趙群

摘 要： 儀器儀表數(shù)據(jù)采集之前，往往需要經(jīng)過(guò)量程控制電路衰減或放大，使其電壓處于適合于取得較高A/D轉(zhuǎn)換精度的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)儀器儀表量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高測(cè)量?jī)x器儀表智能化程度。

關(guān)鍵字： 量程自動(dòng)控制； CD4051； 多路選擇器； A/D轉(zhuǎn)換

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0140?03

0 引 言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是單片機(jī)的普及使用，推動(dòng)了儀器儀表向著集成化、小型化、智能化發(fā)展。其中儀器儀表量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)就是突出的表現(xiàn)，傳統(tǒng)儀器儀表量程選擇以人為手動(dòng)為主，使用中不同量程間轉(zhuǎn)換頻繁極易損壞儀器儀表中機(jī)械部件，甚至可能造成測(cè)量誤差影響測(cè)量結(jié)果。新型儀器儀表量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換解決了這個(gè)難題，利用單片機(jī)控制完成量程選擇，不需要人為干預(yù)自動(dòng)對(duì)被測(cè)量選擇合適的量程，保護(hù)設(shè)備不被人為操作損壞。使測(cè)量?jī)x器儀表具有智能化特性，真正實(shí)現(xiàn)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的智能化測(cè)量，減輕使用人員工作負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器完成對(duì)量程自動(dòng)控制。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 通道模擬多路選擇器CD4051

CD4051最大的特點(diǎn)就是能選通模擬信號(hào)和實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的選擇和分配，也就是說(shuō)模擬信號(hào)除了能從X0～X7進(jìn)入CD4051而選擇惟一輸出外，還能從CD4051的第3管腳X輸入，而從X0～X7管腳某一路輸出。可見(jiàn)CD4051是一個(gè)雙向輸入、輸出型器件，而且它能選通的模擬信號(hào)的最大峰?峰值[VP-P=]15 V，非常適用于多通道信號(hào)選通/分配的場(chǎng)合。

如果在CD4051的X0～X7端連接不同阻值的電阻，如圖1所示，把這些電阻另一端一同連接到放大器模型的反相輸入端，而CD4051的X端與放大器模型的輸出端連接，CD4051和8個(gè)電阻相當(dāng)于放大器的反饋電阻[Rf。]這時(shí)，如果CD4051的地址線A、B、C在單片機(jī)I/O口的控制下每次只選通某一通道，這樣不同阻值的電阻在某次選通下成為了放大器模型的反饋電阻，因?yàn)檫@些電阻阻值有所不同，所以在不同地址線信號(hào)的控制下，放大器具有了不同的增益。

1.2 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換

在多通道信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中，多個(gè)通道可通過(guò)CD4051實(shí)現(xiàn)某一通道信號(hào)的選通，這個(gè)被選通的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大等處理后至A/D進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。由于各個(gè)傳感器的輸入信號(hào)幅度不同，例如，傳感器2所測(cè)量的物理量對(duì)應(yīng)電信號(hào)輸出范圍為10～50 mV，而傳感器6所測(cè)量的物理量可能對(duì)應(yīng)輸出范圍為l00～200 mV。這樣就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，某些傳感器最大的輸出電平還沒(méi)有其他傳感器最小的輸出電平大，而放大器的職責(zé)是把傳感器的最大信號(hào)盡可能地放大到貼近A/D輸入的最大值，以獲得A/D轉(zhuǎn)換的最大分辨率。

這種放大器只有一種放大倍數(shù)顯然是不能完美地應(yīng)付不同幅度范圍信號(hào)放大問(wèn)題的。

即便對(duì)于單通道的信號(hào)，如果該信號(hào)的變化范圍很大，若放大器只有一種放大倍數(shù)，也常會(huì)出現(xiàn)小信號(hào)得不到盡可能高的放大倍數(shù)而喪失A/D轉(zhuǎn)換精度的問(wèn)題。這就是圖1使用了兩個(gè)CD4051的原因，一個(gè)用來(lái)切換通道，另一個(gè)用來(lái)調(diào)整放大器的增益。

量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的方法與圖1所示的方法是一致的，即在模擬信號(hào)通道中設(shè)置增益可控的放大器，借助量程轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，使量程根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖2所示為單通道數(shù)據(jù)采集量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的硬件電路，圖中量程控制部分使用CD4051來(lái)調(diào)整反饋電阻的阻值，當(dāng)P1.1=P1.0=0時(shí)，CD4051的X0與X連通，此時(shí)，放大器的放大倍數(shù)為1，相當(dāng)于一個(gè)跟隨器。

