基于数字集成电路的数字式智能电压表的研制

摘要：为了解决一般数字电压表自动转换量程、被测电压极性判断、幅度变换、超量程显示及报警信号等智能化问题，采用数字电路芯片，通过数字逻辑控制关系实现电压表使用功能的智能化。阐明了电路设计原理，介绍了电路系统的组成、各部分电路的功能及特点、电路元件的选择、信号处理的过程等内容。通过实物验证，实现了设计功能，并由此设计得到了一台自制数字式智能电压表。

0 引言

在现在市场上广泛使用的一般数字电量测量电表都没有解决量程自动转换问题，测量操作时仍然靠人工拔动开关转换量程，测量电表的智能化设计是一个难点。在现有的智能电表中，智能化功能大多采用单片机控制电路或双向移位寄存器来实现，其缺点是电路系统、量程控制信号的产生比较复杂，调试与制作难度大，可靠性较差等。实际上，电路系统完全可以用常用数字集成电路组成，通过组合逻辑功能来实现多个量程之间的自动转换等功能。

1 电路系统的方框结构

电路系统由被测输入电压极性检测与变换电路、电压幅度变换电路、量程自动控制转换信号产生电路、多路模拟开关切换电路、量程控制放大电路、A/D转换电路和显示电路等组成，如图1所示。

图1中各部分电路的功能分别是：

(1)电压极性显示信号产生电路：由电压比较器根据被测电压极性产生"+"或"-"极性显示信号。
     (2)电压通道选择与极性转换电路：有2个通道，对于正极性电压由通道1通过，若为负极性电压由通道2通过，再变换为正极性后输出。
     (3)量程自动控制信号产生电路：根据被测电压的高低确定各段的测量范围(量程)，产生量程自动转换控制信号、超量程显示与报警信号，并控制各量程小数点的位置。
     (4)程控放大器与模拟开关切换电路：在量程自动转换控制信号的作用下选择不同的通道，将某个量程的输入电压放大或衰减一定比例后送入A/D转换器。
     (5)A/D转换电路：将模拟电压信号转换为数字信号。
     (6)译码与显示电路：将数字信号译码后，由数码管显示出测量结果。

2 电路原理图简介

根据图1构建的数字式智能电压表电路原理如图2所示。图中主要元器件的作用如下：

U1(LM324)为四运放IC1，U1-1/4与U1-2/4的作用是产生被测电压极性识别信号与控制U2的信号通道。U1-3/4构成程控放大电路，对被测电压进行10，1，1/10，1/100的放大或衰减。U1-4/4为反相放大器，用于调整输出电压幅度以满足A/D转换器正常工作要求；
     U2(SGM522)为二通道模拟开关IC，实现正、负极性的被测电压分通道传输，以便对负极性信号实施反相处理；
     U3(C4066)为四通道模拟开关IC，在量程自动控制信号的作用下，实现让不同量程的电压分通道传输，以便配合U1-3/4电压进行幅度变换；
     U4(LM339)、U5(74LS05)、U6与U7(74LS21)组成自动量程控制信号产生电路。其中，U4为四比较器IC，用于确定各量程的测量范围，U5为四反相器，对高或低电平实施反相变换，U6、U7均为四输入双与门IC，通过逻辑运算获得自动量程控制信号；
     U8(C14433)为双积分式A/D转换器(又称双斜式A/D转换器)，转换输出结果与输入信号的平均值成正比，对叠加在输入信号上的交流干扰有良好的抑制作用，具有零漂补偿的3位半(BCD码)单片双积分式A/D转换功能，转换速率为3～10Hz，转换精度为±1LSB，模拟输入电压范围0～±1.999V或0～±199.9mV，输入阻抗大于100MΩ。MC14433转换结果以BCD码形式，分别按千、百、十、个位由Q0～Q3端输出，相应的位选通信号由DS1～DS4提供；
     U9(MC14511B)为译码集成电路，将BCD码译码成十进制信号，控制数码管的位显示；
     U10(MC1413)为7路反相缓冲集成电路，用于实现高低电平间的转换，增强对数码显示管的驱动能力。

