自动量程切换电压测量系统设计

2011-08-23 13:22:16来源: 互联网
    在电子系统设计调试过程中,电压测量往往是一个测控或测量系统中不可缺的项目。对于电压测量,若其在一个小动态范围内变化,则无论电平高低,要做到精确测量并不困难。但当被测量在宽动态范围内变化时,例如从mV级甚至μV级到V级,做到测量误差均匀的控制在一定范围之内,常用的方式是切换量程,即指定测量范围,例如常用的数字电压表等仪器。然而在许多情况下为了保证测量的实时性,测量时不可能变换测量通道的量程,因此要在整个电压变化范围内做到精确测量就凸显出其重要性。本文基于MCU AT89C51控制,实现了一种自动量程切换的电压测试系统。


1 电压测量原理及系统组成
    为了对不同量级的电压信号进行测量,对输入信号进行放大时就不能采用相同的增益倍数。系统要求能根据不同信号幅值,自动选择相适应的增益倍数。在本方案中采用单片机判断输入电平的量级,通过通道选择开关,控制前级放大器的增益系数,使其输出符合后级ADC的输入电平要求。再通过MCU对采样结果计算分析,将得到的结果显示在LED显示器上,可以通过按键控制测量的起始状态,默认状态下为一直处于测量状态。为消除信道在不同温度、湿度等状态下对测量的影响,增加了基准电压自校准功能,其测量系统框图如图1所示。

2 系统硬件电路
2.1 前级程控放大电路
    由于输入信号最小为μV级,对于前级放大器的要求很高,需要有合适的温度系数、噪声系数等。目前一些方案中多数采用斩波放大器。本文采用ADI公司的具有超低失调、超低漂移和偏置电流特性的宽带自稳零放大器AD8628,可提供自稳零或斩波稳定放大器才具有的特性优势,将低成本与高精度、低噪声特性融于一体。AD8628的失调电压仅为1μV,失调电压漂移小于0.005μV/℃,噪声仅为0.5μV峰峰值,因而适合不容许存在误差源的应用。其在工作温度范围内的漂移接近零,对位置和压力传感器、医疗设备以及应变计放大器应用极为有利,可以利用AD8628提供的轨到轨输入和输出摆幅能力,以降低输入偏置复杂度,并使信噪比达到最大。具体电路如图2所示。

    该部分中,实现增益控制主要依靠通道选择,本方案中采用四通道选择器ADG804,该器件导通电阻小于0.8 Ω,单电源供电,封装小,温度适应性强,通过地址线A0和A1选择导通路。单片机I/O口送数至ADG804的地址输入端,选择不同的反馈电阻值Rf,通过式(1)得到不同的放大增益系数G,进而确定事先定义的不同档位的切换。
    G=Vo/Vi=Rf/Ri (1)
2.2 ADC变换电路
    选择使用AD775作为本方案中的A/D变换器。AD775是一款CMOS、低功耗、8位、20 MSPS采样模数转换器(ADC),内置采样功能和片内基准电压偏置电阻,可提供完整8位ADC解决方案。它采用流水线式或乒乓两步式FLASH架构,可提供最高35 MHz的采样速率,同时保持极低的功耗(60 mW)。该器件融合了出色的微分非线性(DNL)、高采样速率、低差分增益与相位误差、极低功耗以及+5 V单电源工作等特性,其参考电阻可采用多种配置方式进行连接,以处理不同的输入范围。与传统的FLASH型转换器相比,低输入电容提供易于驱动的输入负载。图3给出ADC的外围电路以及和MCU数据传输的连接关系。

[1] [2]

关键字:自动量程切换  电压测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/0823/article_3297.html
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