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、電路元件的選擇、信號處理的過程等內(nèi)容。通過實物驗證,實現(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。在現(xiàn)有的智能電表中,智能化功能大多采用單片機控制電路或雙向移位寄存器來實現(xiàn),其缺點是電路系統(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,實現(xiàn)正、負極性的被測電壓分通道傳輸,以便對負極性信號實施反相處理; 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,對高或低電平實施反相變換,U6、U7均為四輸入雙與門IC,通過邏輯運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,用于實現(xiàn)高低電平間的轉(zhuǎn)換,增強對數(shù)碼顯示管的驅(qū)動能力。 |