基于數(shù)字集成電路的數(shù)字式智能電壓表的研制（1）
2025-02-18
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為了解決一般數(shù)字電壓表自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程、被測(cè)電壓極性判斷、幅度變換、超量程顯示及報(bào)警信號(hào)等智能化問(wèn)題，采用數(shù)字電路芯片，通過(guò)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(jì)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(hào)處理的過(guò)程等內(nèi)容。通過(guò)實(shí)物驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)功能，并由此設(shè)計(jì)得到了一臺(tái)自制數(shù)字式智能電壓表。
0 引言
在現(xiàn)在市場(chǎng)上廣泛使用的一般數(shù)字電量測(cè)量電表都沒(méi)有解決量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，測(cè)量操作時(shí)仍然靠人工拔動(dòng)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換量程，測(cè)量電表的智能化設(shè)計(jì)是一個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn)是電路系統(tǒng)、量程控制信號(hào)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(guò)組合邏輯功能來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)量程之間的自動(dòng)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(cè)輸入電壓極性檢測(cè)與變換電路、電壓幅度變換電路、量程自動(dòng)控制轉(zhuǎn)換信號(hào)產(chǎn)生電路、多路模擬開(kāi)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(hào)產(chǎn)生電路：由電壓比較器根據(jù)被測(cè)電壓極性產(chǎn)生“+”或“-”極性顯示信號(hào)。
（2）電壓通道選擇與極性轉(zhuǎn)換電路：有2個(gè)通道，對(duì)于正極性電壓由通道1通過(guò)，若為負(fù)極性電壓由通道2通過(guò)，再變換為正極性后輸出。
（3）量程自動(dòng)控制信號(hào)產(chǎn)生電路：根據(jù)被測(cè)電壓的高低確定各段的測(cè)量范圍（量程），產(chǎn)生量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)、超量程顯示與報(bào)警信號(hào)，并控制各量程小數(shù)點(diǎn)的位置。
（4）程控放大器與模擬開(kāi)關(guān)切換電路：在量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制信號(hào)的作用下選擇不同的通道，將某個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。
（6）譯碼與顯示電路：將數(shù)字信號(hào)譯碼后，由數(shù)碼管顯示出測(cè)量結(jié)果。
2 電路原理圖簡(jiǎn)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(cè)電壓極性識(shí)別信號(hào)與控制U2的信號(hào)通道。U1-3/4構(gòu)成程控放大電路，對(duì)被測(cè)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(kāi)關(guān)IC，實(shí)現(xiàn)正、負(fù)極性的被測(cè)電壓分通道傳輸，以便對(duì)負(fù)極性信號(hào)實(shí)施反相處理;
U3（C4066）為四通道模擬開(kāi)關(guān)IC，在量程自動(dòng)控制信號(hào)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(dòng)量程控制信號(hào)產(chǎn)生電路。其中，U4為四比較器IC，用于確定各量程的測(cè)量范圍，U5為四反相器，對(duì)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(guò)邏輯運(yùn)算獲得自動(dòng)量程控制信號(hào);
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(hào)的平均值成正比，對(duì)疊加在輸入信號(hào)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(gè)位由Q0～Q3端輸出，相應(yīng)的位選通信號(hào)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(hào)，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(duì)數(shù)碼顯示管的驅(qū)動(dòng)能力。
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