自動(dòng)量程切換電路案例分析

方案1（PGA202）：

如圖所示為由PGA202與比較器、計(jì)數(shù)器構(gòu)成的自動(dòng)量程切換電路。該電路采用比較器在輸出端與VOUT 進(jìn)行比較，當(dāng)VOUT VREF=10V時(shí)，比較器輸出“降”信號(hào)，升/降計(jì)數(shù)器輸出2Bit編碼PGA202的A0、A1端，使PGA202的增益下降；當(dāng)VOUT ［1kΩ/（1kΩ 10kΩ）］×10V=0.909V時(shí)，比較器輸出“升”信號(hào)，升/降計(jì)數(shù)器輸出2Bit編碼到PGA202的A0、A1端，使PGA202的增益增大；當(dāng)0.909VVOUT10V時(shí)，增益保持不變

方案2（4066）：

方案3：

U1（LM324）為四運(yùn)放IC1，U1-1/4與U1-2/4的作用是發(fā)生被測電壓極性識(shí)別信號(hào)與控制U2的信號(hào)通道。U1-3/4構(gòu)成程控放大電路，對(duì)被測電壓進(jìn)行10，1，1/10，1/100的放大或衰減。U1-4/4為反相放大器，用于調(diào)劑輸出電壓幅度以滿足A/D轉(zhuǎn)換器正常工作要求;

U2（SGM522）為二通道模擬開關(guān)IC，實(shí)現(xiàn)正、負(fù)極性的被測電壓分通道傳輸，以便對(duì)負(fù)極性信號(hào)實(shí)施反相措置;

U3（C4066）為四通道模擬開關(guān)IC，在量程自動(dòng)控制信號(hào)的作用下，實(shí)現(xiàn)讓不合量程的電壓分通道傳輸，以便配合U1-3/4電壓進(jìn)行幅度變換;

U4（LM339）、U5（74LS05）、U6與U7（74LS21）組成自動(dòng)量程控制信號(hào)發(fā)生電路。其中，U4為四斗勁器IC，用于確定各量程的丈量規(guī)模，U5為四反相器，對(duì)高或低電平實(shí)施反相變換，U6、U7均為四輸入雙與門IC，通過邏輯運(yùn)算獲得自動(dòng)量程控制信號(hào)；

U8（C14433）為雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（又稱雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器），轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果與輸入信號(hào)的平均值成正比，對(duì)疊加在輸入信號(hào)上的交流干擾有良好的抑制作用，具有零漂抵償?shù)?位半（BCD碼）單片雙積分式A/D轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換速率為3～10Hz，轉(zhuǎn)換精度為±1LSB，模擬輸入電壓規(guī)模0～±1.999V或0～±199.9mV，輸入阻抗大于100MΩ。MC14433轉(zhuǎn)換結(jié)果以BCD碼形式，別離按千、百、十、個(gè)位由Q0～Q3端輸出，相應(yīng)的位選通信號(hào)由DS1～DS4提供；

U9（MC14511B）為譯碼集成電路，將BCD碼譯碼成十進(jìn)制信號(hào)，控制數(shù)碼管的位顯示；

U10（MC1413）為7路反相緩沖集成電路，用于實(shí)現(xiàn)高低電平間的轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)對(duì)數(shù)碼顯示管的驅(qū)動(dòng)能力。

電路工作原理

（1）被測電壓的Ux極性判斷與變換電路工作原理：電路由2個(gè)過零電壓斗勁器、一個(gè)反相器和雙向限幅電路組成，當(dāng)Ux極性為“+”時(shí)，U1-1/4輸出高電平，在C+的控制下被測電壓通過U2的第一通道。U1-2/4輸出低電平，C也為低電平，U2的第二通道欠亨；當(dāng)Ux極性為“-”時(shí)。U1-2/4輸出高電平，在C的控制下被測電壓通過U2的第二通道，并通過U5-1-4完成反相變換。U1-1/4輸出低電平，C+使U2的第一通道欠亨。V1，V2為雙向限幅二極管，用于限制加到U1-1/4與U1-2/4輸入真?zhèn)€電壓幅度。

（2）多路模擬開關(guān)和程控放大電路工作原理：電路由C4066，U1-3/4，R4～R7等組成。設(shè)R1～R3通道等效電阻為R1～3，其巨細(xì)可設(shè)置為100kΩ，當(dāng)B1為高電平時(shí)，多路模擬開關(guān)C4066的i1～O1通道接通，運(yùn)放U1-3/4的反饋電阻R4取1MΩ，對(duì)Ux放大10倍后送入A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。若A/D轉(zhuǎn)換的電壓滿度值為2V，則可丈量0～±200mV的電壓。同理，當(dāng)量程轉(zhuǎn)換控制信號(hào)B2，B3，B4別離為高電平時(shí)，C4066對(duì)應(yīng)的通道接通，當(dāng)U1-3/4的反饋電阻R5，R6，R7別離取100kΩ、10kΩ、1kΩ時(shí)，R5使±200mV～±2V的電壓直接通過，R6使±2～±20V的電壓衰減10倍后通過，R7使±20～±200V的電壓衰減100倍后通過。再將某一路輸出電壓經(jīng)U1-4/4反相放大，使與實(shí)際被電壓極性一致，并可通過R16調(diào)度電壓放大倍數(shù)（-R16/R15），保證A/D轉(zhuǎn)換電路正常工作所需的輸入電壓。

