AD536A

推荐给朋友 打印

全量程交直流无档电压表的设计

李桂祥，肖文杰，邓 斌（空军雷达学院 湖北武汉 430010）

在数字三用表中，电压的测量通常有交流和直流2种，对某一被测电压进行测量时，首先需对被测电压进行交流与直流的判断，然后再按被测电压的大小切换适当的档位。如不进行交直流切换，测量无法进行；在档位切换方面，如用大档位测小电压的方式也可进行，但将严重影响测量精度。 能否不需要人工进行交直流判断，又不需转换档位，设计出一种智能的电压表，解决某些场合对交直流电压进行自动测量的要求。本文应上述要求，设计出一种全量程交直流无档电压表，该产品已在某军用自动测试设备中使用。

1 交直流自动量程表测量原理简析

图1为交直流自动量程表的测量原理框图。

图中K1，K2，K3，K4与K1′，K2′，K3′，K4′为2组电子联动四选一开关，K1，K2，K3，K4为小数点指示控制开关。

当K1，K1′闭合时，小数点Dian1亮，经1∶1分压的数据和经真有效值电路送至表头显示； 当K2，K2′闭合时，小数点Dian2亮，经1∶10分压的数据和经真有效值电路送至表头显示； 当K3，K3′闭合时，小数点Dian3亮，经1∶100分压的数据和经真有效值电路送至表头显示； 当K4，K4′闭合时，小数点Dian4亮，经1∶1分压的数据和经真有效值电路送至表头显示；

图1中所有电路都是围绕数字表头进行的。所以在分析自动量程电压表之前，首先了解一下数字电压表头的构成。6135数字表头为3位半表头，5 V电源供电，电压显示范围0．001～1 999 V，电压输入范围0～1．999 V。他有2个被测电压输入接口，表头上的数字显示的是被测电压的毫伏值，如果输入为1 100 mV，则对应显示1100。还有代表小数点显示位置的4根线及1根公共线，当公共点与其中某根线短路时则对应的小数点亮。

我们设计电路时充分利用了数字表头的上述特点：

一是将被测电压进行精确分压，使进入表头的被测电压控制在1．999 V以下；

二是适时分档，改变小数点控制连线，分压电路分了10的几次方的压，小数点对应则移动几位，使显示电压与被测电压一致。

2 交直流自动量程表典型电路分析

在上述的交直流自动量程表的显示原理中，还主要存在以下几个问题： ①小分压电路的（如1∶1）电路如何承受高电压的输入（如1 000 V）； ②如何保证Kn，Kn′（n＝1，2，3，4）的吸合与被测电压所要求的档位一致； ③交流电压如何实现真有效值的转换。下面分别按要求解决以上3个问题。

2．1 分压电路分析

分压电路如图2所示。

被测交直流电压经过4路分压后分4路输出，其分压比分别为：1∶1，1∶10，1∶100，1∶1000，分别对应1．999，19．99，199．9，1 999电压档。为了保证高电压经过小分压比电路时输出过高的电压损坏器件，我们采取了相应的稳压保护措施，图中D1，D2为3．6 V稳压管，其作用是保证下级电路的输入端电压不超过5 V，D1稳定正电压，D2稳定负电压。分压后绝对值低于2 V的交流或直流电压进行正常分压并输出至下一级，分压后大于2 V的电压则不必输出，当大于稳压管的反向击穿电压时，稳压管起作用。R1，R2除了分压外，R1还具有限流作用。这一点可从稳压管的的伏安特性曲线得知如图3所示。

众所周知，稳压管的工作条件有2条：

（1）必须工作在反向击穿状态；

（2）稳压管的工作电流要在稳压电流和允许的最大电流之间。

当R1或R2发生变化时，稳压管中的电流发生变化，但在一定范围内其两端电压变化很小，即能起到稳压输出电压的作用。在电路设计时我们应该尽量选定合适的电阻R1，使电路处于保护状态时的稳压管工作在b点，即稳压管的稳压区内，使稳定输出电压UO基本稳定，约为UZ。综上所述，稳压管可以认为是利用调节流过自身的电流大小（端电压基本不变）来满足负载电流的改变，并和限流电阻器配合将电流的变化转换成电压的变化以适应被

