劉安軍

用高精度、高穩(wěn)定性的元器件和放大電路設(shè)計(jì)成的高精度區(qū)間式電壓表，其優(yōu)點(diǎn)、詳細(xì)工作原理和應(yīng)用實(shí)例詳見(jiàn)本刊2003年第12期《高精度區(qū)間式電壓表》一文。

這里介紹一種高精度電壓表。運(yùn)用區(qū)間式電壓表的基本原理，用單片機(jī)制作成高精度電壓表，它可自動(dòng)變換測(cè)量范圍、計(jì)算測(cè)量值和顯示測(cè)量結(jié)果。實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電壓大范圍、全量程的高精度測(cè)量。

圖1是分擋區(qū)間式電壓表的原理圖。分擋式區(qū)間電壓表是把全量程根據(jù)需要分成數(shù)個(gè)區(qū)間段，例如，把2～10V的量程分成2～3V、3～4V……9～10V八個(gè)區(qū)間，波段開(kāi)關(guān)的八個(gè)擋對(duì)應(yīng)各區(qū)間，通過(guò)分別調(diào)定每一個(gè)區(qū)間的調(diào)零電位器W1、增益調(diào)整電位器W2實(shí)現(xiàn)各區(qū)間段的覆蓋。分擋式區(qū)間式電壓表實(shí)現(xiàn)了全量程測(cè)量，應(yīng)用更加方便，可以實(shí)現(xiàn)一表多用，例如在計(jì)量時(shí)對(duì)多個(gè)電壓點(diǎn)的測(cè)量、對(duì)已知電壓的高精度測(cè)量等。缺點(diǎn)是需要手動(dòng)換擋，對(duì)未知電壓的測(cè)量不太方便。

高精度電壓表原理

1.工作原理 在圖1分擋式區(qū)間電壓表的基礎(chǔ)上，采用單片機(jī)自動(dòng)控制，通過(guò)自動(dòng)換擋、自動(dòng)測(cè)量、自動(dòng)修正誤差、計(jì)算和輸出測(cè)量結(jié)果，成為一種實(shí)用的全量程、高精度電壓表，見(jiàn)圖2所示。圖中，增加了帶有A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的單片機(jī)IC4，將測(cè)量的模擬量用單片機(jī)進(jìn)行處理；調(diào)零電位器W1和增益調(diào)整電位器W2換成可程控的線性數(shù)字電位器，其阻值的大小由單片機(jī)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換擋，測(cè)量結(jié)果用LCD數(shù)字顯示。

2.制作過(guò)程中區(qū)間的標(biāo)定和劃分標(biāo)定是用標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)起始值和終止值進(jìn)行調(diào)整，區(qū)間劃分是把全量程劃分成若干個(gè)部分。假如全量程為0～100V，進(jìn)入標(biāo)定子程序完成標(biāo)定，得到一對(duì)W1 、W2 阻值的控制數(shù)據(jù)；電壓表的全量程假設(shè)每10V一個(gè)區(qū)間，劃分為0～10V、10～20V、……90～100V十個(gè)區(qū)間，假如測(cè)量是線性的，程序就可以計(jì)算出十對(duì)W1 、W2 阻值的控制數(shù)據(jù)，連同標(biāo)定時(shí)的一對(duì)控制數(shù)據(jù)，全部存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器E2PROM中以備調(diào)用。

3.測(cè)量過(guò)程 測(cè)量過(guò)程是自動(dòng)進(jìn)行的。測(cè)量時(shí)，對(duì)一個(gè)未知的被測(cè)電壓首先進(jìn)行粗測(cè)。區(qū)間電壓表的測(cè)量區(qū)間取0～100V，單片機(jī)取出E2PROM中對(duì)應(yīng)0～100V區(qū)間一組數(shù)據(jù)，設(shè)定程控?cái)?shù)字電位器W1 、W2 阻值，被測(cè)電壓經(jīng)放大器、A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行一次粗測(cè)量。粗測(cè)的目的是為了確定被測(cè)電壓所在的區(qū)間，假如被測(cè)電壓為19.96V，在10～20V這個(gè)區(qū)間，單片機(jī)取出對(duì)應(yīng)10～20V區(qū)間的一組控制數(shù)據(jù)再次設(shè)定W1、W2的阻值，進(jìn)行這一10V范圍區(qū)間的精測(cè)。這里，如果用10位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，分辨率為10V/210=0.01V，測(cè)量結(jié)果是9.96V,再加上起始值10V，就得到19.96V的最后測(cè)量結(jié)果，輸出到顯示電路進(jìn)行顯示。對(duì)于本例，采用區(qū)間表原理測(cè)量，用同樣的A/D電路，比普通全量程0～100V電壓表分辨率提高了十倍，區(qū)間分的越小分辨率也越高。

應(yīng)用電路

高精度區(qū)間表可以用多種電路實(shí)現(xiàn)，在《高精度區(qū)間式電壓表》一文中，已經(jīng)介紹了區(qū)間表幾種基本應(yīng)用電路以及元器件的選用，在這里不再重復(fù)，有興趣的讀者可以查閱原文。這里主要對(duì)后續(xù)電路和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題進(jìn)行介紹。