4 結(jié) 語(yǔ)

以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)多種儀器儀表量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，為儀器儀表數(shù)據(jù)采集做好準(zhǔn)備，具有集成化、智能化、簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。本系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是利用單片機(jī)進(jìn)行核心控制，在整個(gè)工作過(guò)程中改變單片機(jī)程序可以使控制方式多樣化，并可以單片機(jī)為核心添加數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示，過(guò)程控制等單元，為下一步的擴(kuò)展留有空間。

參考文獻(xiàn)

[1] 張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

[2] 龔尚福，朱宇.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[3] 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[4] 柴鈺，劉曉榮，楊良煜.QTH?2008XS單片機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)[M].西安：西安科技大學(xué)出版社，2007.

[5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6] 沙占友，沙江.數(shù)字萬(wàn)用表功能擴(kuò)展與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[7] 沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[8] 朱齊嬡，莫長(zhǎng)江.單片機(jī)控制自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（5）：47?49.

[9] 凌志浩.智能儀表原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2003.

[10] 郭志友，孫慧卿.自動(dòng)換量限的數(shù)字萬(wàn)用表[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004（1）：96?98.

摘 要： 儀器儀表數(shù)據(jù)采集之前，往往需要經(jīng)過(guò)量程控制電路衰減或放大，使其電壓處于適合于取得較高A/D轉(zhuǎn)換精度的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)儀器儀表量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高測(cè)量?jī)x器儀表智能化程度。

關(guān)鍵字： 量程自動(dòng)控制； CD4051； 多路選擇器； A/D轉(zhuǎn)換

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0140?03

0 引 言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是單片機(jī)的普及使用，推動(dòng)了儀器儀表向著集成化、小型化、智能化發(fā)展。其中儀器儀表量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)就是突出的表現(xiàn)，傳統(tǒng)儀器儀表量程選擇以人為手動(dòng)為主，使用中不同量程間轉(zhuǎn)換頻繁極易損壞儀器儀表中機(jī)械部件，甚至可能造成測(cè)量誤差影響測(cè)量結(jié)果。新型儀器儀表量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換解決了這個(gè)難題，利用單片機(jī)控制完成量程選擇，不需要人為干預(yù)自動(dòng)對(duì)被測(cè)量選擇合適的量程，保護(hù)設(shè)備不被人為操作損壞。使測(cè)量?jī)x器儀表具有智能化特性，真正實(shí)現(xiàn)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的智能化測(cè)量，減輕使用人員工作負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器完成對(duì)量程自動(dòng)控制。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 通道模擬多路選擇器CD4051

CD4051最大的特點(diǎn)就是能選通模擬信號(hào)和實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的選擇和分配，也就是說(shuō)模擬信號(hào)除了能從X0～X7進(jìn)入CD4051而選擇惟一輸出外，還能從CD4051的第3管腳X輸入，而從X0～X7管腳某一路輸出?？梢?jiàn)CD4051是一個(gè)雙向輸入、輸出型器件，而且它能選通的模擬信號(hào)的最大峰?峰值[VP-P=]15 V，非常適用于多通道信號(hào)選通/分配的場(chǎng)合。

如果在CD4051的X0～X7端連接不同阻值的電阻，如圖1所示，把這些電阻另一端一同連接到放大器模型的反相輸入端，而CD4051的X端與放大器模型的輸出端連接，CD4051和8個(gè)電阻相當(dāng)于放大器的反饋電阻[Rf。]這時(shí)，如果CD4051的地址線A、B、C在單片機(jī)I/O口的控制下每次只選通某一通道，這樣不同阻值的電阻在某次選通下成為了放大器模型的反饋電阻，因?yàn)檫@些電阻阻值有所不同，所以在不同地址線信號(hào)的控制下，放大器具有了不同的增益。

1.2 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換

在多通道信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中，多個(gè)通道可通過(guò)CD4051實(shí)現(xiàn)某一通道信號(hào)的選通，這個(gè)被選通的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大等處理后至A/D進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。由于各個(gè)傳感器的輸入信號(hào)幅度不同，例如，傳感器2所測(cè)量的物理量對(duì)應(yīng)電信號(hào)輸出范圍為10～50 mV，而傳感器6所測(cè)量的物理量可能對(duì)應(yīng)輸出范圍為l00～200 mV。這樣就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，某些傳感器最大的輸出電平還沒(méi)有其他傳感器最小的輸出電平大，而放大器的職責(zé)是把傳感器的最大信號(hào)盡可能地放大到貼近A/D輸入的最大值，以獲得A/D轉(zhuǎn)換的最大分辨率。

