電子測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用課件-(7)[146頁(yè)]

1、第7章 電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用 7.1 靜態(tài)數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)7.2 三位半數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)7.3 電流測(cè)量7.4 電感L 及電容C 的測(cè)量7.5 電壓-頻率轉(zhuǎn)換7.6 非電量測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用思考與練習(xí)題7.1 靜態(tài)數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)7.1.1 結(jié)構(gòu)框圖及波形關(guān)系 結(jié)構(gòu)框圖及波形關(guān)系如圖7-1所示,其原理在時(shí)頻測(cè)量技術(shù)一章中已做過介紹,這里 主要介紹設(shè)計(jì)過程。圖71 電子計(jì)數(shù)法測(cè)頻的原理框圖及各點(diǎn)波形7.1.2 各部分功能及實(shí)現(xiàn)方法 1.信號(hào)放大、整形電路 為了能測(cè)量不同幅度與波形的周期信號(hào)的頻率,必須對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大與整形處 理,使之成為能觸發(fā)計(jì)數(shù)器的脈沖信號(hào)。信號(hào)放大可以采用一般的運(yùn)算放大電路,波形整 形

2、可以采用過零觸發(fā)電路(將被測(cè)信號(hào)的波形轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾?,也可以采用施密特觸發(fā)器。 此系統(tǒng)采用 LM741放大器及SN74HC14施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)放大整形功能,放大器的增益 為20倍,電路如圖72(a)所示。由于系統(tǒng)為+5V 供電,為了得到 LM741運(yùn)算放大器 -5V 電壓,采用了反向器集成器件ICL7660。ICL7660管腳如圖72(b)所示。圖72 放大、整形電路施密特門整形原理如圖73所示,其中圖(a)為遲滯特性,圖(b)為基于遲滯特性的整 形關(guān)系波形圖。圖73 施密特門整形原理2.振蕩器 振蕩器的作用是為門控時(shí)間提供原始的時(shí)間基準(zhǔn),一般用晶體振蕩器實(shí)現(xiàn)。為了頻率 調(diào)試方便,這里采用具有

3、一定穩(wěn)定性的555振蕩器實(shí)現(xiàn)。圖74是用 NE555器件組成的 振蕩器電路,調(diào)整R2 的阻值可調(diào)整振蕩器的輸出頻率。為了獲得更好的觸發(fā)效果,可將 振蕩器的輸出信號(hào)用施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形。圖74 振蕩器電路3.分頻器 分頻器的作用是獲得對(duì)應(yīng)門控時(shí)間大小的周期性信號(hào)的周期。分頻器可以采用計(jì)數(shù)器 通過計(jì) 數(shù) 獲 得。圖 75 是 利 用 7 位 二 進(jìn) 制 輸 出 的 計(jì) 數(shù) 器 74HC4024 及 “與 門”器 件 SN74HC11組成的一百進(jìn)制計(jì)數(shù)器,以實(shí)現(xiàn)100分頻。圖75 分頻器電路4.門控產(chǎn)生 門控產(chǎn)生器的作用是獲得所需的門控時(shí)間,一般通過雙穩(wěn)電路來實(shí)現(xiàn),即門控時(shí)間對(duì) 應(yīng)了輸入信號(hào)的周期

4、。如圖7 6(a)所示,輸入脈沖的周期為 T,輸出脈沖的門控時(shí)間為 T,即相當(dāng)于二分頻。如圖76(b)所示是利用雙JK 觸發(fā)器74HC109中的一個(gè)觸發(fā)器組 成 T 觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)門控產(chǎn)生功能的電路圖。JK 觸發(fā)器構(gòu)成的 T 觸發(fā)器為上升沿觸發(fā),使 J為高電平、K 為低電平,則可實(shí)現(xiàn)圖76(a)所示的功能。若當(dāng)頻率為1 Hz的信號(hào)由 CLK 輸入時(shí),Q 端會(huì)輸出脈寬為1s、周期為2s的方波信號(hào)。圖76 門控產(chǎn)生電路及輸出波形需要說明的是,時(shí)間基準(zhǔn)(振蕩器周期)是周期性給出的,門控(閘門)信號(hào)亦是周期性 的。當(dāng)閘門時(shí)間T 開始(門控上升沿)時(shí),計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù);在閘門時(shí)間T 結(jié)束(門控下降 沿)時(shí),

