為了解決一般數字電壓表自動轉換量程、被測電壓極性判斷、幅度變換、超量程顯示及報警信號等智能化問題，采用數字電路芯片，通過數字邏輯控制關系實現電壓表使用功能的智能化。闡明了電路設計原理，介紹了電路系統的組成、各部分電路的功能及特點、電路元件的選擇、信號處理的過程等內容。通過實物驗證，實現了設計功能，并由此設計得到了一臺自制數字式智能電壓表。

0 引言

在現在市場上廣泛使用的一般數字電量測量電表都沒有解決量程自動轉換問題，測量操作時仍然靠人工拔動開關轉換量程，測量電表的智能化設計是一個難點。在現有的智能電表中，智能化功能大多采用單片機控制電路或雙向移位寄存器來實現，其缺點是電路系統、量程控制信號的產生比較復雜，調試與制作難度大，可靠性較差等。實際上，電路系統*可以用常用數字集成電路組成，通過組合邏輯功能來實現多個量程之間的自動轉換等功能。

1 電路系統的方框結構

電路系統由被測輸入電壓極性檢測與變換電路、電壓幅度變換電路、量程自動控制轉換信號產生電路、多路模擬開關切換電路、量程控制放大電路、A/D轉換電路和顯示電路等組成，如圖1所示。
圖1中各部分電路的功能分別是：

(1)電壓極性顯示信號產生電路：由電壓比較器根據被測電壓極性產生“+”或“-”極性顯示信號。

(2)電壓通道選擇與極性轉換電路：有2個通道，對于正極性電壓由通道1通過，若為負極性電壓由通道2通過，再變換為正極性后輸出。

(3)量程自動控制信號產生電路：根據被測電壓的高低確定各段的測量范圍(量程)，產生量程自動轉換控制信號、超量程顯示與報警信號，并控制各量程小數點的位置。

(4)程控放大器與模擬開關切換電路：在量程自動轉換控制信號的作用下選擇不同的通道，將某個量程的輸入電壓放大或衰減一定比例后送入A/D轉換器。

(5)A/D轉換電路：將模擬電壓信號轉換為數字信號。

(6)譯碼與顯示電路：將數字信號譯碼后，由數碼管顯示出測量結果。

2 電路原理圖簡介

根據圖1構建的數字式智能電壓表電路原理如圖2所示。圖中主要元器件的作用如下：
U1(LM324)為四運放IC1，U1-1/4與U1-2/4的作用是產生被測電壓極性識別信號與控制U2的信號通道。U1-3/4構成程控放大電路，對被測電壓進行10，1，1/10，1/100的放大或衰減。U1-4/4為反相放大器，用于調整輸出電壓幅度以滿足A/D轉換器正常工作要求;
U2(SGM522)為二通道模擬開關IC，實現正、負極性的被測電壓分通道傳輸，以便對負極性信號實施反相處理;

U3(C4066)為四通道模擬開關IC，在量程自動控制信號的作用下，實現讓不同量程的電壓分通道傳輸，以便配合U1-3/4電壓進行幅度變換;

U4(LM339)、U5(74LS05)、U6與U7(74LS21)組成自動量程控制信號產生電路。其中，U4為四比較器IC，用于確定各量程的測量范圍，U5為四反相器，對高或低電平實施反相變換，U6、U7均為四輸入雙與門IC，通過邏輯運算獲得自動量程控制信號;

U8(C14433)為雙積分式A/D轉換器(又稱雙斜式A/D轉換器)，轉換輸出結果與輸入信號的平均值成正比，對疊加在輸入信號上的交流干擾有良好的抑制作用，具有零漂補償的3位半(BCD碼)單片雙積分式A/D轉換功能，轉換速率為3～10Hz，轉換精度為±1LSB，模擬輸入電壓范圍0～±1.999V或0～±199.9mV，輸入阻抗大于100MΩ。MC14433轉換結果以BCD碼形式，分別按千、百、十、個位由Q0～Q3端輸出，相應的位選通信號由DS1～DS4提供;

U9(MC14511B)為譯碼集成電路，將BCD碼譯碼成十進制信號，控制數碼管的位顯示;

U10(MC1413)為7路反相緩沖集成電路，用于實現高低電平間的轉換，增強對數碼顯示管的驅動能力。

3 電路工作原理

(1)被測電壓的Ux極性判斷與變換電路工作原理：電路由2個過零電壓比較器、一個反相器和雙向限幅電路組成，當Ux極性為“+”時，U1-1/4輸出高電平，在C+的控制下被測電壓通過U2的*通道。U1-2/4輸出低電平，C也為低電平，U2的第二通道不通;當Ux極性為“-”時。U1-2/4輸出高電平，在C的控制下被測電壓通過U2的第二通道，并通過U5-1-4完成反相變換。U1-1/4輸出低電平，C+使U2的*通道不通。V1，V2為雙向限幅二極管，用于限制加到U1-1/4與U1-2/4輸入端的電壓幅度。