這種放大器只有一種放大倍數(shù)顯然是不能完美地應(yīng)付不同幅度范圍信號(hào)放大問(wèn)題的。

即便對(duì)于單通道的信號(hào)，如果該信號(hào)的變化范圍很大，若放大器只有一種放大倍數(shù)，也常會(huì)出現(xiàn)小信號(hào)得不到盡可能高的放大倍數(shù)而喪失A/D轉(zhuǎn)換精度的問(wèn)題。這就是圖1使用了兩個(gè)CD4051的原因，一個(gè)用來(lái)切換通道，另一個(gè)用來(lái)調(diào)整放大器的增益。

量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的方法與圖1所示的方法是一致的，即在模擬信號(hào)通道中設(shè)置增益可控的放大器，借助量程轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，使量程根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖2所示為單通道數(shù)據(jù)采集量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的硬件電路，圖中量程控制部分使用CD4051來(lái)調(diào)整反饋電阻的阻值，當(dāng)P1.1=P1.0=0時(shí)，CD4051的X0與X連通，此時(shí)，放大器的放大倍數(shù)為1，相當(dāng)于一個(gè)跟隨器。

4 結(jié) 語(yǔ)

以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)多種儀器儀表量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，為儀器儀表數(shù)據(jù)采集做好準(zhǔn)備，具有集成化、智能化、簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。本系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是利用單片機(jī)進(jìn)行核心控制，在整個(gè)工作過(guò)程中改變單片機(jī)程序可以使控制方式多樣化，并可以單片機(jī)為核心添加數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示，過(guò)程控制等單元，為下一步的擴(kuò)展留有空間。

參考文獻(xiàn)

[1] 張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

[2] 龔尚福，朱宇.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[3] 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[4] 柴鈺，劉曉榮，楊良煜.QTH?2008XS單片機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)[M].西安：西安科技大學(xué)出版社，2007.

[5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6] 沙占友，沙江.數(shù)字萬(wàn)用表功能擴(kuò)展與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[7] 沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[8] 朱齊嬡，莫長(zhǎng)江.單片機(jī)控制自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（5）：47?49.

[9] 凌志浩.智能儀表原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2003.

[10] 郭志友，孫慧卿.自動(dòng)換量限的數(shù)字萬(wàn)用表[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004（1）：96?98.

摘 要： 儀器儀表數(shù)據(jù)采集之前，往往需要經(jīng)過(guò)量程控制電路衰減或放大，使其電壓處于適合于取得較高A/D轉(zhuǎn)換精度的范圍之內(nèi)。系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)儀器儀表量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換過(guò)程，提高測(cè)量?jī)x器儀表智能化程度。

關(guān)鍵字： 量程自動(dòng)控制； CD4051； 多路選擇器； A/D轉(zhuǎn)換

中圖分類(lèi)號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0140?03

0 引 言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是單片機(jī)的普及使用，推動(dòng)了儀器儀表向著集成化、小型化、智能化發(fā)展。其中儀器儀表量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換技術(shù)就是突出的表現(xiàn)，傳統(tǒng)儀器儀表量程選擇以人為手動(dòng)為主，使用中不同量程間轉(zhuǎn)換頻繁極易損壞儀器儀表中機(jī)械部件，甚至可能造成測(cè)量誤差影響測(cè)量結(jié)果。新型儀器儀表量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換解決了這個(gè)難題，利用單片機(jī)控制完成量程選擇，不需要人為干預(yù)自動(dòng)對(duì)被測(cè)量選擇合適的量程，保護(hù)設(shè)備不被人為操作損壞。使測(cè)量?jī)x器儀表具有智能化特性，真正實(shí)現(xiàn)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的智能化測(cè)量，減輕使用人員工作負(fù)擔(dān)。本系統(tǒng)利用單片機(jī)與多路選擇器及A/D轉(zhuǎn)換器完成對(duì)量程自動(dòng)控制。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 通道模擬多路選擇器CD4051