電壓基準(zhǔn)源IC1用LM385B-1.2，溫度系數(shù)±20 ppm/℃，靜態(tài)電流為20μA。IC2采用集成儀表放大器AD623，可以通過(guò)一只電阻調(diào)整放大器增益，增益范圍為1～1000；電源經(jīng)LM7805L穩(wěn)壓給各器件供電。單片機(jī)IC4采用PIC16FB872，2K的FLASH，6個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)化了外圍電路，低功耗，睡眠時(shí)電流僅幾微安。數(shù)據(jù)寄存器IC5為24C02，調(diào)零電位器W1用1/2MAX5453，W3用1/2MAX5453，另一個(gè)調(diào)零電位器W1′和增益調(diào)整電位器W2各用1/2MAX5451。主要參數(shù)：每一個(gè)器件中有兩個(gè)相互獨(dú)立的電位器，256個(gè)抽頭，工作電壓為+2.7～5.5V，耗電0.1μA，溫度系數(shù)35ppm/℃，總電阻MAX5453為50kΩ，MAX5451為10kΩ。所有電阻精度優(yōu)于1％，R1、R2、R3溫度系數(shù)小于50ppm/℃。

區(qū)間表設(shè)計(jì)測(cè)量范圍為0～50V，測(cè)量區(qū)間共分為51個(gè)，0～50V一個(gè)粗測(cè)區(qū)間，12位A/D轉(zhuǎn)換，分辨率為50V/212=0.012V； 0～50V范圍每1V±0.1V分一個(gè)區(qū)間，共50個(gè)區(qū)間，全量程分辨率為1V/212 =0.00024V。

設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題

1.最小測(cè)量電壓區(qū)間式電壓表測(cè)量的最小電壓不能從零伏開(kāi)始。由于運(yùn)放的負(fù)輸入端基準(zhǔn)電壓不為零，分壓后的正輸入端電壓不能低于負(fù)輸入端，最小也要從基準(zhǔn)值開(kāi)始。解決的辦法是在負(fù)輸入端增加一個(gè)數(shù)字電位器W3，測(cè)量從零起始的電壓時(shí)，W3置為零，使負(fù)輸入端基準(zhǔn)電壓為零，測(cè)量值大于基準(zhǔn)值的電壓時(shí)W3 置為最大值。

2.區(qū)間的劃分和標(biāo)定

①、對(duì)于具體應(yīng)用電路，不能像前邊舉例那樣區(qū)間與區(qū)間之間沒(méi)有交叉。實(shí)際應(yīng)用電路圖2中，各區(qū)間取±0.1V的交叉范圍為0～1.1V，0.9V～2.1V……49.9V～50V。其原因是由于粗測(cè)時(shí)，電路有比較大的誤差，對(duì)于處在區(qū)間臨界的被測(cè)電壓，粗測(cè)時(shí)有可能錯(cuò)誤判斷其所在區(qū)間。上邊在介紹測(cè)量過(guò)程的舉例中，被測(cè)電壓為19.96V，應(yīng)該在10～20V的區(qū)間，對(duì)于10位A/D的分辨率，粗測(cè)時(shí)的分辨率為100V/210=0.1V，有0.1V的誤差，19.96V有可能被判斷在20～30V的區(qū)間，精測(cè)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤。所以，區(qū)間與區(qū)間要有一定的交叉，交叉范圍的大小由粗測(cè)的誤差決定，適當(dāng)留有一定余量。

②、標(biāo)定區(qū)間可能不止一個(gè)。上面原理中提到，測(cè)量是按線性處理的，如果實(shí)際上非線性誤差較大又沒(méi)有用軟件修正，用平均的方法計(jì)算各區(qū)間W1 、W2 阻值是不行的。用逐段逼近法標(biāo)定多個(gè)區(qū)間是解決非線性問(wèn)題的一種方法。另外，在W3轉(zhuǎn)換點(diǎn)的兩個(gè)區(qū)間，由于斜率不同，也要分別標(biāo)定。

3.數(shù)字電位器對(duì)分辨率的影響 對(duì)于調(diào)零電位器W1 ，如果分區(qū)比較小、全量程范圍又比較大，就要求W1阻值既要大范圍變化，又要每一次變化的步長(zhǎng)小，分辨率為256的數(shù)字電位器有可能達(dá)不到要求。采用再串聯(lián)一個(gè)數(shù)字電位器W1′的辦法，用W1粗調(diào)，選用阻值大一些，例如100kΩ，解決阻值大范圍變化的問(wèn)題；W1′阻值小一些，例如選用10kΩ， W1′的變化占總阻值中比值很小，整個(gè)調(diào)零電阻變化率減小，解決分辨率的問(wèn)題。對(duì)于增益調(diào)整電位器W2 ，分辨率不夠出現(xiàn)增益誤差時(shí)，一般不用上述辦法，而用軟件的辦法來(lái)解決。當(dāng)W2有誤差時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中，把測(cè)量結(jié)果乘上一個(gè)修正系數(shù)。仍以舉例為例，假如標(biāo)定時(shí)標(biāo)準(zhǔn)電壓是20.50V，由于誤差，標(biāo)定時(shí)測(cè)量結(jié)果為20.20V，為負(fù)誤差，滿刻度修正系數(shù) =1+（標(biāo)準(zhǔn)電壓-測(cè)量值）/標(biāo)準(zhǔn)電壓=1+(20.50-20.20)/20.50=1.0146341。

