。將R/H與P1．0連接，實現(xiàn)程序啟動A/D轉(zhuǎn)換。BUSY信號與時鐘信號CLK經(jīng)過與非門連到P3．4(T0)引腳，使AT89C2051內(nèi)部定時器T0對時鐘信號CLK與BUSY信號向與后進行計數(shù)，則可得NX，也就可得V1/V2。STB信號連到P3。2作為單片機對A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束的判斷。

若單片機的fOSC=12MHz，則ALE引腳輸出的2MHz信號經(jīng)74LS161構(gòu)成的8分頻電路，得到頻率為250KHz的信號作為MAXIM ICL7135的時鐘。本電路測量范圍：V1/V2<2(0.0000～1.9999)。

主程序完成初始化、啟動A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示，AT89C2051的定時器T0工作在方式1，對外部事件計數(shù)，外中斷0工作在邊沿觸發(fā)方式。外中斷0的中斷服務程序完成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀出、處理工作。以下分別給出主程序和中斷服務程序框圖(圖3,圖4)及初始化程序段：

本文介紹的測量方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、精度高、抗干擾能力強等特點，該測量電路和程序已實際應用于壓敏電阻測試儀中非線性指數(shù)(=1/log(V1/V2))的測量，精度可達20000分之一，但應注意電壓比范圍V1/V2應在0.0000～1.9999之間?！?/font>