一種多路信號(hào)幅值測(cè)量系統(tǒng)

交、直流信號(hào)幅值的測(cè)量和顯示是有些儀器儀表的必備功能，從顯示的形式來(lái)看，常見(jiàn)的有兩種形式：指針式和數(shù)字式。對(duì)有固定輸入信號(hào)性質(zhì)（如：交流、直流、電壓、電流等）和范圍（信號(hào)幅值區(qū)間）的測(cè)量部件，常稱(chēng)為表頭。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化顯示交、直流信號(hào)的幅值已占統(tǒng)治地位。對(duì)簡(jiǎn)單的數(shù)字表頭而言，其核心是一片A/D轉(zhuǎn)換芯片，測(cè)量過(guò)程一般是圖1所示的形式：

對(duì)于多路信號(hào)需測(cè)量的場(chǎng)合，若仍采用上述模式，有兩個(gè)途經(jīng)：①在A/D轉(zhuǎn)換前加切換開(kāi)關(guān)；②配備多個(gè)數(shù)字表頭。以方式①測(cè)量多路信號(hào)的幅值是依次進(jìn)行的，由于表頭的“慣性”，在進(jìn)行信號(hào)切換后，表頭需要有一段穩(wěn)定時(shí)間，才能準(zhǔn)確地讀數(shù)，相鄰兩信號(hào)的幅值相差越大需要的穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)。人們最為熟悉的數(shù)字萬(wàn)用表即這種模式。以該模式快速（甚至同時(shí)）測(cè)量多路信號(hào)的幅值顯然辦不到。方式②雖然可以同時(shí)得到多路信號(hào)的幅值，但其眾多的顯示窗口不利于儀器儀表面板的簡(jiǎn)化。當(dāng)今儀器儀表面板趨于屏幕化，數(shù)據(jù)顯示表格化、圖形化。

面板屏幕（液晶、CRT）化的儀器儀表通常都有微處理器支持，可以利用微處器強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)幅值的快速或同時(shí)采樣。以用51系列單片機(jī)為核心的系統(tǒng)為例，對(duì)單路信號(hào)幅值的采樣和顯示一般為圖2所示的模式。

由于單片機(jī)有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，只要輸入單片機(jī)的信號(hào)與被測(cè)信號(hào)之間存在一個(gè)固定的函數(shù)關(guān)系（最簡(jiǎn)單的是正比關(guān)系），便可實(shí)現(xiàn)測(cè)量。輸入單片機(jī)的信號(hào)可有兩種形式：一種是采用A/D轉(zhuǎn)換芯片而獲得的編碼信號(hào)；另一種是采用V/F轉(zhuǎn)換芯片而獲得的頻率信號(hào)。一般情況下單片機(jī)采用5V電源供電，邏輯電平為TTL電平。為了簡(jiǎn)單，系統(tǒng)內(nèi)的其它芯片應(yīng)向單片機(jī)看齊。為此，A/D轉(zhuǎn)換或V/F轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)應(yīng)為0～5V模擬電平，該模擬電平是經(jīng)信號(hào)比例（分壓器電路)設(shè)置后獲得的，正比于輸入信號(hào)的大小。對(duì)于交流信號(hào)而言，信號(hào)幅值指的是“有效值”，交流信號(hào)經(jīng)AD/DC轉(zhuǎn)換后便可獲得有效值。對(duì)于直流信號(hào)，經(jīng)極性處理后就可進(jìn)行A/D或V/F轉(zhuǎn)換。若被測(cè)信號(hào)為電流形式，則還需進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，對(duì)mA級(jí)以上的信號(hào)可采用電流互感器來(lái)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，mA級(jí)以下的信號(hào)則需采用運(yùn)算放大器電路來(lái)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換。

以A/D轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行模擬信號(hào)幅值測(cè)量，A/D轉(zhuǎn)換芯片特性決定了轉(zhuǎn)換精度、線性度、數(shù)字編碼的有效位數(shù)。當(dāng)前A/D轉(zhuǎn)換芯片是一個(gè)大家族，從數(shù)字編碼輸出形式上看有并行和串行兩種。從數(shù)字編碼形式上看，既有二進(jìn)制編碼，字長(zhǎng)從8位到16位（在幅值測(cè)量方面，10位以下A/D芯片基本不用）；也有BCD編碼，字長(zhǎng)為3位半或4位半。以V/F轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行模擬信號(hào)幅值測(cè)量，因其輸出頻率正比于輸入電壓，系統(tǒng)需提供計(jì)數(shù)器支持，通過(guò)單片機(jī)對(duì)頻率值的換算便可獲得輸入信號(hào)幅值。