5、將計(jì)數(shù)器所計(jì)數(shù)值寄存后對(duì)計(jì)數(shù)器清零。下一個(gè)閘門周期依此循環(huán)進(jìn)行。5.主門 主門用于控制是否將輸入被測(cè)脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。它的一個(gè)輸入端接門控產(chǎn)生 電路的輸出,用此信號(hào)去打開與關(guān)閉主門,另一個(gè)輸入端接被測(cè)脈沖,這樣就可以獲得在 門控時(shí)間內(nèi)所通過的被測(cè)信號(hào)脈沖的數(shù)目。主門可以用“與門”或“或門”來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)采用與 門時(shí),門控信號(hào)為高電平時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù);若采用或門,則門控信號(hào)為負(fù)電平時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)。此 設(shè)計(jì)采用具有與門功能的集成器件74HC11來完成。6.計(jì)數(shù)器 選擇 228 CD4518B芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器功能。CD4518B是一個(gè)雙 BCD 二/十同步加法計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu),功能管腳分別為17和915,其管腳結(jié)構(gòu)

6、如圖7 7(a)所示。各管腳功能如下: CLOCK A、CLOCKB:時(shí)鐘 A 輸入端、時(shí)鐘 B輸入端; ENABLEA、ENABLEB:計(jì)數(shù)允許控制端 A、計(jì)數(shù)允許控制端 B; Q1AQ4A、Q1BQ4B:計(jì)數(shù)器 A 輸出端、計(jì)數(shù)器 B輸出端; CLEARA、CLEARB:清除端 A、清除端 B; Vdd:正電源; Vss:地。每個(gè)計(jì)數(shù)器有兩個(gè)時(shí)鐘觸發(fā)輸入端 CLOCK 和 ENABLE(1腳或2腳;9腳或10腳), 4路BCD碼信號(hào)輸出(3腳6腳;11腳14腳)。時(shí)鐘觸發(fā)輸入端 CLOCK 為上升沿觸發(fā) 計(jì)數(shù),時(shí)鐘觸發(fā)輸入端 ENABLE為下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù)。圖77 基于 CD4518芯片計(jì)數(shù)

7、器設(shè)計(jì)若選擇時(shí)鐘上升沿觸發(fā)計(jì)數(shù),則時(shí)鐘觸發(fā)信號(hào)應(yīng)由 CLOCK 端輸入,此時(shí) ENABLE 端應(yīng)置為高電平(1),清除端應(yīng)置低電平(0);若選擇時(shí)鐘下降沿觸發(fā)計(jì)數(shù),則時(shí)鐘觸發(fā)信 號(hào)應(yīng)由 ENABLE 端輸入,此時(shí) CLOCK 端應(yīng)置為低電平 (0),清除端應(yīng)置低電平 (0)。 CD4518功能表如圖77(b)所示。圖77 基于 CD4518芯片計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)對(duì)于四位LED顯示,最大顯示數(shù)字為9999,則需要四位十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,即四個(gè)十 進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,采用兩塊 CD4518芯片即可?？紤]到 CD4518沒有進(jìn)位觸發(fā)端,對(duì)于前 三位計(jì)數(shù)器,需要施加適當(dāng)?shù)目刂埔詫?shí)現(xiàn)進(jìn)位觸發(fā)功能。現(xiàn)選擇上升沿觸發(fā),為

8、了保證當(dāng) 前位計(jì)數(shù)器在輸出數(shù)字量1001結(jié)束后能給下一位計(jì)數(shù)器提供上升沿觸發(fā)電平信號(hào),將 Q4 和 Q0 端“與非”后作為下一級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入,即可完成進(jìn)位功能。具有進(jìn)位端的十進(jìn) 制計(jì)數(shù)器如圖77(c)所示。把4個(gè)計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)起來就構(gòu)成了4位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,Z指輸 出為高阻狀態(tài)。圖77 基于 CD4518芯片計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)7.鎖存器 在門控時(shí)間內(nèi),計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果(對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)頻率)必須經(jīng)鎖定后才能獲得穩(wěn)定的 顯示值。鎖存器的作用是通過觸發(fā)脈沖控制,從而將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果寄存起來,再送至 譯碼顯示器。鎖存器可以采用一般的8位并行輸入寄存器,為了使數(shù)據(jù)控制穩(wěn)定,最好采 用邊沿觸發(fā)方式的鎖存器件。這里選

