一種多路信號幅值測量系統(tǒng)

交、直流信號幅值的測量和顯示是有些儀器儀表的必備功能，從顯示的形式來看，常見的有兩種形式：指針式和數(shù)字式。對有固定輸入信號性質(zhì)（如：交流、直流、電壓、電流等）和范圍（信號幅值區(qū)間）的測量部件，常稱為表頭。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化顯示交、直流信號的幅值已占統(tǒng)治地位。對簡單的數(shù)字表頭而言，其核心是一片A/D轉(zhuǎn)換芯片，測量過程一般是圖1所示的形式：

對于多路信號需測量的場合，若仍采用上述模式，有兩個途經(jīng)：①在A/D轉(zhuǎn)換前加切換開關(guān)；②配備多個數(shù)字表頭。以方式①測量多路信號的幅值是依次進行的，由于表頭的“慣性”，在進行信號切換后，表頭需要有一段穩(wěn)定時間，才能準確地讀數(shù)，相鄰兩信號的幅值相差越大需要的穩(wěn)定時間越長。人們最為熟悉的數(shù)字萬用表即這種模式。以該模式快速（甚至同時）測量多路信號的幅值顯然辦不到。方式②雖然可以同時得到多路信號的幅值，但其眾多的顯示窗口不利于儀器儀表面板的簡化。當今儀器儀表面板趨于屏幕化，數(shù)據(jù)顯示表格化、圖形化。

面板屏幕（液晶、CRT）化的儀器儀表通常都有微處理器支持，可以利用微處器強大的數(shù)據(jù)處理能力實現(xiàn)對多路信號幅值的快速或同時采樣。以用51系列單片機為核心的系統(tǒng)為例，對單路信號幅值的采樣和顯示一般為圖2所示的模式。

由于單片機有較強的數(shù)據(jù)處理能力，只要輸入單片機的信號與被測信號之間存在一個固定的函數(shù)關(guān)系（最簡單的是正比關(guān)系），便可實現(xiàn)測量。輸入單片機的信號可有兩種形式：一種是采用A/D轉(zhuǎn)換芯片而獲得的編碼信號；另一種是采用V/F轉(zhuǎn)換芯片而獲得的頻率信號。一般情況下單片機采用5V電源供電，邏輯電平為TTL電平。為了簡單，系統(tǒng)內(nèi)的其它芯片應向單片機看齊。為此，A/D轉(zhuǎn)換或V/F轉(zhuǎn)換的輸入信號應為0～5V模擬電平，該模擬電平是經(jīng)信號比例（分壓器電路)設(shè)置后獲得的，正比于輸入信號的大小。對于交流信號而言，信號幅值指的是“有效值”，交流信號經(jīng)AD/DC轉(zhuǎn)換后便可獲得有效值。對于直流信號，經(jīng)極性處理后就可進行A/D或V/F轉(zhuǎn)換。若被測信號為電流形式，則還需進行I/V轉(zhuǎn)換，對mA級以上的信號可采用電流互感器來進行I/V轉(zhuǎn)換，mA級以下的信號則需采用運算放大器電路來進行I/V轉(zhuǎn)換。

以A/D轉(zhuǎn)換方式進行模擬信號幅值測量，A/D轉(zhuǎn)換芯片特性決定了轉(zhuǎn)換精度、線性度、數(shù)字編碼的有效位數(shù)。當前A/D轉(zhuǎn)換芯片是一個大家族，從數(shù)字編碼輸出形式上看有并行和串行兩種。從數(shù)字編碼形式上看，既有二進制編碼，字長從8位到16位（在幅值測量方面，10位以下A/D芯片基本不用）；也有BCD編碼，字長為3位半或4位半。以V/F轉(zhuǎn)換方式進行模擬信號幅值測量，因其輸出頻率正比于輸入電壓，系統(tǒng)需提供計數(shù)器支持，通過單片機對頻率值的換算便可獲得輸入信號幅值。

