自動量程切換電壓測量系統設計

在電子系統設計調試過程中，電壓測量往往是一個測控或測量系統中不可缺的項目。對于電壓測量，若其在一個小動態范圍內變化，則無論電平高低，要做到精確測量并不困難。但當被測量在寬動態范圍內變化時，例如從mV級甚至μV級到V級，做到測量誤差均勻的控制在一定范圍之內，常用的方式是切換量程，即指定測量范圍，例如常用的數字電壓表等儀器。然而在許多情況下為了保證測量的實時性，測量時不可能變換測量通道的量程，因此要在整個電壓變化范圍內做到精確測量就凸顯出其重要性。本文基于MCU AT89C51控制，實現了一種自動量程切換的電壓測試系統。

1 電壓測量原理及系統組成
??? 為了對不同量級的電壓信號進行測量，對輸入信號進行放大時就不能采用相同的增益倍數。系統要求能根據不同信號幅值，自動選擇相適應的增益倍數。在本方案中采用單片機判斷輸入電平的量級，通過通道選擇開關，控制前級放大器的增益系數，使其輸出符合后級ADC的輸入電平要求。再通過MCU對采樣結果計算分析，將得到的結果顯示在LED顯示器上，可以通過按鍵控制測量的起始狀態，默認狀態下為一直處于測量狀態。為消除信道在不同溫度、濕度等狀態下對測量的影響，增加了基準電壓自校準功能，其測量系統框圖如圖1所示。

2 系統硬件電路
2．1 前級程控放大電路
??? 由于輸入信號最小為μV級，對于前級放大器的要求很高，需要有合適的溫度系數、噪聲系數等。目前一些方案中多數采用斬波放大器。本文采用ADI公司的具有超低失調、超低漂移和偏置電流特性的寬帶自穩零放大器AD8628，可提供自穩零或斬波穩定放大器才具有的特性優勢，將低成本與高精度、低噪聲特性融于一體。AD8628的失調電壓僅為1μV，失調電壓漂移小于0．005μV／℃，噪聲僅為0．5μV峰峰值，因而適合不容許存在誤差源的應用。其在工作溫度范圍內的漂移接近零，對位置和壓力傳感器、醫療設備以及應變計放大器應用極為有利，可以利用AD8628提供的軌到軌輸入和輸出擺幅能力，以降低輸入偏置復雜度，并使信噪比達到最大。具體電路如圖2所示。

??? 該部分中，實現增益控制主要依靠通道選擇，本方案中采用四通道選擇器ADG804，該器件導通電阻小于0．8 Ω，單電源供電，封裝小，溫度適應性強，通過地址線A0和A1選擇導通路。單片機I／O口送數至ADG804的地址輸入端，選擇不同的反饋電阻值Rf，通過式(1)得到不同的放大增益系數G，進而確定事先定義的不同檔位的切換。
??? G=Vo／Vi=Rf／Ri (1)
2．2 ADC變換電路
??? 選擇使用AD775作為本方案中的A／D變換器。AD775是一款CMOS、低功耗、8位、20 MSPS采樣模數轉換器(ADC)，內置采樣功能和片內基準電壓偏置電阻，可提供完整8位ADC解決方案。它采用流水線式或乒乓兩步式FLASH架構，可提供最高35 MHz的采樣速率，同時保持極低的功耗(60 mW)。該器件融合了出色的微分非線性(DNL)、高采樣速率、低差分增益與相位誤差、極低功耗以及+5 V單電源工作等特性，其參考電阻可采用多種配置方式進行連接，以處理不同的輸入范圍。與傳統的FLASH型轉換器相比，低輸入電容提供易于驅動的輸入負載。圖3給出ADC的外圍電路以及和MCU數據傳輸的連接關系。

2．3 MCU系統電路
??? 方案中采用Atmel公司的AT89S52，帶8 KB閃速可編程可擦除制存儲器(PEROM)及低電壓，高性能CMOS微控制器。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，AT89S52是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。采用單片機P0口直接驅動紅色LED，5 V供電，采用共陽數碼管，上拉電阻取1 kΩ。共采用三個數碼管，動態掃描式顯示。單片機系統圖省略。

3 系統軟件設計
3．1 數據采集及量程切換
??? 軟件設計采用模塊化設計思想，每個模塊實現特定的功能。系統軟件包括主程序、定時中斷程序和一系列功能子程序。上電后程序初始化，進入監控狀態，顯示待機界面等待測量。測量時啟動A／D后，首先選擇最大量程對外部數據進行采樣計算并判斷，確定合適的量程。切換量程后再次采樣，記錄得到的數據，通過相應對相應量程的計算，得到測量的電壓。如果需要，MCU可與微型打印機通過并口連接，將存儲于RAM中的電壓歷史數據和當前數據打印出來，作為資料存檔保留，系統流程圖如圖4所示。

3．2 通道自校準
??? 為了消除信道給測量帶來的誤差，在電路和程序中增加了自校準部分。其主要原理是通過比對基準電壓和待測電壓在相同信道中的測量值，進一步消除系統信道帶來的誤差。基準電壓通過穩壓器件和一系列分壓電阻得到一組不同量級且高精度的電壓基準源，設置為1 mV，10 mV，50 mV，100 mV，500 mV，1 V等。設某通道的輸入信號為VX，經過測量得到的結果為V'X；選擇合適的量程范圍，選擇距離此范圍最接近的基準電壓VS1和VS2，經過同樣的信道測量的結果為V'S1和V'S2，那么根據相似性原理可以得到：
???

??? 由此推算得到真實的測量值為：
???
??? 通過在線基準電壓校準從根本上消除了放大、濾波等環節由于器件參數分散性所引入的單向偏差問題，使測量系統的精度得到進一步的提升。

4 結 語
??? 電壓是電子系統中最基本的測量值之一，也是諸多非電子傳感器轉換為電子測量時最常用的物理量。其快速準確測量無論是對于電子系統設計，還是對各種物理信號的測量，都有極其重要的意義。本文實現了一種基于單片機的自動量程切換的電壓測量系統，能在較寬電平范圍內準確地測量其電壓值。此外采用基準電壓測量，最大限度地減小信道對測量結果帶來的誤差。