9、擇常用的8位鎖存器74HC374。74HC374為具有三 態(tài)輸出的八 D 邊沿觸發(fā)鎖存器,其管腳功能如圖78(a)所示,功能表如圖78(b)所示。 在CLK 觸發(fā)輸入端輸入脈沖的上升沿時(shí),將D1D8 的數(shù)據(jù)鎖存(打入)到輸出端 Q1Q8。 功能表中的 Q0 為建立穩(wěn)態(tài)前各 Q 的電平,Z指輸出為高阻狀態(tài)。圖78 HC374管腳功能圖及功能表8.譯碼器與數(shù)碼管顯示 譯碼器的作用是把用 BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的筆段信 號(hào),以獲得對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)的數(shù)字顯示。在選用譯碼器時(shí),譯碼器的輸出方式必須與數(shù)碼管 的顯示方式匹配。此設(shè)計(jì)選擇通用的共陰七段 LED 數(shù)碼管,譯碼驅(qū)動(dòng)選用集成譯

10、碼器件 CD4511。譯碼器與數(shù)碼管連接方法如圖79所示,其中 A、B、C、D為四位二進(jìn)制數(shù)的輸入端。為了防止數(shù)碼管工作電流過大而損壞,在譯碼器的輸出端與數(shù)碼管各段的輸入端需 加330 左右的限流電阻。圖79 CD4511譯碼器與數(shù)碼管連接示意圖9.邏輯控制器 邏輯控制器主要完成兩個(gè)功能:第一個(gè)是控制計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)、清零功能;第二個(gè)是控 制寄存器的鎖存(打入)功能,即顯示器的顯示控制。在計(jì)數(shù)階段(閘門工作期間),顯示器 顯示的是上一個(gè)閘門工作期間的計(jì)數(shù)結(jié)果,不會(huì)顯示計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)期間的瞬時(shí)計(jì)數(shù)值?？刂?電路如圖710所示,用集成器件74HC11的一個(gè)與門,經(jīng)合理的輸入、輸出關(guān)系控制后 即可實(shí)現(xiàn)這些邏

11、輯控制功能。圖710 邏輯控制電路7.1.3 數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路組成 圖711為測(cè)量頻率范圍為19999Hz的四位靜態(tài)顯示的數(shù)字頻率計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電 路組成。系統(tǒng)供電電壓為+5V。7.1.4 各部分工作原理及系統(tǒng)工作過程 被測(cè)信號(hào)通過由LM741運(yùn)算放大器組成的20倍增益的放大電路后送至施密特觸發(fā)器 整形,得到能觸發(fā)計(jì)數(shù)器的脈沖波輸出,送至主門電路。為了防止輸入信號(hào)太強(qiáng),損壞集 成運(yùn)放,可在運(yùn)放的輸入端反向并接兩個(gè)保護(hù)二極管。圖711中,V100指的是555電路輸出并整形之后的100Hz信號(hào),V+1s指的是門 寬為1s的門控信號(hào),V-1s指的是 V+1s信號(hào)取反后的信號(hào)。7.2 三位半數(shù)字

12、電壓表設(shè)計(jì)7.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖712所示,其原理在電壓測(cè)量技術(shù)的電壓數(shù)字化測(cè)量中已做介 紹,這里主要介紹設(shè)計(jì)過程。圖712 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖7.2.2 各部分功能及實(shí)現(xiàn)方法 根據(jù)設(shè)計(jì)三位半數(shù)字電壓表的任務(wù)要求,需要選擇三位半雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器,并根 據(jù)所選擇的 A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn),選擇其余各部分的功能電路?，F(xiàn)選擇摩托羅拉公司生產(chǎn) 的 A/D轉(zhuǎn)換器 MC14433,此轉(zhuǎn)換器內(nèi)部不包括譯碼電路,但正好可以從測(cè)量關(guān)系分解的 角度更好地認(rèn)識(shí)數(shù)字化測(cè)量技術(shù)。1.三位半雙積分 A/D轉(zhuǎn)換器 MC14433 1)管腳功能 MC14433是 CMOS雙積分式三位半 A/D 轉(zhuǎn)換器。該器件

