新型交流數字電壓表設計

0 引 言
??? 傳統的電壓表在測量電壓時需要手動切換量程，不僅不方便，而且要求不能超過該量程。如果在測量時忘記改變量程，則會出現很大的測量誤差，甚至有將電壓表燒壞的可能。
??? 本文中采用運算放大器和集成多路模擬開關電路設計了電壓表量程自動切換技術，通過單片機檢測可實現電壓表量程的自動轉換。它具有體積小，驅動電流小，動作快，結構簡單，操作方便的優點，可用于實驗教學中。

1 技術要求
??? 電壓測量范圍：0～500 V；測量精度：0．5％；量程自動切換；采用LED顯示；可用現場提供的220 V交流電源。

2 基本原理
?? 基本原理如圖1所示，信號經過衰減處理后通過采樣保持器采樣保持，由A／D轉換成數字信號，再由單片機控制和計算后將結果送LED顯示。量程的自動切換由單片機通過程序控制多路模擬開關來完成。由于要求采用現場的220 V交流電源，所以本文設計了電源電路，將220 V交流電轉換成電路可用的低壓直流電。

3 硬件系統設計
??? 在硬件電路設計中多次采用了電容濾波來消除干擾信號，同時采用了跟隨器，跟隨器的輸入阻抗很大，可以解決信號傳輸中的衰減問題。又考慮到單片機的驅動能力很小，在設計中加入了7407用來驅動LED顯示。整個硬件系統主要由以下幾部分組成：
??? (1)電壓信號衰減電路：將輸人的0～500 V被測電壓信號衰減成0～5 V。
??? (2)量程自動切換電路：完成信號量程選擇及其小數點位置選擇。
??? (3)采樣保持器：對模擬信號進行采樣并保持。
??? (4)模數轉換及控制電路：完成對采集的數據處理和對系統的控制。
??? (5)顯示器：由74LS164和數碼管組成，將測量的電壓信號顯示出來。
??? (6)整流電路：將交流電整流成直流電，作為電源給數字電壓表供電。

3．1 電壓信號衰減電路
??? 電壓信號衰減電路如圖2所示。為了在輸入大電壓時不損壞電壓表內部器件先對電壓進行衰減，該設計中用阻抗進行1：100衰減，為防止衰減后信號電壓過小又通過運算放大電路以及多路開關CD4052進行信號放大，其中的5．1 V穩壓管起過壓保護作用。

3．2 量程自動切換電路
??? 量程的自動切換由初設量程開始，直至選出最佳的量程為止。量程自動切換電路如圖3所示，控制開關的閉合和斷開都有一個短暫的過程，為解決這個問題系統中采用軟件延時，然后再進行測量與判斷。為了避免相鄰兩量程交叉點上可能出現的跳動，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計了一定的重疊范圍。該單元中運算放大器與多路模擬開關CD4052的其中一組開關執行相應量程的選擇，另一組開關接LED的小數點，選擇不同量程時分別點亮相應LED的小數點位。CD4052的A、B以及INH分別接單片機P21，P20，P22。

3．3 采樣保持器
??? 在測量交流電壓時，A／D轉換器的轉換誤差與信號的頻率成正比。為了提高模擬量輸入的頻率范圍，故選用采樣保持器。在此設計中采用LF398作采樣保持器，采樣保持器的原理結構圖如圖4所示，保持電容Cn取值和采樣頻率以及精度有關，常選510～1 000 pF。一般選用聚苯乙烯，聚四氟乙烯等高質量的電容器。

3．4 A／D轉換電路
??? A／D轉換器是將模擬信號轉換成數字信號的器件或裝置，是一種模擬系統和計算機之間的接口，在數據采集和控制系統中得到了廣泛的應用。常用的A／D轉換方式有逐次逼近式和雙斜積分式，考慮到前者轉換時間短，因此選用逐次逼近式A／D轉換器。AD574為12位逐次逼近式A／D轉換器，分辨率為1／212，轉換時間25μs。在本系統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位轉換結果，3，5腳分別接至單片機控制總線的P3．1，P3．2，CE接單片機P3．0，狀態引腳(STATUS)接單片機的P1．7。AD574的12引腳和10引腳接兩個0．1 kΩ的電位器，分別用于零點調整和滿刻度調整。AD574的數據輸出線與單片機數據總線的連接時，12位分別接單片機的P0．0～P0．7和P1．0～P1．3。

3．5 顯示電路
??? 顯示電路如圖6所示，電路采用了簡單的軟件譯碼移位輸出的方法，串行數據經單片機的P3．6輸出至74LS164，四個74LS164將串行數據轉換成并行數據送數碼管字型口顯示，74LS164的時鐘信號由單片機的P3．7提供。數碼管選用共陰極型。

3．6 整流電路
??? 數字電壓表的設計電路中用到了兩個直流電壓5 V和12 V，而設計要求采用現場提供的交流220 V電源，因此需要經過整流電路把220 V交流電源轉化為5 V和12 V直流電源。本系統中采用了單相橋式整流電路，如圖7所示，為了減小紋波以及消除高頻諧波電路中加入了電容濾波。

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式中：△Tm為相鄰兩次采樣的時間間隔；um為第m-1個時間間隔的電壓采樣瞬時值；N為一個周期的采樣點數。若相鄰兩采樣的時間間隔相等，即△Tm為常數△T，考慮到N=(T／△T)+1，則有：
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??? 根據式(2)可以由一個周期內各采樣瞬時值及每周期采樣點數計算電壓信號的有效值。為了提高系統的抗干擾能力，除了在硬件上采取相應的措施外，軟件上采用冗余計算法即重復重要的指令，以防止程序跳飛而死機。系統的程序流程圖如圖8所示。

5 結 語
??? 本文采用程控放大器實現量程的自動轉換。用AT89C51進行數據控制、處理，送到顯示器顯示，硬件結構簡單，軟件采用C語言實現，程序簡單可讀寫性強，效率高。與傳統的電路相比，具有方便操作、處理速度快、穩定性高、性價比高的優點，具有一定的使用價值。本設計在超量程時會顯示特定的值，即超量程顯示，如想更直觀的顯示，可加入聲光報警電路，在超量程操作時可進行聲光報警。