(2)多路模擬開關和程控放大電路工作原理：電路由C4066，U1-3/4，R4～R7等組成。設R1～R3通道等效電阻為R1～3，其大小可設置為100kΩ，當B1為高電平時，多路模擬開關C4066的i1～O1通道接通，運放U1-3/4的反饋電阻R4取1MΩ，對Ux放大10倍后送入A/D轉換器的輸入端。若A/D轉換的電壓滿度值為2V，則可測量0～±200mV的電壓。同理，當量程轉換控制信號B2，B3，B4分別為高電平時，C4066對應的通道接通，當U1-3/4的反饋電阻R5，R6，R7分別取100kΩ、10kΩ、1kΩ時，R5使±200mV～±2V的電壓直接通過，R6使±2～±20V的電壓衰減10倍后通過，R7使±20～±200V的電壓衰減100倍后通過。再將某一路輸出電壓經U1-4/4反相放大，使與實際被電壓極性一致，并可通過R16調節電壓放大倍數(-R16/R15)，保證A/D轉換電路正常工作所需的輸入電壓。

(3)量程自動轉換控制電路工作原理：量程自動轉換電路由四4比較器U4、3個反相器(U5內)、2個四輸入雙與門U6與U7、分壓電阻R10～R14等組成。由于設置R1～3為100kΩ，選擇R8(470kΩ可調)與R9(5kΩ)使ux在R9上的分壓比為1/100，經分壓后加到各比較器的反相輸入端。當ux分別為±200mV，±2V，±20V，±200V時，分電壓值分別為2mV，20mV，0.2V，2V。同時，由R10～R14(電阻值如圖2中所示)對Vcc分壓獲得各比較器的參考電平也分別為2mV，20mV，0.2V，2V，并分別加至各比較器的同相輸入端。當被電壓Ux達到某量程的滿刻度值時，使比較器的輸出電平由高變低，通過組合邏輯電路產生量程自動控制與標志信號(高電平有效)。若Ux位于0～±200mV，U6-1/2輸出高電平，獲得有效量程控制信號B1，其余B2～B3為低電平;同理，當被測電壓分別在±2V，±2～±20V，±20～±200V范圍時，U6-2/2、U7-1/2、U7-2/2分別輸出高電平，獲得量程控制信號B2、B3和B4，狀態轉換表如表1所示。

邏輯表達式分別為：B1=W·X·Y·Z，為超量程標志信號。

(4)被測電壓極性、小數點位置與超量程的指示信號：被測電壓極性顯示控制信號由U1-2/4提供，用輸出的高或低電平控制“-”或“+”號的顯示;小數點位置控制信號由量程自動轉換控制信號實現，B1的高電平用于顯示測量范圍為0～±200mV的小數點位置，B2的高電平用于顯示測量范圍為±200mV～±2V的小數點位置，B3的高電平用于顯示測量范圍為±2～±20V的小數點位置，B4的高電平用于顯示測量范圍為±20～±200V的小數點位置，當被測量電壓范圍在±200V以外時，不用小數點;超量程指示信號由B4的低電平實現，當B4為低電平時，表明被測電壓超過了±200V的zui高上限。

(5)A/D轉換、譯碼、顯示電路工作原理：用U1-2/4輸出的信號控制數碼管zui高位“g”段的亮與不亮，實現極性“-”顯示。當U4的4個比較器都輸出高電平量，便發生了超量程情況，可用它們產生報警與超量顯示信號(本系統未考慮)。當程控放大器輸出的信號加到U8的3腳，將模擬電壓轉換為BCD碼，并由20、21、22、23腳輸出，經U9譯碼為千、百、十、個四位十進制數，同時，由U8的16、17、18、19腳輸出對應的選通信號，共同控制數碼管顯示測量結果。

4 結語

本測量系統運用與門、反相器、比較器、多路模擬開關集成電路(C4066)等數字集成電路巧妙組合獲得了被電壓極性判斷、量程自動轉換、信號幅度變換、小數點位置顯示控制、超量程顯示與報警信號。電路結構設計看似復雜，但分立元件少，成本低。具有設置量程方便、電壓測量范圍寬、功能相對獨立且容易擴展、工作穩定可靠等優點，值得借鑒。