测电压的波动。

2．2 档位判别电路

档位判别电路用来确定被测电压在0～1．99，1．99～19．99，19．99～199．9，199．9～1 999中的哪一档。

由于档位判别是以直流为依据，所以被测电压输入后48需首先进行平均值转换，为了获得平均值，首先利用二极管对输入信号整流取得半周期电压，再通过低通滤波器获得平均值电压输出。由于二极管检波的非线性，造成了整流后的半周期电压与输入信号的关系也是非线性的，但由于变换出的直流不是用来显示，而是用于换档，转换出的直流电压不需十分精确。适当调节比较器的分压比，使之满足直流换档和交流换档的双重要求。本自动量程表的设计方针为“粗略换档、精确测压”，粗略换档没有牺牲精度，但是却换来了电路设计的简单、实用以及全量程自动表的“自动”换档。

该电压经档位判别电路后最终形成档位判别信号A0，A1。具体关系如表1所示，该表已经综合考虑到交流的平均值与直流电压值的差异。

比较器电路如图4所示，三路比较器用来判断被测电压是否大于1．8 V，18 V，180 V，其对应比较输出分别为Q0，Q1，Q2，当大于对应值时输出为1，否则为0。为了保证精度，采用1．2 V基准电路。为了保护自身，这里也采用稳压管保护。

在判别信号Q0，Q1，Q2经过译码电路（如图5所示）后形成控制信号A0，A1，电子开关在A0，A1的作用下，数字表头的公共小数点DP0分别与DP1，DP2，DP3，DP4短路，容易理解，1999为1 000倍，199．9为100倍，19．99为10倍，1．999为1倍。同时，四路分压值D1，D10，D100，D1000也在A0，A1作用下对应输出其中一种电压，此时的电压仍是交流或

直流。而数字表头是无法显示交流电压值的。经有效值转换后，直流电压的电压值不变，交流电压准确获得其有效值，通过数字表头显示。

2．3 真有效值电路

要将交流电压在直流数字表头上显示出来，首先需要将交流电压转换为相应的直流电压，完成交流到直流的转换。交直流电压转换有3种：平均值、有效值和峰值。本文采取了真有效值转换电路。

对于被测交流，则在分压后进入表头前进行真有效值电路的转换。交流电压有3个特征量：平均值、有效值和峰值。其中有效值又叫方均根值和均方根值，他等效于电阻负载上产生同样热量的直流电压。为了求得AC电压信号的精密测量，通常都是先把AC信号转换成DC信号，然后再输入到A／D变换器中通过数字化测量求得准确结果。就AC电压信号而言，实现AC／DC转换方案最主要的是真有效值转换（TRMS）。真有效值转换的一个共同问题就是变换特性的非线性误差，对于一个理想的交直流电压变换器，我们希望输入交流电压UI与直流输出电压EO成线性关系，即具有UI＝KEO。实际电路中，我们采用了美国AD公司生产的一种专用于真有效值直流转换的单片集成电路AD536A。该集成电路可直接计算出任何包含直流的交流分量的复杂输入波形的真有效值，并将其转换成直流信号，输入交流与输出直流电压间也满足线性关系。

AD536A的基本性能参数如下： 最大误差：0．2％（AD536AK）， 0．5％（AD536AJ）；

有效值输出范围：0～7 V；

封装：14脚密封陶瓷DIP或10脚TO-100封装。

相关AD536AJ的真有效值测量电路在文献［3］中有具体的用法及电路，这里不在重复。

3 实验数据

（1）测单直流，单交流的电压值

本表的测量范围为0～1 000 V，实验中采用程控电源产生被测电压，分别提供3．5 V，35 V，350 V被测电压，用高精度GDM-8055三用表作校准设备，试验结果如下：

（2）测直流＋交流的有效值

实验中采用信号源加偏置的方法得到“AC＋DC”的波形，波形频率50 Hz，其中偏置取＋5 V，交流电压幅度分别取3 V，13 V，23 V，以KENWOOD生产的CS-5405型100 M示波器为校准设备时的测量值结果如下：

（3）测规则波形的有效值

本表频率测量范围为0～5 000 Hz，实验中采用程控信号源产生被测信号，用KENWOOD生产的CS5405型100 M示波器为校准设备，试验结果如下：

（4）测不规则波形的电压有效值

利用该表也可准确测量不规则波形的有效值。

4 结 语

交直流自动量程表的设计不仅解决了交流与直流的电压转换问题，还解决了量程档位的自动转换问题。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/y3jo.html