智能电压表中量程自动转换电路研究

电学参数测量技术涉及范围广，特别是微电压、微电流、高电压以及待测信号强弱相差极大的情况下，既要保证弱信号的测量精度又要兼顾强信号的测量范围，在技术上有一定的难度。传统的低成本仪表在测量电压、电流时都采用手动选择档位的方法来转换量程。在使用中，当忘记转换档位时，会造成仪表测量精度下降或损坏。现代电子测量对系统的精度要求越来越高且智能化程度也越来越高。全量程无档电压表、电流表和欧姆表是在保证测量精度不下降的前提条件下省去手动转换量程的工作，得到了广泛应用。国内对此类设计研究较多，但电路设计都采用了单片机、CPLD 或FPGA等复杂电路系统，硬软件成本较高。笔者提出了一种利用廉价的元器件组成的量程转换电路，并进行了理想情况下的EWB 仿真，得到了预期的结果。

1 常用的电压测量电路

常用的模拟电压表主要由电阻R 和表头串联组成，测量部件表头的设计是利用载流线圈在磁场中受力矩作用的原理，如图1 所示。测量档位的改变靠改变电阻R的阻值来实现。 在测量时如果没有选择适当的降压电阻即档位没有调节好，当待测的电压过高时有可能使电压表损坏; 而当被测电压过低时，由于电阻较大，表头显示值误差大或者根本显示不出值来。当不了解待测电压大小时，一般会先选择最大的量程来试测电压，之后再来选择适当的档位，进行精确测量。现在出现的数字电压表、电流表其主要测试原理与模拟仪表相同。所不同的只是把指针式表头换成A/D 转换器和数码显示器，其分压分流的原理和量程选择的方法未变。

图1 模拟电压表原理

2 量程自动转换电路设计框图

笔者所设计的量程自动转换电路框图如图2 所示。被测量程判断器判断出被测量的范围，相应的量程信号输入到档位选择器。档位选择器根据量程信号将档位自动调至适当的量程。并将输入值适当放大或衰减处理后送至A/D 转换器，并由数码显示器显示，实现整个量程的自动选择。

图2 量程自动转换电路框图。

3 电路设计

3. 1 电路设计的总体要求

电路设计的基本要求是在不降低测量精度的条件下实现量程的自动转换。因此在设计电路时需要考虑以下几方面的要求：

1) 输入值量程判断器的阻抗。要求在进行电压测量时具有高阻抗，进行电流测量时具有低阻抗。

2) 输入值量程判断器应具备对最大量程的上限和最小量程的下限的判断能力。由于被测范围较大，因此既要求在高待测量值输入时不对小量程电路造成冲击，又要求在超量程值时对档位转换电路进行关断。当输入量低于表内的测量精度时，也要求将档位选择器关断。否则，当测量仪表断开时，没有输入量，而输入值量程判断器则认为此时的输入量在最小量程的档位上，当仪表接通待测量时，待测量大于最小量程档位的范围时，档位选择电路及其后级电路必定受到较大的冲击。所以，输入值量程判断器不仅对是否超过最大量程能够判断，对是否小于最小量程的精度也有判断能力。

3) 电路安全要求。在本设计中，利用传输的延时，对档位进行从关断测量到最大量程档位向低量程档位逐级下降直至到适当档位的转换，这样就使得电路在测量完高待测量后就能顺利地进行对最低待测量的测量。

4) 成本及功耗问题。由于输入值判断器所判断出的值不是用来测量，而是用于转换量程档位，所转换出的数值不需要十分精确，故其电路功耗可按仪表需要选择适当的芯片。

3. 2 电路设计的实现

3. 2. 1 量程判断电路的设计

量程判断电路框图如图3 所示。输入的被测量经分压电路分压并经隔离电路后输入电压判断电路。

图3 量程判断电路框图

单量程的量程判断实现电路如图4 所示。

图4 单量程判断实现电路

电路中Uin 代表被测信号，电阻R1 、R2 组成分压电路。运放A1 组成隔离电路。电压判断电路由电压源UREF2 和运放A3 组成的单限电压比较器实现。该电压比较器的阈值电压UT 为：

电路下半部分与上半部分的结构和工作原理相似。不过，比较电压由A4 的反相端输入。由( 1 )式可知，当跟随器A1 的输出大于0. 2 V 时，比较器A3 输出高电平; 当跟随器A2 的输出小于- 0. 2 V时，比较器A4 输出高电平; 当- 0. 2 V

用EWB(electronics workbench)软件对图4 电路的仿真结果如图5 所示。

图5 单量程判断器的仿真波形。

仿真所用的信号源Uin 为有效值1 V , 频率1 Hz , 初相位为0°的正弦交流电压。基准电压为2 V的直流电压。从仿真结果可以看出，当被测输入电压的瞬时值达到±0. 4 V时，比较器转换电平。通过量程判断器，将被测的模拟信号转换为数字信号，从而实现对档位选择的控制。

量程判断器的总电路如图6 所示。每个运放的输入端都接