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自动量程切换电压测量系统设计
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常熟理工学院顾江
来源：EDN
在电子系统设计调试过程中，电压测量往往是一个测控或测量系统中不可缺的项目。对于电压测量，若其在一个小动态范围内变化，则无论电平高低，要做到精确测量并不困难。但当被测量在宽动态范围内变化时，例如从mV级甚至μV级到V级，做到测量误差均匀的控制在一定范围之内，常用的方式是切换量程，即指定测量范围，例如常用的数字电压表等仪器。然而在许多情况下为了保证测量的实时性，测量时不可能变换测量通道的量程，因此要在整个电压变化范围内做到精确测量就凸显出其重要性。本文基于MCU AT89C51控制，实现了一种自动量程切换的电压测试系统。
1 电压测量原理及系统组成
为了对不同量级的电压信号进行测量，对输入信号进行放大时就不能采用相同的增益倍数。系统要求能根据不同信号幅值，自动选择相适应的增益倍数。在本方案中采用单片机判断输入电平的量级，通过通道选择开关，控制前级放大器的增益系数，使其输出符合后级ADC的输入电平要求。再通过MCU对采样结果计算分析，将得到的结果显示在LED显示器上，可以通过按键控制测量的起始状态，默认状态下为一直处于测量状态。为消除信道在不同温度、湿度等状态下对测量的影响，增加了基准电压自校准功能，其测量系统框图如图1所示。
2 系统硬件电路
2．1 前级程控放大电路
由于输入信号最小为μV级，对于前级放大器的要求很高，需要有合适的温度系数、噪声系数等。目前一些方案中多数采用斩波放大器。本文采用ADI公司的具有超低失调、超低漂移和偏置电流特性的宽带自稳零放大器AD8628，可提供自稳零或斩波稳定放大器才具有的特性优势，将低成本与高精度、低噪声特性融于一体。AD8628的失调电压仅为1μV，失调电压漂移小于0．005μV／℃，噪声仅为0．5μV峰峰值，因而适合不容许存在误差源的应用。其在工作温度范围内的漂移接近零，对位置和压力传感器、医疗设备以及应变计放大器应用极为有利，可以利用AD8628提供的轨到轨输入和输出摆幅能力，以降低输入偏置复杂度，并使信噪比达到最大。具体电路如图2所示。
该部分中，实现增益控制主要依靠通道选择，本方案中采用四通道选择器ADG804，该器件导通电阻小于0．8 Ω，单电源供电，封装小，温度适应性强，通过地址线A0和A1选择导通路。单片机I／O口送数至ADG804的地址输入端，选择不同的反馈电阻值RF，通过式(1)得到不同的放大增益系数G，进而确定事先定义的不同档位的切换。
G=Vo／Vi=Rf／Ri (1)
2．2 ADC变换电路
选择使用AD775作为本方案中的A／D变换器。AD775是一款CMOS、低功耗、8位、20 MSPS采样模数转换器(ADC)，内置采样功能和片内基准电压偏置电阻，可提供完整8位ADC解决方案。它采用流水线式或乒乓两步式FLASH架构，可提供最高35 MHz的采样速率，同时保持极低的功耗(60 mW)。该器件融合了出色的微分非线性(DNL)、高采样速率、低差分增益与相位误差、极低功耗以及+5 V单电源工作等特性，其参考电阻可采用多种配置方式进行连接，以处理不同的输入范围。与传统的FLASH型转换器相比，低输入电容提供易于驱动的输入负载。图3给出ADC的外围电路以及和MCU数据传输的连接关系。
2．3 MCU系统电路
方案中采用Atmel公司的AT89S52，带8 KB闪速可编程可擦除制存储器(PEROM)及低电压，高性能CMOS微控制器。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，AT89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。采用单片机P0口直接驱动红色LED，5 V供电，采用共阳数码管，上拉电阻取1 kΩ。共采用三个数码管，动态扫描式显示。单片机系统图省略。
3 系统软件设计
3．1 数据采集及量程切换
软件设计采用模块化设计思想，每个模块实现特定的功能。系统软件包括主程序、定时中断程序和一系列功能子程序。上电后程序初始化，进入监控状态，显示待机界面等待测量。测量时启动A／D后，首先选择最大量程对外部数据进行采样计算并判断，确定合适的量程。切换量程后再次采样，记录得到的数据，通过相应对相应量程的计算，得到测量的电压。如果需要，MCU可与微型打印机通过并口连接，将存储于RAM中的电压历史数据和当前数据打印出来，作为资料存档保留，系统流程图如图4所示。
3．2 通道自校准
为了消除信道给测量带来的误差，在电路和程序中增加了自校准部分。其主要原理是通过比对基准电压和待测电压在相同信道中的测量值，进一步消除系统信道带来的误差
