顧 江

摘 要:電壓測量是電子系統(tǒng)中不可或缺的一項(xiàng)技術(shù),隨著待測電壓動(dòng)態(tài)范圍的急劇擴(kuò)大,需要能實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換的測量方法。提出一種自動(dòng)量程切換電壓測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,該系統(tǒng)基于程控增益放大器器件,使用單片機(jī)控制其增益實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。針對信道誤差、溫度漂移等問題,采用通道自校準(zhǔn)技術(shù),降低了信道對于測量的誤差。通過對實(shí)際軟硬件的測試表明,該系統(tǒng)能準(zhǔn)確根據(jù)大小信號調(diào)整量程,并對系統(tǒng)及環(huán)境誤差有一定的抗干擾能力。

關(guān)鍵詞:程控放大器;單片機(jī);自動(dòng)量程切換;基準(zhǔn)電壓

中圖分類號:TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)21-147-02

Design of Voltage Measurement System with Self-scale

GU Jiang

(Changshu Institute of Technology,Changshu,215500,China)

Abstract:It is significant of the voltage measurement in the present electronical system.With expanding of the dynamic range,a method owning the slef-scale is urgently required.It presents a system of voltage measurement with self-scale,based on the program control amplifier controlled by the single chip computer.Otherwise,the errors induced by the measurement channel and the temperature drift are depressed using the self-calibration technology.The examination shows that the system can adjust its measurement scale and has a certain anti-jamming capability.

Keywords:program control amplifier;single chip computer;self-scale;voltage reference

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試過程中,電壓測量往往是一個(gè)測控或測量系統(tǒng)中不可缺的項(xiàng)目。對于電壓測量,若其在一個(gè)小動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化,則無論電平高低,要做到精確測量并不困難。但當(dāng)被測量在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化時(shí),例如從mV級甚至μV級到V級,做到測量誤差均勻的控制在一定范圍之內(nèi),常用的方式是切換量程,即指定測量范圍,例如常用的數(shù)字電壓表等儀器。然而在許多情況下為了保證測量的實(shí)時(shí)性,測量時(shí)不可能變換測量通道的量程,因此要在整個(gè)電壓變化范圍內(nèi)做到精確測量就凸顯出其重要性。本文基于MCU AT89C51控制,實(shí)現(xiàn)了一種自動(dòng)量程切換的電壓測試系統(tǒng)。

1 電壓測量原理及系統(tǒng)組成

為了對不同量級的電壓信號進(jìn)行測量,對輸入信號進(jìn)行放大時(shí)就不能采用相同的增益倍數(shù)。系統(tǒng)要求能根據(jù)不同信號幅值,自動(dòng)選擇相適應(yīng)的增益倍數(shù)。在本方案中采用單片機(jī)判斷輸入電平的量級,通過通道選擇開關(guān),控制前級放大器的增益系數(shù),使其輸出符合后級ADC的輸入電平要求。再通過MCU對采樣結(jié)果計(jì)算分析,將得到的結(jié)果顯示在LED顯示器上,可以通過按鍵控制測量的起始狀態(tài),默認(rèn)狀態(tài)下為一直處于測量狀態(tài)。為消除信道在不同溫度、濕度等狀態(tài)下對測量的影響,增加了基準(zhǔn)電壓自校準(zhǔn)功能,其測量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 前級程控放大電路

由于輸入信號最小為μV級,對于前級放大器的要求很高,需要有合適的溫度系數(shù)、噪聲系數(shù)等。目前一些方案中多數(shù)采用斬波放大器。本文采用ADI公司的具有超低失調(diào)、超低漂移和偏置電流特性的寬帶自穩(wěn)零放大器AD8628,可提供自穩(wěn)零或斬波穩(wěn)定放大器才具有的特性優(yōu)勢,將低成本與高精度、低噪聲特性融于一體。AD8628的失調(diào)電壓僅為1 μV,失調(diào)電壓漂移小于0.005 μV/℃,噪聲僅為0.5 μV峰峰值,因而適合不容許存在誤差源的應(yīng)用。其在工作溫度范圍內(nèi)的漂移接近零,對位置和壓力傳感器、醫(yī)療設(shè)備以及應(yīng)變計(jì)放大器應(yīng)用極為有利,可以利用AD8628提供的軌到軌輸入和輸出擺幅能力,以降低輸入偏置復(fù)雜度,并使信噪比達(dá)到最大。具體電路如圖2所示。