13、將構(gòu)成數(shù)字和模擬電路的 約7700多個(gè) MOS晶體管集成在一個(gè)硅芯片上,采用雙列直插式24管腳封裝,其管腳功 能示意圖如圖713所示。圖713 管腳功能示意圖2)性能特點(diǎn) (1)工作電壓范圍為4.58V,功耗為8mW。(2)內(nèi)含時(shí)鐘振蕩器,具有自動(dòng)調(diào)零、自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能。 (3)僅需外接一只振蕩電阻,電壓量程分兩擋:200 mV 和2V,最大顯示值分別為 199.9mV、1.999V?；鶞?zhǔn)電壓與量程成11關(guān)系,即Um =Uref。能獲得超量程(OR)、欠 量程(UR)信號(hào),便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換量程。能增加讀數(shù)保持(HOLD)功能。 (4)可測(cè)量正或負(fù)的電 壓 值。當(dāng) CP1、CP0 端 接 入 4

14、70k 電 阻 時(shí),時(shí) 鐘 頻 率 約 為 66kHz,每秒鐘可進(jìn)行4次 A/D轉(zhuǎn)換。 (5)需配外部的段、位驅(qū)動(dòng)器,采用 動(dòng) 態(tài) 掃 描 顯 示 方 式,通 常 選 用 共 陰 極 LED 數(shù) 碼管。(6)有多路調(diào)制的 BCD碼輸出,能與微處理機(jī)或其它數(shù)字系統(tǒng)兼容,可直接配微處理 器構(gòu)成智能儀器。3)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 MC14433的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)如圖714所示,主要由積分器及自動(dòng)調(diào)零、時(shí)鐘振蕩器、 三位半計(jì)數(shù)器、鎖存器、多路選擇開關(guān)、控制邏輯、極性檢測(cè)器及過載(超量程)指示器等組成。MC14433內(nèi)部沒有段譯碼器。圖714 MC14433的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)示意圖DS1DS4 是各位數(shù)據(jù)輸出的位

15、選通信號(hào),當(dāng)某一位選通信號(hào)為高電平時(shí),相應(yīng)位的 數(shù)據(jù)即被選通,此時(shí)該位數(shù)據(jù)從 Q0Q3 端輸出,時(shí)序關(guān)系如圖715所示。EOC為脈寬 僅為T0/2的窄脈沖。當(dāng) EOC正脈沖過后,按照 DS1(最高位 MSD,即千位)DS2DS3DS4(最低位LSD)的順序依次選通。位選通信號(hào)的脈寬為18T0,相鄰位選通信號(hào)之間有 2T0 的位間消隱時(shí)間。作動(dòng)態(tài)掃描時(shí),掃描頻率f1=f0/80,若取f0=50kHz,則f1= 625Hz,測(cè)量速率 MR=f0/164003次/s。圖715 DS1DS4 時(shí)序關(guān)系圖MC14433外部接線電路如圖716所示,R4、C1 分別為外接積分電阻及電容,C2 為 外接調(diào)零電

16、容,R5 為外接振蕩電阻。為了調(diào)試方便,3腳的被測(cè)電壓Ux 連接一開關(guān),通 過開關(guān)S可以選擇被測(cè)對(duì)象。圖中,用電位器R3 對(duì)正、負(fù)電壓分壓,調(diào)節(jié)電位器R3 滑動(dòng) 端的位置就可以模擬不同的被測(cè)量。圖716 MC14433外部接線電路圖2.譯碼、顯示電路 譯碼器的作用是把用 BCD碼表示的十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成能驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管正常顯示的筆段信 號(hào),以獲得對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)的數(shù)字顯示。在選用譯碼器時(shí),譯碼器的輸出方式必須與數(shù)碼管 顯示方式匹配。此設(shè)計(jì)選擇通用的共陰七段 LED 數(shù)碼管,譯碼驅(qū)動(dòng)選用集成譯碼器件 CD4511?？紤]到 A/D 轉(zhuǎn)換器 MC14433內(nèi)部的三位半計(jì)數(shù)器功能,又考慮到各位計(jì)數(shù)器 的計(jì)數(shù)值是按

