基于數(shù)字集成電路的數(shù)字式智能電壓表的研制

為了解決一般數(shù)字電壓表自動轉(zhuǎn)換量程、被測電壓極性判斷、幅度變換、超量程顯示及報(bào)警信號等智能化問題，采用數(shù)字電路芯片，通過數(shù)字邏輯控制關(guān)系實(shí)現(xiàn)電壓表使用功能的智能化。闡明了電路設(shè)計(jì)原理，介紹了電路系統(tǒng)的組成、各部分電路的功能及特點(diǎn)、電路元件的選擇、信號處理的過程等內(nèi)容。通過實(shí)物驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，并由此設(shè)計(jì)得到了一臺自制數(shù)字式智能電壓表。

0 引言

在現(xiàn)在市場上廣泛使用的一般數(shù)字電量測量電表都沒有解決量程自動轉(zhuǎn)換問題，測量操作時(shí)仍然靠人工拔動開關(guān)轉(zhuǎn)換量程，測量電表的智能化設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)。在現(xiàn)有的智能電表中，智能化功能大多采用單片機(jī)控制電路或雙向移位寄存器來實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是電路系統(tǒng)、量程控制信號的產(chǎn)生比較復(fù)雜，調(diào)試與制作難度大，可靠性較差等。實(shí)際上，電路系統(tǒng)完全可以用常用數(shù)字集成電路組成，通過組合邏輯功能來實(shí)現(xiàn)多個(gè)量程之間的自動轉(zhuǎn)換等功能。

1 電路系統(tǒng)的方框結(jié)構(gòu)

電路系統(tǒng)由被測輸入電壓極性檢測與變換電路、電壓幅度變換電路、量程自動控制轉(zhuǎn)換信號產(chǎn)生電路、多路模擬開關(guān)切換電路、量程控制放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和顯示電路等組成，如圖1所示。

圖1中各部分電路的功能分別是：

(1)電壓極性顯示信號產(chǎn)生電路：由電壓比較器根據(jù)被測電壓極性產(chǎn)生“+”或“-”極性顯示信號。
(2)電壓通道選擇與極性轉(zhuǎn)換電路：有2個(gè)通道，對于正極性電壓由通道1通過，若為負(fù)極性電壓由通道2通過，再變換為正極性后輸出。
(3)量程自動控制信號產(chǎn)生電路：根據(jù)被測電壓的高低確定各段的測量范圍(量程)，產(chǎn)生量程自動轉(zhuǎn)換控制信號、超量程顯示與報(bào)警信號，并控制各量程小數(shù)點(diǎn)的位置。
(4)程控放大器與模擬開關(guān)切換電路：在量程自動轉(zhuǎn)換控制信號的作用下選擇不同的通道，將某個(gè)量程的輸入電壓放大或衰減一定比例后送入A/D轉(zhuǎn)換器。
(5)A/D轉(zhuǎn)換電路：將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
(6)譯碼與顯示電路：將數(shù)字信號譯碼后，由數(shù)碼管顯示出測量結(jié)果。

2 電路原理圖簡介

根據(jù)圖1構(gòu)建的數(shù)字式智能電壓表電路原理如圖2所示。圖中主要元器件的作用如下：

U1(LM324)為四運(yùn)放IC1，U1-1/4與U1-2/4的作用是產(chǎn)生被測電壓極性識別信號與控制U2的信號通道。U1-3/4構(gòu)成程控放大電路，對被測電壓進(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)整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，以便對負(fù)極性信號實(shí)施反相處理；
U3(C4066)為四通道模擬開關(guān)IC，在量程自動控制信號的作用下，實(shí)現(xiàn)讓不同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)組成自動量程控制信號產(chǎn)生電路。其中，U4為四比較器IC，用于確定各量程的測量范圍，U5為四反相器，對高或低電平實(shí)施反相變換，U6、U7均為四輸入雙與門IC，通過邏輯運(yùn)算獲得自動量程控制信號；
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)果與輸入信號的平均值成正比，對疊加在輸入信號上的交流干擾有良好的抑制作用，具有零漂補(bǔ)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，模擬輸入電壓范圍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，分別按千、百、十、個(gè)位由Q0～Q3端輸出，相應(yīng)的位選通信號由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，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)對數(shù)碼顯示管的驅(qū)動能力。

3 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)過零電壓比較器、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的第二通道不通；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的第一通道不通。V1，V2為雙向限幅二極管，用于限制加到U1-1/4與U1-2/4輸入端的電壓幅度。

(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，其大小可設(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，則可測量0～±200mV的電壓。同理，當(dāng)量程轉(zhuǎn)換控制信號B2，B3，B4分別為高電平時(shí)，C4066對應(yīng)的通道接通，當(dāng)U1-3/4的反饋電阻R5，R6，R7分別取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)節(jié)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)量程自動轉(zhuǎn)換控制電路工作原理：量程自動轉(zhuǎn)換電路由四4比較器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)分壓后加到各比較器的反相輸入端。當(dāng)ux分別為±200mV，±2V，±20V，±200V時(shí)，分電壓值分別為2mV，20mV，0.2V，2V。同時(shí)，由R10～R14(電阻值如圖2中所示)對Vcc分壓獲得各比較器的參考電平也分別為2mV，20mV，0.2V，2V，并分別加至各比較器的同相輸入端。當(dāng)被電壓Ux達(dá)到某量程的滿刻度值時(shí)，使比較器的輸出電平由高變低，通過組合邏輯電路產(chǎn)生量程自動控制與標(biāo)志信號(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B1，其余B2～B3為低電平；同理，當(dāng)被測電壓分別在±2V，±2～±20V，±20～±200V范圍時(shí)，U6-2/2、U7-1/2、U7-2/2分別輸出高電平，獲得量程控制信號B2、B3和B4，狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表1所示。

邏輯表達(dá)式分別為：B1=W·X·Y·Z，B2=為超量程標(biāo)志信號。

(4)被測電壓極性、小數(shù)點(diǎn)位置與超量程的指示信號：被測電壓極性顯示控制信號由U1-2/4提供，用輸出的高或低電平控制“-”或“+”號的顯示；小數(shù)點(diǎn)位置控制信號由量程自動轉(zhuǎn)換控制信號實(shí)現(xiàn)，B1的高電平用于顯示測量范圍為0～±200mV的小數(shù)點(diǎn)位置，B2的高電平用于顯示測量范圍為±200mV～±2V的小數(shù)點(diǎn)位置，B3的高電平用于顯示測量范圍為±2～±20V的小數(shù)點(diǎn)位置，B4的高電平用于顯示測量范圍為±20～±200V的小數(shù)點(diǎn)位置，當(dāng)被測量電壓范圍在±200V以外時(shí)，不用小數(shù)點(diǎn)；超量程指示信號由B4的低電平實(shí)現(xiàn)，當(dāng)B4為低電平時(shí)，表明被測電壓超過了±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)比較器都輸出高電平量，便發(fā)生了超量程情況，可用它們產(chǎn)生報(bào)警與超量顯示信號(本系統(tǒng)未考慮)。當(dāng)程控放大器輸出的信號加到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腳輸出對應(yīng)的選通信號，共同控制數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。

4 結(jié)語

本測量系統(tǒng)運(yùn)用與門、反相器、比較器、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、量程自動轉(zhuǎn)換、信號幅度變換、小數(shù)點(diǎn)位置顯示控制、超量程顯示與報(bào)警信號。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)置量程方便、電壓測量范圍寬、功能相對獨(dú)立且容易擴(kuò)展、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，值得借鑒。