在電子系統(tǒng)設(shè)計調(diào)試過程中,，電壓測量往往是一個測控或測量系統(tǒng)中不可缺的項目,。對于電壓測量,，若其在一個小動態(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)被測量在寬動態(tài)范圍內(nèi)變化時，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時性,，測量時不可能變換測量通道的量程，因此要在整個電壓變化范圍內(nèi)做到精確測量就凸顯出其重要性,。本文基于MCU AT89C51控制,，實現(xiàn)了一種自動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行測量,，對輸入信號進行放大時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,，自動選擇相適應(yīng)的增益倍數(shù),。在本方案中采用單片機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,。
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，對位置和壓力傳感器,、醫(yī)療設(shè)備以及應(yīng)變計放大器應(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，并使信噪比達到最大,。具體電路如圖2所示,。
該部分中，實現(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，通過地址線A0和A1選擇導(dǎo)通路,。單片機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)動的輸入負載,。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廉的方案。采用單片機P0口直接驅(qū)動紅色LED,，5 V供電,，采用共陽數(shù)碼管，上拉電阻取1 kΩ,。共采用三個數(shù)碼管,，動態(tài)掃描式顯示。單片機系統(tǒng)圖省略,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 數(shù)據(jù)采集及量程切換
軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想,，每個模塊實現(xiàn)特定的功能。系統(tǒng)軟件包括主程序,、定時中斷程序和一系列功能子程序,。上電后程序初始化,，進入監(jiān)控狀態(tài)，顯示待機界面等待測量,。測量時啟動A／D后,，首先選擇最大量程對外部數(shù)據(jù)進行采樣計算并判斷，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)量程的計算,，得到測量的電壓,。如果需要，MCU可與微型打印機通過并口連接,，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,。
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,，進一步消除系統(tǒng)信道帶來的誤差,。基準(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：
由此推算得到真實的測量值為：
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,，使測量系統(tǒng)的精度得到進一步的提升,。
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，還是對各種物理信號的測量,，都有極其重要的意義,。本文實現(xiàn)了一種基于單片機的自動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,。