要進(jìn)行對(duì)多路信號(hào)幅值快速甚至同時(shí)測(cè)量，必須為每路信號(hào)都配備一個(gè)轉(zhuǎn)換通道。在以單片機(jī)為核心的儀器儀表中，對(duì)多路信號(hào)幅值快速測(cè)量除要考慮轉(zhuǎn)換精度、線性度以及讀數(shù)的有效位數(shù)外，還要考慮硬件電路規(guī)模、軟件開(kāi)銷(xiāo)、系統(tǒng)成本等因素。在轉(zhuǎn)換精度、線性度、讀數(shù)的有效位數(shù)相當(dāng)以及相同轉(zhuǎn)換路數(shù)前提下，幾種方案的比較如表1。

筆者在由武漢新電高技術(shù)公司生產(chǎn)的XD3310A型微電腦移相器中成功地應(yīng)用V/F轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)六路信號(hào)幅值的同時(shí)采樣和集中顯示。XD3310A型微電腦移相器有六路信號(hào)幅值需要測(cè)量和顯示，分別是A、B、C三相交流電壓，幅值區(qū)間最大為0～450V，A、B、C三相交流電流，幅值區(qū)間最大為0～10A。從顯示的數(shù)字區(qū)間看，若采用A/D轉(zhuǎn)換方式，則轉(zhuǎn)換芯片的字長(zhǎng)至少應(yīng)達(dá)13位（二進(jìn)制）或4位半(BCD碼）。為每路信號(hào)都配備一顆這樣的芯片成本很高。因此，筆者選用了V/F轉(zhuǎn)換方式來(lái)測(cè)量這六路信號(hào)的幅值，并獲得預(yù)期效果。AC/DC轉(zhuǎn)換及V/F轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

V/F轉(zhuǎn)換芯片選用廉價(jià)的LM331，芯片的輸出頻率范圍是：1Hz～10KHz，以該芯片作A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字量有效位數(shù)范圍比3位半的A/D轉(zhuǎn)換芯片大，比4位半的A/D轉(zhuǎn)換芯片小，與13位(二進(jìn)制）的A/D轉(zhuǎn)換芯片相當(dāng)。為每個(gè)被測(cè)信號(hào)都配備一個(gè)如圖3所示的轉(zhuǎn)換通道，目的是克服V/F轉(zhuǎn)換的“慣性”，準(zhǔn)備實(shí)現(xiàn)6路信號(hào)同時(shí)采樣。

圖4是單片機(jī)控制部分電路框圖，由于整個(gè)儀器系統(tǒng)無(wú)需配備片外RAM，為了盡可能簡(jiǎn)化電路，筆者選用了內(nèi)置8K-ROM的89C52單片機(jī)。89C52的P0口作數(shù)據(jù)總線，P2口作地址總線，P1口被組織成一個(gè)4×4的鍵盤(pán)，移相器用的I/O口則通過(guò)擴(kuò)展一片8255A而得。在單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上掛有兩片8253計(jì)數(shù)器芯片，共擴(kuò)展6個(gè)16位計(jì)數(shù)器，可同時(shí)計(jì)數(shù)6路脈沖信號(hào)，該6個(gè)計(jì)數(shù)器都被設(shè)置成工作方式0且門(mén)控計(jì)數(shù)，兩芯片共6個(gè)門(mén)控端(GATE0～2)全部并在一起受89C52的P3.4(T0)控制，計(jì)數(shù)時(shí)間（P3.4高電平時(shí)間，本實(shí)例大約為1秒左右)由89C52的CTC0通過(guò)中斷服務(wù)程序產(chǎn)生。每到一計(jì)數(shù)時(shí)間，便由89C52依次讀出這6個(gè)計(jì)數(shù)值，經(jīng)換算得到了6個(gè)模擬信號(hào)幅值。

89C52中的程序主要有4大任務(wù)：1）鍵值解釋?zhuān)?）液晶顯示模塊管理；3）移相器狀態(tài)監(jiān)視和控制；4）8253計(jì)數(shù)器控制和讀出。6路信號(hào)的采樣時(shí)序見(jiàn)圖5。

實(shí)際應(yīng)用表明，在一般的信號(hào)幅值測(cè)量且有單片機(jī)支持的場(chǎng)合，利用LM331進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換具有精度高、線性度好、成本低、使用方便等優(yōu)勢(shì)。在圖4所示的設(shè)計(jì)方案中，由于89C52讀取8253的計(jì)數(shù)值非?？?，相對(duì)于采樣時(shí)間而言幾乎同時(shí)。比起巡回采樣方式，本設(shè)計(jì)方案的速度優(yōu)勢(shì)明顯，基本與信號(hào)路數(shù)無(wú)關(guān)。由于單片機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展8253非常容易，頻率信號(hào)又便于遠(yuǎn)距離傳輸和隔離，本設(shè)計(jì)方案也適用于更多路信號(hào)的遠(yuǎn)距離巡回檢測(cè)。■

參考文獻(xiàn)

1 沙占友，沙占為 編著，數(shù)字萬(wàn)用表的原理、使用與維修， 電子工業(yè)出版社，1988。

2何立民 編著，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京航空航天大學(xué)出版社，1991。