實(shí)際值=測(cè)量值×修正系數(shù)=20.20×1.0146341=20.495608（V）。

采用軟件通過(guò)計(jì)算修正測(cè)量結(jié)果的誤差，滿刻度有0.0043V的誤差。

4.測(cè)量精度由實(shí)例可以看出，電路元器件的分辨率沒(méi)有變，但區(qū)間分得越小，測(cè)量結(jié)果的分辨率越高，精度也越高。要達(dá)到需要的精度，首先通過(guò)計(jì)算確定區(qū)間的大?。黄浯危瑴y(cè)量精度同時(shí)與整個(gè)系統(tǒng)有關(guān)，包括A/D的分辨率、線性數(shù)字電位器的分辨率、基準(zhǔn)電壓源和其它元器件的線性、精度、溫漂、噪聲等；另外，如果用做專(zhuān)用儀表，對(duì)特定信號(hào)源的非線性誤差的影響也要考慮，進(jìn)行綜合選擇和分析計(jì)算，達(dá)到要求的精度。對(duì)于非線性誤差、溫度漂移以及失調(diào)電壓使放大器輸入時(shí)輸出不為零，用軟件補(bǔ)償和修正也是提高精度一種較好的方法。

5.采樣速度由測(cè)量過(guò)程可知，對(duì)數(shù)字電位器的設(shè)定、粗測(cè)和精測(cè)、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、顯示，都需要耗費(fèi)一定時(shí)間，一般在需要顯示測(cè)量結(jié)果的應(yīng)用中，采樣速度每秒幾次是能夠滿足的。實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)的運(yùn)用就要考慮采樣速度的影響。通過(guò)提高CPU工作頻率、用高速A/D轉(zhuǎn)換器、用可編程數(shù)字電位器等以及改進(jìn)軟件來(lái)提高采樣速度。

6.標(biāo)定方法要編一段標(biāo)定子程序以便標(biāo)定時(shí)調(diào)用，程序框圖見(jiàn)圖3。標(biāo)定時(shí)有兩個(gè)控制鍵K1、K2。K1為進(jìn)入設(shè)置和確認(rèn)鍵，K2為置數(shù)鍵。K1按下時(shí)間大于3秒，進(jìn)入標(biāo)定子程序進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定過(guò)程需要手動(dòng)輸入一些參數(shù)以及輸入高一個(gè)精度的標(biāo)準(zhǔn)電壓，按照約定的提示顯示，依次進(jìn)行起始值、終止值的輸入，從低位到高位逐位進(jìn)行，用K2進(jìn)行加計(jì)數(shù)置數(shù)，每完成一位按K1鍵確認(rèn)，進(jìn)入下一位到置數(shù)全部完成。按照提示，給定起始和終止標(biāo)準(zhǔn)電壓，完成一個(gè)區(qū)間標(biāo)定。如果標(biāo)定不止一個(gè)區(qū)間，按照提示，輸入一個(gè)不等于零的數(shù)，繼續(xù)下一區(qū)間標(biāo)定或退出，直至標(biāo)定全部完成。程序框圖中，計(jì)算W1 、W1′、W2 、W3 ，是為了給數(shù)字電位器一個(gè)接近真實(shí)值的初始值，按照輸入的起始值和終止值、基準(zhǔn)電壓值，計(jì)算出放大器正輸入端分壓值和放大器的增益，確定各數(shù)字電位器的初始值，雖然有一定的誤差，但不影響標(biāo)定，在標(biāo)定中自動(dòng)進(jìn)行最后修正。

7.數(shù)字電位器數(shù)字電位器的主要參數(shù)有分辨率、功耗、速度、精度、阻值等。用可編程非易失性或串行口編程置位方式，要快于用脈沖置位方式。數(shù)字電位器的生產(chǎn)廠家、型號(hào)種類(lèi)很多，具體請(qǐng)查閱有關(guān)資料和網(wǎng)站。

8.A/D模、數(shù)轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換電路的精度和功耗根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，如果對(duì)速度有要求，要選擇高速類(lèi)型。選用帶有A/D電路的單片機(jī)可以簡(jiǎn)化電路。

9.供電電源整個(gè)電路的電源應(yīng)采用穩(wěn)壓電源，以保證電路穩(wěn)定工作，電路的功耗較小，尤其是選用低功耗元器件時(shí)，整個(gè)表的耗電比較低，完全能用電池經(jīng)穩(wěn)壓供電，或用電池經(jīng)DC-DC電路穩(wěn)壓供電。

運(yùn)用以上原理，在嵌入系統(tǒng)對(duì)各種電量測(cè)量中變通應(yīng)用，同樣能夠極大地提高測(cè)量精度。