17、位動(dòng)態(tài)掃描輸出的,所以譯碼、顯示亦采用動(dòng)態(tài)掃描譯碼、顯示方式,即將 一個(gè)CD4511譯碼器的四個(gè)輸入端和 A/D轉(zhuǎn)換器的四位二進(jìn)制數(shù)字輸出端相連接,將該譯 碼器的各個(gè)輸出端同時(shí)連接到四個(gè)LED數(shù)碼管的對(duì)應(yīng)輸入端,利用 A/D轉(zhuǎn)換器 MC14433 的選通信號(hào)控制 LED數(shù)碼管接地端的電平,從而保證 A/D轉(zhuǎn)換器中相應(yīng)位上的計(jì)數(shù)器點(diǎn) 亮 LED顯示器的相應(yīng)位。譯碼器、數(shù)碼管控制連接方法如圖717所示。圖717 譯碼器、數(shù)碼管控制關(guān)系3.邏輯控制電路 鑒于一部分邏輯控制電路已在 A/D轉(zhuǎn)換器中完成,又考慮到 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出的各位 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值和選通信號(hào)相對(duì)應(yīng),所以,需要配合好 A/D 轉(zhuǎn)換器

18、的輸出,做好譯碼、顯 示的邏輯控制功能。由于 A/D轉(zhuǎn)換器 MC14433輸出的選通信號(hào)為高電平信號(hào),因此對(duì)于選擇的共陰LED 數(shù)碼管顯示器就需要進(jìn)行反向,此系統(tǒng)選擇 MC1413七路達(dá)林頓管作為數(shù)碼管的選通器。 MC1413采用 NPN 達(dá)林頓復(fù)合晶體管的結(jié)構(gòu),可直接接收 MOS或 CMOS集成電路的輸 出信號(hào)。其封裝為16引腳的雙列直插式。每一驅(qū)動(dòng)器輸出端均接有一釋放電感負(fù)載能量 的抑制二極管。該器件有兩個(gè)作用:一是增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力,它有很高的電流增益(=1500, Icm 200mA)和很高的輸入阻抗,可把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成足夠大的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載, 7路同時(shí)工作時(shí)每路仍可輸出40mA 電流

19、;二是具有反向作用,該電路內(nèi)含有7個(gè)集電極 開路的反相器(也稱 OC門)。MC1413內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用如圖718所示,其中圖(a)為內(nèi)部 結(jié)構(gòu),圖(b)為應(yīng)用示意圖。圖718 MC1413內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用示意4.精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源 A/D轉(zhuǎn)換需要外接標(biāo)準(zhǔn)電壓源作為參考電壓,標(biāo)準(zhǔn)電壓源的精度應(yīng)當(dāng)高于 A/D 轉(zhuǎn)換 器的精度。此系統(tǒng)采用 MC1403集成精密穩(wěn)壓源提供參考電壓。MC1403的輸出電壓為 2.5V,當(dāng)輸入電壓在4.515V 范圍內(nèi)變化時(shí),輸出電壓的變化不超過3mV,一般只有 0.6mV 左右,輸出最大電流為10mA。在 MC1403的輸出端通過電位器分壓來得到所需 要的2V 或200mV

20、基準(zhǔn)參考電壓。為了方便,可用兩個(gè)10k 電位器分別分壓輸出,并 由開關(guān)來選擇,其電路如圖719所示。圖719 基于 MC1403的穩(wěn)壓輸出7.2.3 三位半數(shù)字電壓表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路組成 由 MC14433等器件組成的三位半數(shù)字電壓表的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路組成如圖720所示。被測(cè)直流電壓Ux 經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后以動(dòng)態(tài)掃描形式輸出,數(shù)字量輸出端 Q0、Q1、Q2、Q3 上 的數(shù)字信號(hào)(8421BCD碼)按照時(shí)間先后順序依次按千位、百位、十位、個(gè)位輸出,同時(shí)位 信號(hào)指示 DS1、DS2、DS3、DS4 依次為高電平,作為位選信號(hào);數(shù)字信號(hào)經(jīng)七段譯碼器 CD4511譯碼后,驅(qū)動(dòng)四只LED數(shù)碼管的各段陽(yáng)極,位選

