一种多路信号幅值测量系统的设计

0．问题的提出

交、直流信号幅值的测量和显示是有些仪器仪表的必备功能，从显示的形式来看，常见的有两种形式：指针式和数字式。对有固定输入信号性质（如：交流、直流、电压、电流等）和范围（信号幅值区间）的测量部件，人们熟称为表头。随着电子技术的发展，数字化显示交、直流信号的幅值已占统治地位。对简单的数字表头而言，其核心是一片A/D转换芯片，测量的过程一般是图1所示的形式：

对于有多路被测信号需测量的场合，若仍采用上述模式进行测量，可有两个途经：1）在A/D转换前加切换开关；2）配备多个数字表头。以途经1）的方式来测量多路信号的幅值，其对多路信号的幅值的测量是依次进行的，由于表头的"惯性"，在进行信号切换后，表头需要有一段稳定时间，才能准确地读数，两相邻信号的幅值相差越大则需要的稳定时间越长。人们最为熟悉的数字万用表就这种模式。以这种模式来快速（甚至同时）测量多路信号的幅值显然办不到。以途经2）的方式来测量多路信号的幅值，虽然可以同时测量多路信号的幅值，但其众多的显示窗口，不利于仪器仪表面板的简化。当今仪器仪表的面板趋于屏幕化，数据显示表格化、图形化。

1． 设计方案比较和分析

面板屏幕（液晶、CRT）化的仪器仪表通常都有微处理器的支持，我们可以利用微处器强大的数据处理能力来实现对多路信号幅值的快速或同时采样。以用51系列单片机为核心的系统为例，对单路信号幅值的采样和显示一般为图2所示的模式。

由于单片机有较强的数据处理能力，只要输入给单片机的信号与被测信号之间存在一个固定的函数关系（最简单的是正比例关系）便可实现测量。输入给单片机的信号可有两种形式：一种是采用A/D转换芯片而获得的编码信号；另一种是采用V/F转换芯片而获得的频率信号。一般情况下单片机采用5V电源供电，逻辑电平为TTL电平。为了简单，系统内的其它芯片应向单片机看齐。为此，A/D转换或V/F转换的输入信号应为0~5V模拟电平，该模拟电平是经信号比例（分压器电路）设置后获得的，它正比于输入信号的大小。对于交流信号而言，信号的幅值指的是"有效值"， 交流信号经AD/DC转换后便可获得有效值。对于直流信号，经极性处理后就可进行A/D或V/F转换。若被测信号为电流形式的信号，则还需进行I/V转换，对mA级以上的信号可采用电流互感器来进行I/V转换，mA级以下的信号则需采用运算放大器电路来进行I/V转换。

以A/D转换的方式进行模拟信号幅值测量，A/D转换芯片的特性决定了转换的精度、线性度、数字编码的有效位数。当前A/D转换芯片是一个大家族，从数字编码输出的形式上看有并行和串行两种。从数字编码的形式上看，既有二进制编码，字长从8位到16位（在幅值测量方面，10位以下A/D芯片基本不用）；也有BCD编码，字长为3位半或4位半。以V/F转换的方式进行模拟信号幅值测量，因其输出频率正比于输入电压，系统需提供计数器支持，通过单片机对频率值的换算便可获得输入信号的幅值。

要进行对多路信号幅值的快速甚至同时测量，必须为每路信号都配备一个转换通道。在以单片机为核心的仪器仪表中，对多路信号幅值的快速测量除要考虑转换的精度、线性度以及读数的有效位数外还要考虑硬件电路的规模、软件开销、系统成本等因素。在转换的精度、线性度、读数的有效位数相当以及相同的转换路数前提下，几种方案的比较如下：

转换方式	硬件电路规模	软件开销	采样读出	系统成本
并行A/D转换	大	小	视A/D芯片特性而定	很高
串行A/D转换	小	大	巡回采样、读出	较高
V/F转换	小	小	同时采样，依次读出	较低

2．应用实例

笔者在由武汉新电高技术生产的XD3310A型微电脑移相器中成功地应用V/F转换方式实现了对六路信号幅值的同时采样和集中显示。XD3310A型微电脑移相器有六路信号的幅值需要测量和显示，它们分别是A、B、C三相交流电压，幅值区间最大为0.0V∽450.0V，A、B、C三相交流电流，幅值区间最大为0.00A∽10.00A。从显示的数字区间看，若采用A/D转换方式，则A/D转换芯片的字长至少应达13位（二进制）或4位半（BCD码）。如为每路信号都配备一片这样的芯片其系统成本是昂贵的。因此，笔者选用了V/F转换方式来测量这六路信号的幅值，并获得预期效果。AC/DC转换及V/F转换电路如图3所示。 [p]

V/F转换芯片选用廉价的LM331。芯片的输出频率范围是：1Hz~10KHz，以该芯片作A/D转换之用其数字量的有效位数范围比3位半的A/D转换芯片大，比4位半的A/D转换芯片小，与13位（二进制）的A/D转换芯片相当。对每个被测信号都配备一个如图3所示的转换通道，其目的是克服V/F转换的"惯性"，为实现6路信号的同时采样作准备。

图4是单片机控制部分的电路框图，由于整个仪器系统无需配备片外RAM，为了尽可能地简化单片机电路，笔者选用了内置8K-ROM的89C52单片机。89C52的P0口作数据总线；P2口作地址总线；P1口被组织成一个4X4的键盘；移相器用的I/O口则通过扩展一片8255A而得。在单片机的数据总线上挂有两片8253计数器芯片，共扩展6个16位计数器，可同时计数6路脉冲信号，这6个计数器都被设置成工作方式0且门控计数，两芯片共6个门控端（GATE0~2）全部并在一起受89C52的P3.4(T0)控制，计数时间（P3.4高电平时间，本实例大约为1秒左右）由89C52的CTC0通过中断服务程序产生。每当一计数时间到后，便由89C52依次读出这6个计数值，经换算后就得到了6个模拟信号的幅值值。

89C52中的程序主要有4大任务：1）键值解释；2）液晶显示模块管理；3）移相器状态监视和控制；4）8253计数器控制和读出。6路信号的采样时序见图5。

3．结论

实际应用表明在一般的信号幅值测量且有单片机支持的场合，利用LM331来进行A/D转换具有精度高、线性度好、成本低、使用方便等优势。在图4所示的设计方案中，由于89C52读取8253的计数值非常快，相对于采样的时间而言几乎是同时的。比起巡回采样的方式来，本设计方案的速度优势是明显的，基本上与信号路数无关。由于单片机系统扩展8253非常容易，频率信号又便于远距离传输和隔离，本设计方案也适用于有更多路信号的远距离巡回检测系统。