一种量程自动转换高精度数字电压表的设计

数字电压表是采用数字化测量技术， 把连续的 量（输入电压）转换成不连续、离散的数字化形式并 加以显示的仪表。 作为现代电子测量中最基础与核 心的一种测量仪器， 对其测量精度和功能要求也越 来越高[1]。 由于电压测量范围广，特别是在微电压、 高电压及待测信号强弱相差极大情况下， 既要保证 弱信号测量精度又要兼顾强信号的测量范围， 传统 的手动转换量程的电压表在测量技术上有一定难 度；同时，若量程选择不当，不但会造成测量精度下 降甚至损坏仪表。 基于此，本文提出具有 16 位分辨 率，以单片机作为测量的主控制器，采用极低导通电
量程/V RS_SWH_1 衰减系数 RS_SWH_2 放大倍数 A/D输入电压/V
阈值比较；若当前最高量程即为合适量程，即可输出
初设值
0
100
0
1
0～4
0～0.4
1
1
1
10
0～4
0.4～4
1
1
0
1
0.4～4
4～40
0
100
1
10
0.4～4
40～400 0
100
0
1
0.4～4
显示数据； 否则选出其它三个量程中最合适的一个 量程并采样，实现流程如图 4。 为避免两次采样间隙 间待测信号突然变大，超出 LTC1865 的输入信号范 围，采取如图 2 中 D1、D2 的保护电路。
图 4 量程转换程序流程图 Fig.4 Program flow chart of range conversion
仪器仪表装置
文 章 编 号 ：1001-9944(2011)11-0012-04
一种量程自动转换高精度数字电压表的设计
杨增汪，陈 斯，戴新宇
（徐州师范大学 物理与电子工程学院，徐州 221116）
摘要：设计了一种以AT89S52单片机为 核 心 、A/D转 换 芯 片LTC1865为 基 础 ，结 合 量 程 自 动 转 换 电 路 的 高 精 度 数 字 电 压 表 ，可 以 对 （0～400）V电 压 范 围 的 电 压 进 行 量 程 自 动 转 换 的 精 确测量。 测试结果表明，该电压表具有测量精度高、性能稳定、转换速度快及显示清晰度高 等特点，有很好的实际应用价值。 关 键 词 ： 数 字 电 压 表 ；AT89S52；LTC1865；量 程 自 动 转 换 ；高 精 度 中图分类号：TM933.2 文献标志码：B
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Automation ＆ Instrumentation 2011(11)
仪器仪表装置
拟信号经输入电路处理、滤除干扰输出直流信号；量 程转换电路根据前级直流信号的大小， 自动选择衰 减 或 放 大 的 信 号 处 理 方 式 确 保 送 至 A/D 转 换 器 的 信号电压在 0.4～4V 之间； 主控单片机根据 A/D 转 换的结果控制量程转换电路的自动实现， 同时将转 换的结果计算、处理送 LED 显示。
如 待 测 电 压 为 28V，RS_SWH_1 取值为 0， 衰减输入缓冲级将其衰减 100 倍，即输出值为 0.28V；RS_SWH_2
开始 Ad＝A/D 转换结果
取值为 1， 运算放大级对送来的信号 放大 10 倍输出为 2.8V，作为 LTC1865 的输入信号。
Ad＞4？
Y
N
Y
Ad＞0.04？
阻电子开关 MAX4602 结合信号处理技术自适应调 整放大器放大倍数实现全量程无档电压表的电路设 计，实践表明，此电路既简便又实用。
1 系统总体设计方案
本文设计的数字电压表测量直流电压范围为 0～400V，测量精 度≤0.025%，能 自 动 进 行 量 程 转 换 （ 设 计 分 为 0～0.4V，0.4～4V，4V～40V，40V～400V 四 个量程）。 数字电压表的原理方框图如图 1 所示，其 主要由输入电路、量程转换电路、A/D 转换、主控单 片机、LED 显示及电源模块等部分构成。 待测的模
自动化与仪表 2011(11)
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仪器仪表装置
换输入信号在 0～4V 之间； 单片机根据 A/D 转换的 3.2 量程转换子程序设计
结 果 重 新 确 定 RS_SWH_1、RS_SWH_2 的 状 态 ， 从
量程自动转换子程序由主程序在完成一次测量
而使被测信号处于适当的量程上， 量程自动转换电 后调用，该程序被调用时，将最新的测量数据与初设
输入 电路
量程转 换电路
A/D 转换
主控 单片机
LED 显示
电源模块
图 1 电压表系统方框图 Fig.1 Structure diagram of voltmeter system
2 系统硬件设计
2.1 主控芯片的选择 本系统选用 AT89S52 作为主控芯片。 AT89S 系
列是 AT89C 系列的升级产品， 性能上较 AT89C 系 列 有 很 大 提 升 ，是 一 种 低 功 耗 、高 性 能 CMOS 8 位 微控制器。 AT89S52 采用 ATMEL 公司的高密度非 易失性存储技术制造， 兼容标准 MCS-51 指令系统 及 80C52 引脚结构， 其最显著的特点是片内含 8K 字节 ISP （in system programmable） 的可反复擦写 1000 次的 Flash 程序存储器， 使之对存储器内程序 的改写，不再依靠专用的编程工具，也不需要把芯片 从电路板上拆下[2]。 2.2 A/D 转换电路