21、信號(hào)DS1、DS2、DS3、DS4通過位 選開關(guān) MC1413反向后分別控制著千位、百位、十位和個(gè)位上的四只 LED 數(shù)碼管的公共 陰極,這樣就把 A/D轉(zhuǎn)換器按時(shí)間順序輸出的數(shù)據(jù)以掃描形式在四只數(shù)碼管上依次顯示 出來。由于選通重復(fù)頻率較高,工作時(shí)從高位到低位以每位每次約300s的速率循環(huán)顯 示,即一個(gè)四位數(shù)的顯示周期是1.2ms,所以人的肉眼就能清晰地看到四位數(shù)碼管同時(shí)顯 示三位半十進(jìn)制數(shù)字量。7.3 電 流 測(cè) 量7.3.1 電流 電壓轉(zhuǎn)換法 電流 電壓轉(zhuǎn)換法主要可歸納為下面兩種方法。 1.取樣電阻法 取樣電阻法就是在被測(cè)電流回路中串入很小的標(biāo)準(zhǔn)電阻r取樣電阻,將被測(cè)電流 轉(zhuǎn)換為被測(cè)電壓U

22、x,當(dāng)滿足條件rR 時(shí),取樣電阻r 上的電壓為若被測(cè)電流Ix 較大,可以直接用高阻抗電壓表測(cè)量取樣電阻兩端的電壓Ux;若被測(cè) 電流Ix 較小,應(yīng)將Ux 放大到接近電壓表量程的適當(dāng)值后再由電壓表進(jìn)行測(cè)量。為了減小 Ux 的測(cè)量誤差,要求該放大電路具有極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗,為此,一般采用 電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路,如圖721所示。對(duì)于不同大小的測(cè)量電流,可以選擇不同的 取樣電阻,即分擋測(cè)量。圖721 取樣電阻法測(cè)量電流在圖721中,開關(guān)S1S3 為量程開關(guān)。若選擇電阻為ri,則輸出電壓為2.反饋電阻法 反饋電阻法就是在被測(cè)電流回路中串接一個(gè)電壓并聯(lián)負(fù)反饋運(yùn)放電路,讓被測(cè)電流流 過反饋電阻,

23、如圖722所示。 圖722(a)中,S為量程開關(guān),取R1=1k,R2=10k,R3=100k。若Ux 接5V 量程電壓表,則該測(cè)量電路可測(cè)電流量程相應(yīng)約為5mA、0.5mA、0.05mA 三擋。該電 路中標(biāo)準(zhǔn)電阻R1R3 阻值一般為101 M。當(dāng)R1 M 時(shí),難 以 保 證 準(zhǔn) 確 度。若 被 測(cè) 電 流Ix 很 小 時(shí),例 如 將Ix =10nA 轉(zhuǎn) 換 為 Ux =1V 時(shí),需R=100 M,測(cè)量準(zhǔn)確度就難以保證。此時(shí)可選R=1 M,先將10nA轉(zhuǎn)換成10mV,再用一個(gè)電壓增益為100的同相比例運(yùn)算放大器將電壓放大到1V。圖722 反饋電阻法測(cè)量電流7.3.2 電流 頻率轉(zhuǎn)換法 用 NE5

24、55定時(shí)器可組成電流 頻率轉(zhuǎn)換器,用該轉(zhuǎn)換器可以比較簡(jiǎn)單地測(cè)量電流。將 NE555電路的閾值端(6腳)、觸發(fā)端(2腳)和放電端(7腳)全部連接在一起,并接上一個(gè)積 分電容,利用輸入電流對(duì)電容的充放電,可實(shí)現(xiàn)從電流到頻率的轉(zhuǎn)換。其電路如圖723 所示。圖723 基于555的電流 頻率轉(zhuǎn)換電路7.3.3 電流 磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換法測(cè)量電流霍爾式電流表 不論是用電流表直接測(cè)量電流還是用RU 轉(zhuǎn)換法間接測(cè)量電流,都需要將被測(cè)量電 流回路切斷后再接入測(cè)量裝置,測(cè)量不是很方便。在不允許切斷電流回路或被測(cè)電流太大 的情況下,可以利用電流 磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的關(guān)系,然后再利用霍爾傳感器將對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為 電壓值,之后進(jìn)行放大、處