要進行對多路信號幅值快速甚至同時測量，必須為每路信號都配備一個轉(zhuǎn)換通道。在以單片機為核心的儀器儀表中，對多路信號幅值快速測量除要考慮轉(zhuǎn)換精度、線性度以及讀數(shù)的有效位數(shù)外，還要考慮硬件電路規(guī)模、軟件開銷、系統(tǒng)成本等因素。在轉(zhuǎn)換精度、線性度、讀數(shù)的有效位數(shù)相當以及相同轉(zhuǎn)換路數(shù)前提下，幾種方案的比較如表1。

筆者在由武漢新電高技術(shù)公司生產(chǎn)的XD3310A型微電腦移相器中成功地應用V/F轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)了對六路信號幅值的同時采樣和集中顯示。XD3310A型微電腦移相器有六路信號幅值需要測量和顯示，分別是A、B、C三相交流電壓，幅值區(qū)間最大為0～450V，A、B、C三相交流電流，幅值區(qū)間最大為0～10A。從顯示的數(shù)字區(qū)間看，若采用A/D轉(zhuǎn)換方式，則轉(zhuǎn)換芯片的字長至少應達13位（二進制）或4位半(BCD碼）。為每路信號都配備一顆這樣的芯片成本很高。因此，筆者選用了V/F轉(zhuǎn)換方式來測量這六路信號的幅值，并獲得預期效果。AC/DC轉(zhuǎn)換及V/F轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

V/F轉(zhuǎn)換芯片選用廉價的LM331，芯片的輸出頻率范圍是：1Hz～10KHz，以該芯片作A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字量有效位數(shù)范圍比3位半的A/D轉(zhuǎn)換芯片大，比4位半的A/D轉(zhuǎn)換芯片小，與13位(二進制）的A/D轉(zhuǎn)換芯片相當。為每個被測信號都配備一個如圖3所示的轉(zhuǎn)換通道，目的是克服V/F轉(zhuǎn)換的“慣性”，準備實現(xiàn)6路信號同時采樣。

圖4是單片機控制部分電路框圖，由于整個儀器系統(tǒng)無需配備片外RAM，為了盡可能簡化電路，筆者選用了內(nèi)置8K-ROM的89C52單片機。89C52的P0口作數(shù)據(jù)總線，P2口作地址總線，P1口被組織成一個4×4的鍵盤，移相器用的I/O口則通過擴展一片8255A而得。在單片機數(shù)據(jù)總線上掛有兩片8253計數(shù)器芯片，共擴展6個16位計數(shù)器，可同時計數(shù)6路脈沖信號，該6個計數(shù)器都被設(shè)置成工作方式0且門控計數(shù)，兩芯片共6個門控端(GATE0～2)全部并在一起受89C52的P3.4(T0)控制，計數(shù)時間（P3.4高電平時間，本實例大約為1秒左右)由89C52的CTC0通過中斷服務程序產(chǎn)生。每到一計數(shù)時間，便由89C52依次讀出這6個計數(shù)值，經(jīng)換算得到了6個模擬信號幅值。

89C52中的程序主要有4大任務：1）鍵值解釋；2）液晶顯示模塊管理；3）移相器狀態(tài)監(jiān)視和控制；4）8253計數(shù)器控制和讀出。6路信號的采樣時序見圖5。

實際應用表明，在一般的信號幅值測量且有單片機支持的場合，利用LM331進行A/D轉(zhuǎn)換具有精度高、線性度好、成本低、使用方便等優(yōu)勢。在圖4所示的設(shè)計方案中，由于89C52讀取8253的計數(shù)值非?？?，相對于采樣時間而言幾乎同時。比起巡回采樣方式，本設(shè)計方案的速度優(yōu)勢明顯，基本與信號路數(shù)無關(guān)。由于單片機系統(tǒng)擴展8253非常容易，頻率信號又便于遠距離傳輸和隔離，本設(shè)計方案也適用于更多路信號的遠距離巡回檢測?！?/font>