0 引 言

傳統(tǒng)的電壓表在測(cè)量電壓時(shí)需要手動(dòng)切換量程，不僅不方便，而且要求不能超過(guò)該量程。如果在測(cè)量時(shí)忘記改變量程，則會(huì)出現(xiàn)很大的測(cè)量誤差，甚至有將電壓表燒壞的可能。

本文中采用運(yùn)算放大器和集成多路模擬開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)了電壓表量程自動(dòng)切換技術(shù)，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)電壓表量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。它具有體積小，驅(qū)動(dòng)電流小，動(dòng)作快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便的優(yōu)點(diǎn)，可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1 技術(shù)要求

電壓測(cè)量范圍：0～500 V；測(cè)量精度：0．5％；量程自動(dòng)切換；采用LED顯示；可用現(xiàn)場(chǎng)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(hào)經(jīng)過(guò)衰減處理后通過(guò)采樣保持器采樣保持，由A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)控制和計(jì)算后將結(jié)果送LED顯示。量程的自動(dòng)切換由單片機(jī)通過(guò)程序控制多路模擬開(kāi)關(guān)來(lái)完成。由于要求采用現(xiàn)場(chǎng)的220 V交流電源，所以本文設(shè)計(jì)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(jì)

在硬件電路設(shè)計(jì)中多次采用了電容濾波來(lái)消除干擾信號(hào)，同時(shí)采用了跟隨器，跟隨器的輸入阻抗很大，可以解決信號(hào)傳輸中的衰減問(wèn)題。又考慮到單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力很小，在設(shè)計(jì)中加入了7407用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED顯示。整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：

(1)電壓信號(hào)衰減電路：將輸人的0～500 V被測(cè)電壓信號(hào)衰減成0～5 V。

(2)量程自動(dòng)切換電路：完成信號(hào)量程選擇及其小數(shù)點(diǎn)位置選擇。

(3)采樣保持器：對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣并保持。

(4)模數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路：完成對(duì)采集的數(shù)據(jù)處理和對(duì)系統(tǒng)的控制。

(5)顯示器：由74LS164和數(shù)碼管組成，將測(cè)量的電壓信號(hào)顯示出來(lái)。

(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(hào)衰減電路

電壓信號(hào)衰減電路如圖2所示。為了在輸入大電壓時(shí)不損壞電壓表內(nèi)部器件先對(duì)電壓進(jìn)行衰減，該設(shè)計(jì)中用阻抗進(jìn)行1：100衰減，為防止衰減后信號(hào)電壓過(guò)小又通過(guò)運(yùn)算放大電路以及多路開(kāi)關(guān)CD4052進(jìn)行信號(hào)放大，其中的5．1 V穩(wěn)壓管起過(guò)壓保護(hù)作用。

3．2 量程自動(dòng)切換電路

量程的自動(dòng)切換由初設(shè)量程開(kāi)始，直至選出最佳的量程為止。量程自動(dòng)切換電路如圖3所示，控制開(kāi)關(guān)的閉合和斷開(kāi)都有一個(gè)短暫的過(guò)程，為解決這個(gè)問(wèn)題系統(tǒng)中采用軟件延時(shí)，然后再進(jìn)行測(cè)量與判斷。為了避免相鄰兩量程交叉點(diǎn)上可能出現(xiàn)的跳動(dòng)，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(jì)了一定的重疊范圍。該單元中運(yùn)算放大器與多路模擬開(kāi)關(guān)CD4052的其中一組開(kāi)關(guān)執(zhí)行相應(yīng)量程的選擇，另一組開(kāi)關(guān)接LED的小數(shù)點(diǎn)，選擇不同量程時(shí)分別點(diǎn)亮相應(yīng)LED 的小數(shù)點(diǎn)位。CD4052的A、B以及INH分別接單片機(jī)P21，P20，P22。

3．3 采樣保持器

在測(cè)量交流電壓時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差與信號(hào)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(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的器件或裝置，是一種模擬系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)控制總線的P3．1，P3．2，CE接單片機(jī)P3．0，狀態(tài)引腳(STATUS)接單片機(jī)的 P1．7。AD574的12引腳和10引腳接兩個(gè)0．1 kΩ的電位器，分別用于零點(diǎn)調(diào)整和滿刻度調(diào)整。AD574的數(shù)據(jù)輸出線與單片機(jī)數(shù)據(jù)總線的連接時(shí)，12位分別接單片機(jī)的P0．0～P0．7和 P1．0～P1．3。