圖2 前級程控放大器

該部分中,實(shí)現(xiàn)增益控制主要依靠通道選擇,本方案中采用四通道選擇器ADG804,該器件導(dǎo)通電阻小于0.8 Ω,單電源供電,封裝小,溫度適應(yīng)性強(qiáng),通過地址線A0和A1選擇導(dǎo)通路。單片機(jī)I/O口送數(shù)至ADG804的地址輸入端,選擇不同的反饋電阻值Rf,通過式(1)得到不同的放大增益系數(shù)G,進(jìn)而確定事先定義的不同檔位的切換。

G=Vo/Vi=Rf/Ri

(1)

2.2 ADC變換電路

選擇使用AD775作為本方案中的A/D變換器。AD775是一款CMOS、低功耗、8位、20 MSPS采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),內(nèi)置采樣功能和片內(nèi)基準(zhǔn)電壓偏置電阻,可提供完整8位ADC解決方案。它采用流水線式或乒乓兩步式FLASH架構(gòu),可提供最高35 MHz的采樣速率,同時(shí)保持極低的功耗(60 mW)。該器件融合了出色的微分非線性(DNL)、高采樣速率、低差分增益與相位誤差、極低功耗以及+5 V單電源工作等特性,其參考電阻可采用多種配置方式進(jìn)行連接,以處理不同的輸入范圍。與傳統(tǒng)的FLASH型轉(zhuǎn)換器相比,低輸入電容提供易于驅(qū)動(dòng)的輸入負(fù)載。

圖3給出ADC的外圍電路以及和MCU數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B接關(guān)系。

圖3 ADC電路MCU連接

2.3 MCU系統(tǒng)電路

方案中采用Atmel公司的AT89S52,帶8 KB閃速可編程可擦除制存儲器(PEROM)及低電壓,高性能CMOS微控制器。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個(gè)芯片中,AT89S52是一種高效微控制器,為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。采用單片機(jī)P0口直接驅(qū)動(dòng)紅色LED,5 V供電,采用共陽數(shù)碼管,上拉電阻取1 kΩ。共采用三個(gè)數(shù)碼管,動(dòng)態(tài)掃描式顯示。單片機(jī)系統(tǒng)圖省略。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集及量程切換

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)特定的功能。系統(tǒng)軟件包括主程序、定時(shí)中斷程序和一系列功能子程序。上電后程序初始化,進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài),顯示待機(jī)界面等待測量。測量時(shí)啟動(dòng)A/D后,首先選擇最大量程對外部數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣計(jì)算并判斷,確定合適的量程。切換量程后再次采樣,記錄得到的數(shù)據(jù),通過相應(yīng)對相應(yīng)量程的計(jì)算,得到測量的電壓。如果需要,MCU可與微型打印機(jī)通過并口連接,將存儲于RAM中的電壓歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)打印出來,作為資料存檔保留,系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

3.2 通道自校準(zhǔn)

為了消除信道給測量帶來的誤差,在電路和程序中增加了自校準(zhǔn)部分。其主要原理是通過比對基準(zhǔn)電壓和待測電壓在相同信道中的測量值,進(jìn)一步消除系統(tǒng)信道帶來的誤差?；鶞?zhǔn)電壓通過穩(wěn)壓器件和一系列分壓電阻得到一組不同量級且高精度的電壓基準(zhǔn)源,設(shè)置為1 mV,10 mV,50 mV,100 mV,500 mV,1 V等。設(shè)某通道的輸入信號為VX,經(jīng)過測量得到的結(jié)果為V′X;選擇合適的量程范圍,選擇距離此范圍最接近的基準(zhǔn)電壓

VS1和VS2,經(jīng)過同樣的信道測量的結(jié)果為V′S1和

V′S2,那么根據(jù)相似性原理可以得到:

VX-

V′S2

V′X

-

V′S2

=

VS1-VS2

V′S1

-

V′S2

(2)

由此推算得到真實(shí)的測量值為:

VX=

VS1

-VS2V′S1-V′S2(V′X-V′S2)+VS2

(3)

通過在線基準(zhǔn)電壓校準(zhǔn)從根本上消除了放大、濾波等環(huán)節(jié)由于器件參數(shù)分散性所引入的單向偏差問題,使測量系統(tǒng)的精度得到進(jìn)一步的提升。

4 結(jié) 語

電壓是電子系統(tǒng)中最基本的測量值之一,也是諸多非電子傳感器轉(zhuǎn)換為電子測量時(shí)最常用的物理量。 其快速準(zhǔn)確測量無論是對于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì),還是對各種物理信號的測量,都有極其重要的意義。本文實(shí)現(xiàn)了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)量程切換的電壓測量系統(tǒng),能在較寬電平范圍內(nèi)準(zhǔn)確地測量其電壓值。此外采用基準(zhǔn)電壓測量,最大限度地減小信道對測量結(jié)果帶來的誤差。

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