25、理后顯示。這里簡(jiǎn)單介紹轉(zhuǎn)換原理?；魻柺诫娏鞅淼脑硎抢没魻杺鞲衅?將被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)應(yīng)霍爾 電勢(shì)的大小。圖724為采用霍爾傳感器的鉗形電流表測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)示意圖。圖中,冷軋硅鋼 片圓環(huán)的作用是將被測(cè)電流Ix 產(chǎn)生的磁場(chǎng)集中到霍爾元件上,以提高靈敏度。作用于霍 爾片上的磁感應(yīng)強(qiáng)度B 為式中,KB 為電磁轉(zhuǎn)換靈敏度。線性集成霍爾片的輸出電壓Uo 為式中,KH 為霍爾片靈敏度,I 為霍爾片控制電流;K 為霍爾電流表的電流靈敏度,且 K = KHKBI。若Ix 為直流,則Uo 亦為直流;若Ix 為交流,則Uo 亦為交流。霍爾式鉗形電流表可 測(cè)量的最大電流達(dá)100kA,可用來測(cè)量輸電線上的電流

26、,也可用來測(cè)量電子束、離子束等 無法用普通電流表直接進(jìn)行測(cè)量的電流。圖724 霍爾式鉗形電流表測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)示意圖7.4 電感L 及電容C 的測(cè)量7.4.1 電感L 測(cè)量 可以采用LU 轉(zhuǎn)換技術(shù)和電壓測(cè)量技術(shù)相結(jié)合的方式測(cè)量電感值L。如圖725所 示,將電感器接入放大器的反饋支路,用正弦信號(hào)ur 作為放大器的激勵(lì)。圖中,R1 為放 大器輸入端的標(biāo)準(zhǔn)電阻,被測(cè)電感器可等效為rx 和Lx 串聯(lián)電路,其中rx為等效串聯(lián) 電阻。圖725 放大器式L U 變換設(shè)測(cè)試電壓ur=Ursint,則從圖725不難求得經(jīng)電感 電壓變換的輸出電壓uo:從式(71)可見,uo 由實(shí)部和虛部?jī)刹糠纸M成,它們分別與rx 和Lx

27、 成正比。利用同 步檢波器可把實(shí)部(同相分量)與虛部(正交分量)分離出來,即uo 經(jīng)同步檢波后分別得到 兩個(gè)直流電壓:為了實(shí)現(xiàn)對(duì)rx 和Lx 的數(shù)字化測(cè)量,可采用雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換器。為此,把U1(改變符號(hào) 后)加到圖420的 A/D變換器的Ux輸入端,而將ur(t)經(jīng)檢波后所得的對(duì)應(yīng)其幅度的直 流電壓Ur 加到圖420中的基準(zhǔn)電壓輸入端,這樣由式(427)可得于是或?qū)懗蓮氖?75)可知,計(jì)數(shù)器計(jì)得的數(shù) N2 正比于被測(cè)電感的等效串聯(lián)電阻rx,因此,rx 可直接用數(shù)字顯示。改變R1 可進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換。同樣,把分離出來的正交分量U2(改變符號(hào)后)加到 A/D轉(zhuǎn)換器的Ux 輸入端,則可得 如下關(guān)系

28、:或適當(dāng)選擇R1、 的數(shù)值,則可數(shù)字化顯示Lx 的值。7.4.2 電容C 測(cè)量 為了充分利用電壓測(cè)量和時(shí)間測(cè)量的優(yōu)勢(shì),可將電容大小轉(zhuǎn)換為電壓大小或?qū)?yīng)時(shí)間 大小進(jìn)行測(cè)量,現(xiàn)分別予以分析。1.CU 轉(zhuǎn)換法 CU 變換與上述的LU 變換基本相同,考慮到電容器的等效電路一般采用并聯(lián)形 式,故將被測(cè)件與標(biāo)準(zhǔn)電阻R1 在電路中的位置互換,即把標(biāo)準(zhǔn)電阻接到放大器的反饋支 路,被測(cè)電容器接到放大器的輸入端。電路結(jié)構(gòu)如圖726所示,被測(cè)電容器可等效為Gx 與Cx 的并聯(lián)電路,其中Gx 為等效并聯(lián)電導(dǎo)。圖726 放大器式CU 變換2.CT 轉(zhuǎn)換法 1.積分式CT 轉(zhuǎn)換 積分式CT 轉(zhuǎn)換是將被測(cè)電容Cx 作為米勒

