一種多路信號幅值測量系統

交、直流信號幅值的測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：指針式和數字式。對有固定輸入信號性質(zhì)（如：交流、直流、電壓、電流等）和范圍（信號幅值區間）的測量部件，常稱(chēng)為表頭。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，數字化顯示交、直流信號的幅值已占統治地位。對簡(jiǎn)單的數字表頭而言，其核心是一片A/D轉換芯片，測量過(guò)程一般是圖1所示的形式：

對于多路信號需測量的場(chǎng)合，若仍采用上述模式，有兩個(gè)途經(jīng)：①在A/D轉換前加切換開(kāi)關(guān)；②配備多個(gè)數字表頭。以方式①測量多路信號的幅值是依次進(jìn)行的，由于表頭的“慣性”，在進(jìn)行信號切換后，表頭需要有一段穩定時(shí)間，才能準確地讀數，相鄰兩信號的幅值相差越大需要的穩定時(shí)間越長(cháng)。人們最為熟悉的數字萬(wàn)用表即這種模式。以該模式快速（甚至同時(shí)）測量多路信號的幅值顯然辦不到。方式②雖然可以同時(shí)得到多路信號的幅值，但其眾多的顯示窗口不利于儀器儀表面板的簡(jiǎn)化。當今儀器儀表面板趨于屏幕化，數據顯示表格化、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，可以利用微處器強大的數據處理能力實(shí)現對多路信號幅值的快速或同時(shí)采樣。以用51系列單片機為核心的系統為例，對單路信號幅值的采樣和顯示一般為圖2所示的模式。

由于單片機有較強的數據處理能力，只要輸入單片機的信號與被測信號之間存在一個(gè)固定的函數關(guān)系（最簡(jiǎn)單的是正比關(guān)系），便可實(shí)現測量。輸入單片機的信號可有兩種形式：一種是采用A/D轉換芯片而獲得的編碼信號；另一種是采用V/F轉換芯片而獲得的頻率信號。一般情況下單片機采用5V電源供電，邏輯電平為TTL電平。為了簡(jiǎn)單，系統內的其它芯片應向單片機看齊。為此，A/D轉換或V/F轉換的輸入信號應為0～5V模擬電平，該模擬電平是經(jīng)信號比例（分壓器電路)設置后獲得的，正比于輸入信號的大小。對于交流信號而言，信號幅值指的是“有效值”，交流信號經(jīng)AD/DC轉換后便可獲得有效值。對于直流信號，經(jīng)極性處理后就可進(jìn)行A/D或V/F轉換。若被測信號為電流形式，則還需進(jìn)行I/V轉換，對mA級以上的信號可采用電流互感器來(lái)進(jìn)行I/V轉換，mA級以下的信號則需采用運算放大器電路來(lái)進(jìn)行I/V轉換。

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

要進(jìn)行對多路信號幅值快速甚至同時(shí)測量，必須為每路信號都配備一個(gè)轉換通道。在以單片機為核心的儀器儀表中，對多路信號幅值快速測量除要考慮轉換精度、線(xiàn)性度以及讀數的有效位數外，還要考慮硬件電路規模、軟件開(kāi)銷(xiāo)、系統成本等因素。在轉換精度、線(xiàn)性度、讀數的有效位數相當以及相同轉換路數前提下，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用V/F轉換方式實(shí)現了對六路信號幅值的同時(shí)采樣和集中顯示。XD3310A型微電腦移相器有六路信號幅值需要測量和顯示，分別是A、B、C三相交流電壓，幅值區間最大為0～450V，A、B、C三相交流電流，幅值區間最大為0～10A。從顯示的數字區間看，若采用A/D轉換方式，則轉換芯片的字長(cháng)至少應達13位（二進(jìn)制）或4位半(BCD碼）。為每路信號都配備一顆這樣的芯片成本很高。因此，筆者選用了V/F轉換方式來(lái)測量這六路信號的幅值，并獲得預期效果。AC/DC轉換及V/F轉換電路如圖3所示。

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

圖4是單片機控制部分電路框圖，由于整個(gè)儀器系統無(wú)需配備片外RAM，為了盡可能簡(jiǎn)化電路，筆者選用了內置8K-ROM的89C52單片機。89C52的P0口作數據總線(xiàn)，P2口作地址總線(xiàn)，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)擴展一片8255A而得。在單片機數據總線(xiàn)上掛有兩片8253計數器芯片，共擴展6個(gè)16位計數器，可同時(shí)計數6路脈沖信號，該6個(gè)計數器都被設置成工作方式0且門(mén)控計數，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，計數時(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。每到一計數時(shí)間，便由89C52依次讀出這6個(gè)計數值，經(jīng)換算得到了6個(gè)模擬信號幅值。

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)監視和控制；4）8253計數器控制和讀出。6路信號的采樣時(shí)序見(jiàn)圖5。

實(shí)際應用表明，在一般的信號幅值測量且有單片機支持的場(chǎng)合，利用LM331進(jìn)行A/D轉換具有精度高、線(xiàn)性度好、成本低、使用方便等優(yōu)勢。在圖4所示的設計方案中，由于89C52讀取8253的計數值非?？?，相對于采樣時(shí)間而言幾乎同時(shí)。比起巡回采樣方式，本設計方案的速度優(yōu)勢明顯，基本與信號路數無(wú)關(guān)。由于單片機系統擴展8253非常容易，頻率信號又便于遠距離傳輸和隔離，本設計方案也適用于更多路信號的遠距離巡回檢測?！?/font>