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[導讀]0 引 言傳統(tǒng)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(xiàn)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(guān)電

0 引 言

傳統(tǒng)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(xiàn)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(guān)電路設(shè)計了電壓表量程自動切換技術(shù),通過單片機檢測可實現(xiàn)電壓表量程的自動轉(zhuǎn)換。它具有體積小,驅(qū)動電流小,動作快,結(jié)構(gòu)簡單,操作方便的優(yōu)點,可用于實驗教學中。

1 技術(shù)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(xiàn)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(jīng)過衰減處理后通過采樣保持器采樣保持,由A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再由單片機控制和計算后將結(jié)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(guān)來完成。由于要求采用現(xiàn)場的220 V交流電源,所以本文設(shè)計了電源電路,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

在硬件電路設(shè)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(qū)動能力很小,在設(shè)計中加入了7407用來驅(qū)動LED顯示。整個硬件系統(tǒng)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(shù)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(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路:完成對采集的數(shù)據(jù)處理和對系統(tǒng)的控制。

(5)顯示器:由74LS164和數(shù)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(shù)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(nèi)部器件先對電壓進行衰減,該設(shè)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(guān)CD4052進行信號放大,其中的5.1 V穩(wěn)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(shè)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(guān)的閉合和斷開都有一個短暫的過程,為解決這個問題系統(tǒng)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(xiàn)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(shè)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(guān)CD4052的其中一組開關(guān)執(zhí)行相應量程的選擇,另一組開關(guān)接LED的小數(shù)點,選擇不同量程時分別點亮相應LED 的小數(shù)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(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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(shè)計中采用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)換器是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的器件或裝置,是一種模擬系統(tǒng)和計算機之間的接口,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腳分別接至單片機控制總線的P3.1,P3.2,CE接單片機P3.0,狀態(tài)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(diào)整和滿刻度調(diào)整。AD574的數(shù)據(jù)輸出線與單片機數(shù)據(jù)總線的連接時,12位分別接單片機的P0.0~P0.7和 P1.0~P1.3。



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