CD4051最大的特點(diǎn)就是能選通模擬信號(hào)和實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的選擇和分配，也就是說(shuō)模擬信號(hào)除了能從X0～X7進(jìn)入CD4051而選擇惟一輸出外，還能從CD4051的第3管腳X輸入，而從X0～X7管腳某一路輸出?？梢?jiàn)CD4051是一個(gè)雙向輸入、輸出型器件，而且它能選通的模擬信號(hào)的最大峰?峰值[VP-P=]15 V，非常適用于多通道信號(hào)選通/分配的場(chǎng)合。

如果在CD4051的X0～X7端連接不同阻值的電阻，如圖1所示，把這些電阻另一端一同連接到放大器模型的反相輸入端，而CD4051的X端與放大器模型的輸出端連接，CD4051和8個(gè)電阻相當(dāng)于放大器的反饋電阻[Rf。]這時(shí)，如果CD4051的地址線A、B、C在單片機(jī)I/O口的控制下每次只選通某一通道，這樣不同阻值的電阻在某次選通下成為了放大器模型的反饋電阻，因?yàn)檫@些電阻阻值有所不同，所以在不同地址線信號(hào)的控制下，放大器具有了不同的增益。

1.2 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換

在多通道信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中，多個(gè)通道可通過(guò)CD4051實(shí)現(xiàn)某一通道信號(hào)的選通，這個(gè)被選通的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大等處理后至A/D進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。由于各個(gè)傳感器的輸入信號(hào)幅度不同，例如，傳感器2所測(cè)量的物理量對(duì)應(yīng)電信號(hào)輸出范圍為10～50 mV，而傳感器6所測(cè)量的物理量可能對(duì)應(yīng)輸出范圍為l00～200 mV。這樣就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，某些傳感器最大的輸出電平還沒(méi)有其他傳感器最小的輸出電平大，而放大器的職責(zé)是把傳感器的最大信號(hào)盡可能地放大到貼近A/D輸入的最大值，以獲得A/D轉(zhuǎn)換的最大分辨率。

這種放大器只有一種放大倍數(shù)顯然是不能完美地應(yīng)付不同幅度范圍信號(hào)放大問(wèn)題的。

即便對(duì)于單通道的信號(hào)，如果該信號(hào)的變化范圍很大，若放大器只有一種放大倍數(shù)，也常會(huì)出現(xiàn)小信號(hào)得不到盡可能高的放大倍數(shù)而喪失A/D轉(zhuǎn)換精度的問(wèn)題。這就是圖1使用了兩個(gè)CD4051的原因，一個(gè)用來(lái)切換通道，另一個(gè)用來(lái)調(diào)整放大器的增益。

量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的方法與圖1所示的方法是一致的，即在模擬信號(hào)通道中設(shè)置增益可控的放大器，借助量程轉(zhuǎn)換控制信號(hào)，使量程根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2 量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

圖2所示為單通道數(shù)據(jù)采集量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的硬件電路，圖中量程控制部分使用CD4051來(lái)調(diào)整反饋電阻的阻值，當(dāng)P1.1=P1.0=0時(shí)，CD4051的X0與X連通，此時(shí)，放大器的放大倍數(shù)為1，相當(dāng)于一個(gè)跟隨器。

4 結(jié) 語(yǔ)

以本系統(tǒng)為基礎(chǔ)可以實(shí)現(xiàn)多種儀器儀表量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，為儀器儀表數(shù)據(jù)采集做好準(zhǔn)備，具有集成化、智能化、簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。本系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是利用單片機(jī)進(jìn)行核心控制，在整個(gè)工作過(guò)程中改變單片機(jī)程序可以使控制方式多樣化，并可以單片機(jī)為核心添加數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)顯示，過(guò)程控制等單元，為下一步的擴(kuò)展留有空間。

參考文獻(xiàn)

[1] 張毅坤，陳善久，裘雪紅.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1998.

[2] 龔尚福，朱宇.微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.

[3] 于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

[4] 柴鈺，劉曉榮，楊良煜.QTH?2008XS單片機(jī)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)[M].西安：西安科技大學(xué)出版社，2007.

[5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6] 沙占友，沙江.數(shù)字萬(wàn)用表功能擴(kuò)展與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[7] 沙占友.新型數(shù)字電壓表原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999.

[8] 朱齊嬡，莫長(zhǎng)江.單片機(jī)控制自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)[J].淮陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005（5）：47?49.

[9] 凌志浩.智能儀表原理與設(shè)計(jì)技術(shù)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2003.

[10] 郭志友，孫慧卿.自動(dòng)換量限的數(shù)字萬(wàn)用表[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2004（1）：96?98.