3 电路工作原理

(1)被测电压的Ux极性判断与变换电路工作原理：电路由2个过零电压比较器、一个反相器和双向限幅电路组成，当Ux极性为"+"时，U1-1/4输出高电平，在C+的控制下被测电压通过U2的第一通道。U1-2/4输出低电平，C也为低电平，U2的第二通道不通；当Ux极性为"-"时。U1-2/4输出高电平，在C的控制下被测电压通过U2的第二通道，并通过U5-1-4完成反相变换。U1-1/4输出低电平，C+使U2的第一通道不通。V1，V2为双向限幅二极管，用于限制加到U1-1/4与U1-2/4输入端的电压幅度。

(2)多路模拟开关和程控放大电路工作原理：电路由C4066，U1-3/4，R4～R7等组成。设R1～R3通道等效电阻为R1～3，其大小可设置为100kΩ，当B1为高电平时，多路模拟开关C4066的i1～O1通道接通，运放U1-3/4的反馈电阻R4取1MΩ，对Ux放大10倍后送入A/D转换器的输入端。若A/D转换的电压满度值为2V，则可测量0～±200mV的电压。同理，当量程转换控制信号B2，B3，B4分别为高电平时，C4066对应的通道接通，当U1-3/4的反馈电阻R5，R6，R7分别取100kΩ、10kΩ、1kΩ时，R5使±200mV～±2V的电压直接通过，R6使±2～±20V的电压衰减10倍后通过，R7使±20～±200V的电压衰减100倍后通过。再将某一路输出电压经U1-4/4反相放大，使与实际被电压极性一致，并可通过R16调节电压放大倍数(-R16/R15)，保证A/D转换电路正常工作所需的输入电压。

(3)量程自动转换控制电路工作原理：量程自动转换电路由四4比较器U4、3个反相器(U5内)、2个四输入双与门U6与U7、分压电阻R10～R14等组成。由于设置R1～3为100kΩ，选择R8(470kΩ可调)与R9(5kΩ)使ux在R9上的分压比为1/100，经分压后加到各比较器的反相输入端。当ux分别为±200mV，±2V，±20V，±200V时，分电压值分别为2mV，20mV，0.2V，2V。同时，由R10～R14(电阻值如图2中所示)对Vcc分压获得各比较器的参考电平也分别为2mV，20mV，0.2V，2V，并分别加至各比较器的同相输入端。当被电压Ux达到某量程的满刻度值时，使比较器的输出电平由高变低，通过组合逻辑电路产生量程自动控制与标志信号(高电平有效)。若Ux位于0～±200mV，U6-1/2输出高电平，获得有效量程控制信号B1，其余B2～B3为低电平；同理，当被测电压分别在±2V，±2～±20V，±20～±200V范围时，U6-2/2、U7-1/2、U7-2/2分别输出高电平，获得量程控制信号B2、B3和B4，状态转换表如表1所示。

逻辑表达式分别为：B1=W·X·Y·Z，B2=为超量程标志信号。

(4)被测电压极性、小数点位置与超量程的指示信号：被测电压极性显示控制信号由U1-2/4提供，用输出的高或低电平控制"-"或"+"号的显示；小数点位置控制信号由量程自动转换控制信号实现，B1的高电平用于显示测量范围为0～±200mV的小数点位置，B2的高电平用于显示测量范围为±200mV～±2V的小数点位置，B3的高电平用于显示测量范围为±2～±20V的小数点位置，B4的高电平用于显示测量范围为±20～±200V的小数点位置，当被测量电压范围在±200V以外时，不用小数点；超量程指示信号由B4的低电平实现，当B4为低电平时，表明被测电压超过了±200V的最高上限。

(5)A/D转换、译码、显示电路工作原理：用U1-2/4输出的信号控制数码管最高位"g"段的亮与不亮，实现极性"-"显示。当U4的4个比较器都输出高电平量，便发生了超量程情况，可用它们产生报警与超量显示信号(本系统未考虑)。当程控放大器输出的信号加到U8的3脚，将模拟电压转换为BCD码，并由20、21、22、23脚输出，经U9译码为千、百、十、个四位十进制数，同时，由U8的16、17、18、19脚输出对应的选通信号，共同控制数码管显示测量结果。

4 结语

本测量系统运用与门、反相器、比较器、多路模拟开关集成电路(C4066)等数字集成电路巧妙组合获得了被电压极性判断、量程自动转换、信号幅度变换、小数点位置显示控制、超量程显示与报警信号。电路结构设计看似复杂，但分立元件少，成本低。具有设置量程方便、电压测量范围宽、功能相对独立且容易扩展、工作稳定可靠等优点，值得借鉴。