高精度電壓比測(cè)量方法

在許多測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)常要進(jìn)行電壓比的測(cè)量， 即V1/V2，如非線性系數(shù)的測(cè)量,通常的測(cè)量方法是模擬量經(jīng)多路A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行高精度浮點(diǎn)計(jì)算，這樣既要求A/D轉(zhuǎn)換要有較高的精度，又要求單片機(jī)要進(jìn)行高精度的浮點(diǎn)運(yùn)算。我們采用了MAX7135芯片即實(shí)現(xiàn)了高精度的A/D轉(zhuǎn)換，又進(jìn)行了電壓比的計(jì)算，單片機(jī)僅需要簡(jiǎn)單的浮點(diǎn)運(yùn)算就可直接得到V1/V2的比值。

MAXIM ICL7135是CMOS單片位(十進(jìn)制)雙積分型高精度A/D轉(zhuǎn)換器，除基準(zhǔn)電壓、顯示驅(qū)動(dòng)器和時(shí)鐘之外，它包括雙積分式轉(zhuǎn)換器所需的全部有源器件，具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。MAXIM ICL7135的封裝形式為DIP28， ICL7135每個(gè)測(cè)量周期包括三個(gè)階段：從啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換開始為“自動(dòng)校零(A/Z)”階段，時(shí)間長(zhǎng)度固定為10001TCL， TCL為外加時(shí)鐘周期；其后為對(duì)被測(cè)電壓信號(hào)積分(INT)階段，持續(xù)時(shí)間10000TCL；最后為對(duì)基準(zhǔn)電壓反向積分(DE)階段，持續(xù)的時(shí)間與被測(cè)電壓信號(hào)大小有關(guān)，最大為20001 TCL。一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換周期需要40002個(gè)時(shí)鐘脈沖，如圖1所示。

直流電壓比通常的測(cè)量方法是將兩模擬量V1、V2分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，再進(jìn)行浮點(diǎn)除運(yùn)算，這樣做不僅實(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜，速度慢，而且兩次測(cè)量后再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理將會(huì)產(chǎn)生積累誤差，影響精度。我們采用一片MAXIM ICL7135芯片，經(jīng)一個(gè)測(cè)量周期后可直接得到V1/V2的值。

根據(jù)雙積分ADC的原理：調(diào)零階段后，首先對(duì)被測(cè)模擬信號(hào)V1積分(采樣階段)，即對(duì)積分電容CINT充電，經(jīng)過時(shí)間t1后，有

（1）式中NTCL即為t1，TCL為時(shí)鐘脈沖的振蕩周期，對(duì)于MAXIM ICL7135，N為10000；然后對(duì)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行反積分(測(cè)量階段），因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓VREF與被測(cè)電壓V1極性相反，于是使CINT放電，經(jīng)過t2時(shí)間后，有

（2）式中NX TCL即為t2，TCL為時(shí)鐘脈沖的振蕩周期，NX為時(shí)鐘脈沖的計(jì)數(shù)值。由式（1）（2）可得：

（3）根據(jù)式（3），若我們把被測(cè)模擬電壓V2作為基準(zhǔn)電壓(VREF)輸入，則可得V1/V2即為采樣階段和測(cè)量階段所需的振蕩脈沖個(gè)數(shù)之比。由圖1可知，當(dāng)被測(cè)電壓V1積分階段一開始，BUSY端即輸出高電平，并一直維持到積分器過零后的第一個(gè)振蕩脈沖(在過量程時(shí)，其高電平保持到轉(zhuǎn)換周期結(jié)束)。所以只要測(cè)出BUSY信號(hào)維持為高電平期間振蕩脈沖的個(gè)數(shù)，而N=10000，則可得NX。

直流電壓比的實(shí)用測(cè)量電路如圖2，由單片機(jī)AT89C2051、A/D轉(zhuǎn)換器MAXIM ICL7135和顯示電路(圖中未畫出)組成。將R/H與P1．0連接，實(shí)現(xiàn)程序啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。BUSY信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)CLK經(jīng)過與非門連到P3．4(T0)引腳，使AT89C2051內(nèi)部定時(shí)器T0對(duì)時(shí)鐘信號(hào)CLK與BUSY信號(hào)向與后進(jìn)行計(jì)數(shù)，則可得NX，也就可得V1/V2。STB信號(hào)連到P3。2作為單片機(jī)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束的判斷。

若單片機(jī)的fOSC=12MHz，則ALE引腳輸出的2MHz信號(hào)經(jīng)74LS161構(gòu)成的8分頻電路，得到頻率為250KHz的信號(hào)作為MAXIM ICL7135的時(shí)鐘。本電路測(cè)量范圍：V1/V2<2(0.0000～1.9999)。

主程序完成初始化、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)顯示，AT89C2051的定時(shí)器T0工作在方式1，對(duì)外部事件計(jì)數(shù)，外中斷0工作在邊沿觸發(fā)方式。外中斷0的中斷服務(wù)程序完成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀出、處理工作。以下分別給出主程序和中斷服務(wù)程序框圖(圖3,圖4)及初始化程序段：

本文介紹的測(cè)量方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，該測(cè)量電路和程序已實(shí)際應(yīng)用于壓敏電阻測(cè)試儀中非線性指數(shù)(=1/log(V1/V2))的測(cè)量，精度可達(dá)20000分之一，但應(yīng)注意電壓比范圍V1/V2應(yīng)在0.0000～1.9999之間?！?/font>