利用电压衰减输入缓冲器、 运算放大器和 2 路 电子开关与单片机软件编程相结合来实现量程自动 转换功能。 其硬件电路如图 2，其中 AD822BP 为美 国模拟器件公司生产的一款单电源、低功耗、轨到 轨输出（满压输出）的双精密运算放大器，输入阻抗 为 1013Ω，共模抑制比为 80dB；MAX4602 是一款导 通电阻仅为 2.5Ω 的 CMOS 模拟开关， 内部有四个 常开开关， 每个开关均可处理轨至轨模拟信号，具 有低功耗、小尺寸、可靠性高等优点。
收 稿 日 期 ：2011-01-12 ；修 订 日 期 ：2011-08-15 基 金 项 目 ：江 苏 省 高 校 产 业 化 基 金 （JH07-032） ； 徐 州 师 范 大 学 校 科 研 基 金 （08XLB05） 作 者 简 介 ：杨 增 汪 （1972- ），男 ，硕 士 ，讲 师 ，研 究 方 向 为 无 线 传 感 器 网 络 、嵌 入 式 系 统 应 用 。
量程自动转换由初设量程开始， 直至选出合适 量程为止[4]。 A/D 转换电路输入信号范围为 0～5V，待 测电压的上限值是 400V，AT89S52 对开关控制信号 RS_SWH_1、RS_SWH_2 初值设 置 均 为 0，即 2 路 开 关均为断开状态，此时电压衰减输入缓冲级由 R1 和 R2 分压确定对输入信号衰减 100 倍，而运算放大级 处于电压跟随状态，放大倍数为 1，从而保证 A/D 转
A/D 转换选择 Linear 公司的 16 位逐 次 逼 近 型 转换器 LTC1865。 它是差分输入、双通道 250kS/s、单 电源供电的串行模数转换器， 能在-40℃～+125℃的 温度范围内可靠工作，具有高速度、高精度、低功耗 等特点。 当工作在 250kS/s 采样速率时，其消耗电流 仅 为 850μA， 在 转 换 速 率 为 1kS/s 时 ， 电 流 降 至
2μA，并在转换间歇自动关断，避免电力消耗[3]。 LTC1865 的数据输出接口采用 SPI 方式， 由于
AT89S52 不具有专门的 SPI 口，因此需要用通用 I/O 引脚来模拟。 用 P2.0 和 LTC1865 的 SCK 连接，通过 软件来定时清和置位 P2.0。 用 P2.1 来连接 SDI 口， 对 LTC1865 写入配置字实现输入方式选择。 用 P2.2 连接 SDO，负责数据读入。用 P2.3 作为片选信号。 具 体 的 连 接 如 图 5 所 示 。 LTC1865 转 换 周 期 开 始 由 CONV 引脚的上升沿触发， 经过一段转换时间后再 将 CONV 拉低，此时通过软件控制单片机 P2.0 引脚 高低电平的变化来输出一个时钟脉冲， 同时把数据 从 P2.2 口一位一位地读入，这一过程，单片机可看 作一个带有 SPI 接口的主器件，而 P2.0 与 P2.2 两个 引脚分别充当了 SPI 接口中 SCLK 和 MISO 两个引 脚。 当 16 位数据读完毕后，即停止 P2.0 口脉冲输出。 2.3 量程自动转换的实现及工作过程
R1 9M9
U1:A MAX4602
Vx
2
3
1 R2 100k
RS_SWH_1
+5V 8
3+ 2-
4
U2:A AD822BP
1
+5V 8
5+ 6-
4
U2:B D2 3.6V AD822BP
To LTC1865
U1:B
MAX4602
6
7
R3 900k
D1 3.6V
8
R4 100k
RS_SWH_2
图 2 量程自动转换电路 Fig.2 Automatic range conversion circuit
写。 程序由主程序、量程转换子程序、 A/D 转 换 子 程 序 、LED 显 示 子 程 序 组
调用 A/D 转换子程序
成。 A/D 转换和 LED 显示子程序相对 容 易 ，可 参 考 有 关 资 料 编 写[5]，下 面 仅 介绍主程序和量程转换子程序的设计
调程序设计
Design of Digital Voltmeter with High Precision and Automatic Range Conversion
YANG Zeng-wang，CHEN Si，DAI Xin-yu
（School of Physics and Electronic Engineering，Xuzhou Normal University，Xuzhou 221116，China） Abstract：This paper presents the design proposal of high precision digital voltmeter，by taken single chip microcontroller AT89S52 as the core，A/D converter chip LTC1865 as the foundation，and combined with the circuit of automatic range conversion.The voltmeter can measure the voltage range from 0V to 400V precisely and automatically. The test results show that the voltmeter has the features such as：high precision of measuremont，stable performance， fast conversion and high definition of display，and has the very good practical application value. Key words：digital voltmeter；AT89S52；LTC1865；automatic range conversion；high precision