自動(dòng)量程切換電壓測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試過程中，電壓測(cè)量往往是一個(gè)測(cè)控或測(cè)量系統(tǒng)中不可缺的項(xiàng)目。對(duì)于電壓測(cè)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(cè)量并不困難。但當(dāng)被測(cè)量在寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)變化時(shí)，例如從mV級(jí)甚至μV級(jí)到V級(jí)，做到測(cè)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(cè)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(cè)量的實(shí)時(shí)性，測(cè)量時(shí)不可能變換測(cè)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)。

1 電壓測(cè)量原理及系統(tǒng)組成

為了對(duì)不同量級(jí)的電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)輸入信號(hào)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(hào)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(jí)，通過通道選擇開關(guān)，控制前級(jí)放大器的增益系數(shù)，使其輸出符合后級(jí)ADC的輸入電平要求。再通過MCU對(duì)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(cè)量的起始狀態(tài)，默認(rèn)狀態(tài)下為一直處于測(cè)量狀態(tài)。為消除信道在不同溫度、濕度等狀態(tài)下對(duì)測(cè)量的影響，增加了基準(zhǔn)電壓自校準(zhǔn)功能，其測(cè)量系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路

2.1 前級(jí)程控放大電路

由于輸入信號(hào)最小為μV級(jí)，對(duì)于前級(jí)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(shì)，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1μV，失調(diào)電壓漂移小于0.005μV/℃，噪聲僅為0.5μV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(duì)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。

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。

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(chǔ)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(chǔ)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(cè)量。測(cè)量時(shí)啟動(dòng)A/D后，首先選擇最大量程對(duì)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(duì)相應(yīng)量程的計(jì)算，得到測(cè)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(chǔ)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。

3.2 通道自校準(zhǔn)

為了消除信道給測(cè)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(duì)基準(zhǔn)電壓和待測(cè)電壓在相同信道中的測(cè)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(jí)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(hào)為VX，經(jīng)過測(cè)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(cè)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：

由此推算得到真實(shí)的測(cè)量值為：

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(cè)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(cè)量值之一，也是諸多非電子傳感器轉(zhuǎn)換為電子測(cè)量時(shí)最常用的物理量。其快速準(zhǔn)確測(cè)量無論是對(duì)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還是對(duì)各種物理信號(hào)的測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，能在較寬電平范圍內(nèi)準(zhǔn)確地測(cè)量其電壓值。此外采用基準(zhǔn)電壓測(cè)量，最大限度地減小信道對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來的誤差。