在高精度儀表中量程實現(xiàn)量程自動轉(zhuǎn)換電路的研究

電學(xué)參數(shù)測量技術(shù)涉及范圍廣，特別是微電壓、微電流、高電壓以及待測信號強弱相差極大的情況下，既要保證弱信號的測量精度又要兼顧強信號的測量范圍，在技術(shù)上有一定的難度。傳統(tǒng)的低成本儀表在測量電壓、電流時都采用手動選擇檔位的方法來轉(zhuǎn)換量程。在使用中，當忘記轉(zhuǎn)換檔位時，會造成儀表測量精度下降或損壞?，F(xiàn)代電子測量對系統(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量精度不下降的前提條件下省去手動轉(zhuǎn)換量程的工作，得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)對此類設(shè)計研究較多，但電路設(shè)計都采用了單片機、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的元器件組成的量程轉(zhuǎn)換電路，并進行了理想情況下的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，測量部件表頭的設(shè)計是利用載流線圈在磁場中受力矩作用的原理，如圖1 所示。測量檔位的改變靠改變電阻R的阻值來實現(xiàn)。 在測量時如果沒有選擇適當?shù)慕祲弘娮杓礄n位沒有調(diào)節(jié)好，當待測的電壓過高時有可能使電壓表損壞； 而當被測電壓過低時，由于電阻較大，表頭顯示值誤差大或者根本顯示不出值來。當不了解待測電壓大小時，一般會先選擇最大的量程來試測電壓，之后再來選擇適當?shù)臋n位，進行精確測量。現(xiàn)在出現(xiàn)的數(shù)字電壓表、電流表其主要測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 量程自動轉(zhuǎn)換電路設(shè)計框圖

筆者所設(shè)計的量程自動轉(zhuǎn)換電路框圖如圖2 所示。被測量程判斷器判斷出被測量的范圍，相應(yīng)的量程信號輸入到檔位選擇器。檔位選擇器根據(jù)量程信號將檔位自動調(diào)至適當?shù)牧砍?。并將輸入值適當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，實現(xiàn)整個量程的自動選擇。

圖2 量程自動轉(zhuǎn)換電路框圖。

3 電路設(shè)計

3. 1 電路設(shè)計的總體要求

電路設(shè)計的基本要求是在不降低測量精度的條件下實現(xiàn)量程的自動轉(zhuǎn)換。因此在設(shè)計電路時需要考慮以下幾方面的要求：

1） 輸入值量程判斷器的阻抗。要求在進行電壓測量時具有高阻抗，進行電流測量時具有低阻抗。

2） 輸入值量程判斷器應(yīng)具備對最大量程的上限和最小量程的下限的判斷能力。由于被測范圍較大，因此既要求在高待測量值輸入時不對小量程電路造成沖擊，又要求在超量程值時對檔位轉(zhuǎn)換電路進行關(guān)斷。當輸入量低于表內(nèi)的測量精度時，也要求將檔位選擇器關(guān)斷。否則，當測量儀表斷開時，沒有輸入量，而輸入值量程判斷器則認為此時的輸入量在最小量程的檔位上，當儀表接通待測量時，待測量大于最小量程檔位的范圍時，檔位選擇電路及其后級電路必定受到較大的沖擊。所以，輸入值量程判斷器不僅對是否超過最大量程能夠判斷，對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)計中，利用傳輸?shù)难訒r，對檔位進行從關(guān)斷測量到最大量程檔位向低量程檔位逐級下降直至到適當檔位的轉(zhuǎn)換，這樣就使得電路在測量完高待測量后就能順利地進行對最低待測量的測量。

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?shù)?a target="_blank">芯片。

3. 2 電路設(shè)計的實現(xiàn)

3. 2. 1 量程判斷電路的設(shè)計

量程判斷電路框圖如圖3 所示。輸入的被測量經(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現(xiàn)電路如圖4 所示。

圖4 單量程判斷實現(xiàn)電路

電路中Uin 代表被測信號，電阻R1 、R2 組成分壓電路。運放A1 組成隔離電路。電壓判斷電路由電壓源UREF2 和運放A3 組成的單限電壓比較器實現(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，當跟隨器A1 的輸出大于0. 2 V 時，比較器A3 輸出高電平； 當跟隨器A2 的輸出小于- 0. 2 V時，比較器A4 輸出高電平； 當- 0. 2 V

用EWB（electronics workbench）軟件對圖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?；鶞孰妷簽? V的直流電壓。從仿真結(jié)果可以看出，當被測輸入電壓的瞬時值達到±0. 4 V時，比較器轉(zhuǎn)換電平。通過量程判斷器，將被測的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，從而實現(xiàn)對檔位選擇的控制。

量程判斷器的總電路如圖6 所示。每個運放的輸入端都接有穩(wěn)壓管進行限壓，以保護運放。圖中上半部分為檔位選擇電路，正負電壓都可由整流橋整流后送分壓電阻分壓，基準電壓都是- 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，對輸入被測量的有和無進行直接判斷。根據(jù)前級的分壓比可以求得，當被測的電壓值大于0. 2 V 或者小于- 0. 2 V 時，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。輸入值判斷器的2 個輸入端電壓與5 個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3?8 譯碼器譯碼，對檔位進行選擇。其譯碼表如表2 所示。

對照表1 和表2 , 可得出譯碼電路對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，Y0 輸出1 , 控制檔位在最高量程電壓檔位上，起到保護電路的作用。

檔位的開啟電路如圖8 所示。電路中采用了N溝道增強型場效應(yīng)管。各場效應(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。各場效應(yīng)管的漏極分別接由分壓電阻分壓后的電壓，從而實現(xiàn)對檔位的選擇。

根據(jù)測量電壓的量程，場效應(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，即量程不在0. 2~300 V 之內(nèi)時，譯碼器所有輸出為0 , 所有檔位開啟電路也都關(guān)斷，起到保護儀表的作用。

圖8 檔位開啟電路。

3. 2. 3 量程自動選擇總電路

根據(jù)上述研究，可得量程自動轉(zhuǎn)換電路如圖9 所示。電路中所用的基準電壓都是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。整個輸入值判斷器的電路在測量端的輸入電阻值不小于20 ∥ 19 ∥ 19. 8 ∥ 29. 9 ∥ 20 = 4. 227 MΩ ,以實現(xiàn)高阻抗輸入的特點。

圖9 量程自動選擇總電路。

4 芯片的選用

在選用3-8 譯碼器芯片時應(yīng)當注意的是： 當前常用的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 時應(yīng)在各輸出端加反相器。

電路中共用了12 個運算放大器，可選用3 塊LMP2014MT 芯片提供。LMP2014MT 系美國國家半導(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： 每塊集成4 個運算放大器。

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)計了一種適合于智能電壓表的量程自動轉(zhuǎn)換電路，并對所設(shè)計的電路圖用EWB 軟件進行了仿真。文中所設(shè)計的電路是按直流的電壓輸入量來設(shè)計的。對交流量的測量則需要在輸入端加設(shè)一絕對值轉(zhuǎn)換器，把交流電壓幅值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的直流量值。而且對于范圍更寬的輸入量的測量則需要增設(shè)擴展檔位，增加分壓電路，提高場效應(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)計的電路的選檔部分和檔位開關(guān)是通用型的，當這部分電路作適當?shù)恼{(diào)整后，可移植到設(shè)計量程自動選擇的電流表、歐姆表等測試儀表中。因此還可用在自動測試及控制等方面。