基于数字集成电路的数字式智能电压表的研制(2)

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。