基于數(shù)字集成電路的數(shù)字式智能電壓表的研制（1）
2012-07-14
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為了解決一般數(shù)字電壓表自動轉(zhuǎn)換量程、被測電壓極性判斷、幅度變換、超量程顯示及報警信號等智能化問題，采用數(shù)字電路芯片，通過數(shù)字邏輯控制關(guān)系實(shí)現(xiàn)電壓表使用功能的智能化。闡明了電路設(shè)計原理，介紹了電路系統(tǒng)的組成、各部分電路的功能及特點(diǎn)、電路元件的選擇、信號處理的過程等內(nèi)容。通過實(shí)物驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計功能，并由此設(shè)計得到了一臺自制數(shù)字式智能電壓表。
0 引言
在現(xiàn)在市場上廣泛使用的一般數(shù)字電量測量電表都沒有解決量程自動轉(zhuǎn)換問題，測量操作時仍然靠人工拔動開關(guān)轉(zhuǎn)換量程，測量電表的智能化設(shè)計是一個難點(diǎn)。在現(xiàn)有的智能電表中，智能化功能大多采用單片機(jī)控制電路或雙向移位寄存器來實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是電路系統(tǒng)、量程控制信號的產(chǎn)生比較復(fù)雜，調(diào)試與制作難度大，可靠性較差等。實(shí)際上，電路系統(tǒng)*可以用常用數(shù)字集成電路組成，通過組合邏輯功能來實(shí)現(xiàn)多個量程之間的自動轉(zhuǎn)換等功能。
1 電路系統(tǒng)的方框結(jié)構(gòu)
電路系統(tǒng)由被測輸入電壓極性檢測與變換電路、電壓幅度變換電路、量程自動控制轉(zhuǎn)換信號產(chǎn)生電路、多路模擬開關(guān)切換電路、量程控制放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和顯示電路等組成，如圖1所示。
圖1中各部分電路的功能分別是：
（1）電壓極性顯示信號產(chǎn)生電路：由電壓比較器根據(jù)被測電壓極性產(chǎn)生“+”或“-”極性顯示信號。
（2）電壓通道選擇與極性轉(zhuǎn)換電路：有2個通道，對于正極性電壓由通道1通過，若為負(fù)極性電壓由通道2通過，再變換為正極性后輸出。
（3）量程自動控制信號產(chǎn)生電路：根據(jù)被測電壓的高低確定各段的測量范圍（量程），產(chǎn)生量程自動轉(zhuǎn)換控制信號、超量程顯示與報警信號，并控制各量程小數(shù)點(diǎn)的位置。
（4）程控放大器與模擬開關(guān)切換電路：在量程自動轉(zhuǎn)換控制信號的作用下選擇不同的通道，將某個量程的輸入電壓放大或衰減一定比例后送入A/D轉(zhuǎn)換器。
（5）A/D轉(zhuǎn)換電路：將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
（6）譯碼與顯示電路：將數(shù)字信號譯碼后，由數(shù)碼管顯示出測量結(jié)果。
2 電路原理圖簡介
根據(jù)圖1構(gòu)建的數(shù)字式智能電壓表電路原理如圖2所示。圖中主要元器件的作用如下：
U1（LM324）為四運(yùn)放IC1，U1-1/4與U1-2/4的作用是產(chǎn)生被測電壓極性識別信號與控制U2的信號通道。U1-3/4構(gòu)成程控放大電路，對被測電壓進(jìn)行10，1，1/10，1/100的放大或衰減。U1-4/4為反相放大器，用于調(diào)整輸出電壓幅度以滿足A/D轉(zhuǎn)換器正常工作要求;
U2（SGM522）為二通道模擬開關(guān)IC，實(shí)現(xiàn)正、負(fù)極性的被測電壓分通道傳輸，以便對負(fù)極性信號實(shí)施反相處理;
U3（C4066）為四通道模擬開關(guān)IC，在量程自動控制信號的作用下，實(shí)現(xiàn)讓不同量程的電壓分通道傳輸，以便配合U1-3/4電壓進(jìn)行幅度變換;
U4（LM339）、U5（74LS05）、U6與U7（74LS21）組成自動量程控制信號產(chǎn)生電路。其中，U4為四比較器IC，用于確定各量程的測量范圍，U5為四反相器，對高或低電平實(shí)施反相變換，U6、U7均為四輸入雙與門IC，通過邏輯運(yùn)算獲得自動量程控制信號;
U8（C14433）為雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器（又稱雙斜式A/D轉(zhuǎn)換器），轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果與輸入信號的平均值成正比，對疊加在輸入信號上的交流干擾有良好的抑制作用，具有零漂補(bǔ)償?shù)?位半（BCD碼）單片雙積分式A/D轉(zhuǎn)換功能，轉(zhuǎn)換速率為3～10Hz，轉(zhuǎn)換精度為±1LSB，模擬輸入電壓范圍0～±1.999V或0～±199.9mV，輸入阻抗大于100MΩ。MC14433轉(zhuǎn)換結(jié)果以BCD碼形式，分別按千、百、十、個位由Q0～Q3端輸出，相應(yīng)的位選通信號由DS1～DS4提供;
U9（MC14511B）為譯碼集成電路，將BCD碼譯碼成十進(jìn)制信號，控制數(shù)碼管的位顯示;
U10（MC1413）為7路反相緩沖集成電路，用于實(shí)現(xiàn)高低電平間的轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)對數(shù)碼顯示管的驅(qū)動能力。
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