（3）量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路工作原理：量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路由四4斗勁器U4、3個(gè)反相器（U5內(nèi)）、2個(gè)四輸入雙與門U6與U7、分壓電阻R10～R14等組成。由于設(shè)置R1～3為100kΩ，選擇R8（470kΩ可調(diào)）與R9（5kΩ）使ux在R9上的分壓比為1/100，經(jīng)分壓后加到各斗勁器的反相輸入端。當(dāng)ux別離為±200mV，±2V，±20V，±200V時(shí)，分電壓值別離為2mV，20mV，0.2V，2V。同時(shí)，由R10～R14（電阻值如圖2中所示）對(duì)Vcc分壓獲得各斗勁器的參考電平也別離為2mV，20mV，0.2V，2V，并別離加至各斗勁器的同相輸入端。當(dāng)被電壓Ux到達(dá)某量程的滿刻度值時(shí)，使斗勁器的輸出電平由高變低，通過組合邏輯電路發(fā)生量程自動(dòng)控制與標(biāo)志信號(hào)（高電平有效）。若Ux位于0～±200mV，U6-1/2輸出高電平，獲得有效量程控制信號(hào)B1，其余B2～B3為低電平；同理，當(dāng)被測電壓別離在±2V，±2～±20V，±20～±200V規(guī)模時(shí)，U6-2/2、U7-1/2、U7-2/2別離輸出高電平，獲得量程控制信號(hào)B2、B3和B4，狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1所示。

邏輯表達(dá)式別離為：B1=W.X.Y.Z，B2=

為超量程標(biāo)志信號(hào)。

（4）被測電壓極性、小數(shù)點(diǎn)位置與超量程的指示信號(hào)：被測電壓極性顯示控制信號(hào)由U1-2/4提供，用輸出的高或低電平控制“-”或“+”號(hào)的顯示；小數(shù)點(diǎn)位置控制信號(hào)由量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)，B1的高電平用于顯示丈量規(guī)模為0～±200mV的小數(shù)點(diǎn)位置，B2的高電平用于顯示丈量規(guī)模為±200mV～±2V的小數(shù)點(diǎn)位置，B3的高電平用于顯示丈量規(guī)模為±2～±20V的小數(shù)點(diǎn)位置，B4的高電平用于顯示丈量規(guī)模為±20～±200V的小數(shù)點(diǎn)位置，當(dāng)被丈量電壓規(guī)模在±200V以外時(shí)，不用小數(shù)點(diǎn)；超量程指示信號(hào)由B4的低電平實(shí)現(xiàn)，當(dāng)B4為低電平時(shí)，表白被測電壓跨越了±200V的最高上限。

（5）A/D轉(zhuǎn)換、譯碼、顯示電路工作原理：用U1-2/4輸出的信號(hào)控制數(shù)碼管最高位“g”段的亮與不亮，實(shí)現(xiàn)極性“-”顯示。當(dāng)U4的4個(gè)斗勁器都輸出高電平量，便發(fā)生了超量程情況，可用它們發(fā)生報(bào)警與超量顯示信號(hào)（本系統(tǒng)未考慮）。當(dāng)程控放大器輸出的信號(hào)加到U8的3腳，將模擬電壓轉(zhuǎn)換為BCD碼，并由20、21、22、23腳輸出，經(jīng)U9譯碼為千、百、十、個(gè)四位十進(jìn)制數(shù)，同時(shí)，由U8的16、17、18、19腳輸出對(duì)應(yīng)的選通信號(hào)，共同控制數(shù)碼管顯示丈量結(jié)果。

結(jié)語

本丈量系統(tǒng)運(yùn)用與門、反相器、斗勁器、多路模擬開關(guān)集成電路（C4066）等數(shù)字集成電路巧妙組合獲得了被電壓極性判斷、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、信號(hào)幅度變換、小數(shù)點(diǎn)位置顯示控制、超量程顯示與報(bào)警信號(hào)。電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)看似復(fù)雜，但分立元件少，成本低。具有設(shè)置量程便利、電壓丈量規(guī)模寬、功能相對(duì)自力且容易擴(kuò)展、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，值得借鑒。