29、積分器中的積分電容,通過積分器、比較 器及相關(guān)外部控制電路將電容大小轉(zhuǎn)換為振蕩輸出信號(hào)周期大小的方法。轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換 波形如圖727所示。圖727 積分式CT 轉(zhuǎn)換示意圖2.遲滯比較式CT 轉(zhuǎn)換 將被測(cè)電容接入RC 積分器,用遲滯比較器作為開關(guān),控制RC 積分器的充、放電時(shí) 間,可組成方波振蕩器,振蕩器的周期與電容值成正比關(guān)系。圖728(a)為矩形波產(chǎn)生電 路。圖中,在比較器的輸出端需接反向串接的兩個(gè)穩(wěn)壓管 VD1、VD2 和分壓電阻R2、R3。 VD1、VD2 的穩(wěn)壓工作值皆為UZ 。圖728(b)為波形關(guān)系圖。圖728 遲滯比較式CT 轉(zhuǎn)換7.5 電壓 頻率轉(zhuǎn)換若測(cè)量結(jié)果需要遠(yuǎn)距離傳輸,由

30、于直流電壓是不易遠(yuǎn)距離傳輸?shù)?可以通過電壓 頻 率(UF)轉(zhuǎn)換,將電壓轉(zhuǎn)換為易于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)慕涣餍盘?hào),交流信號(hào)經(jīng)過遠(yuǎn)距離傳輸后, 可采用頻率測(cè)量技術(shù)對(duì)被測(cè)對(duì)象定標(biāo)和測(cè)量,也可經(jīng)過FU 轉(zhuǎn)換后通過電壓進(jìn)行測(cè)量。 這里主要介紹集成UF 轉(zhuǎn)換原理及集成UF 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路。7.5.1 集成UF 轉(zhuǎn)換原理 集成UF 轉(zhuǎn)換器大多采用平衡型UF 轉(zhuǎn)換電路作為基本電路,如典型的LMx31系 列集成轉(zhuǎn)換器。圖729為 LMx31內(nèi)部結(jié)構(gòu),主要由輸入比較器、定時(shí)比較器、基于 RS 觸發(fā)器構(gòu)成的單穩(wěn)定時(shí)器、基準(zhǔn)電源、精密電流源、電流開關(guān)、基準(zhǔn)比較器及集電極開路 的輸出三極管等部分組成。圖729 LMx31系列集成

31、轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)LMx31用作UF 轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖730所示。圖中有兩個(gè)RC 定時(shí)電路:一 個(gè)由Rt、Ct 組成,它與單穩(wěn)定時(shí)器相連;另一個(gè)由 RL、CL 組成,依靠精密電流 源 充 電。電流源的輸出電流Is 由內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源供給的1.9V 參考電壓和外接電阻 Rs 決定(Is=1.9V/Rs)。圖730 LMx31系列UF 轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖731 U F 轉(zhuǎn)換關(guān)系波形圖7.5.2 集成UF 轉(zhuǎn)換應(yīng)用電路 在實(shí)際應(yīng)用中,一般采用如圖732所示的連接方法。圖中,2腳的電阻Rs 由Rs1=12k 和Rs2=5k 可變電阻組成,Rs 用來調(diào)節(jié)LMx31的增益偏差和由RL、Rt、Ct 引起 的偏

32、差,以校正輸出頻率。7腳上增加了由 R1 =100k 和C1 =0.1F 組成的低通濾波 器,使轉(zhuǎn)換精 度 有 所 提 高。按 圖 示 的 元 件 值,該 電 路 可 獲 得 將 010 V 轉(zhuǎn) 變 為 對(duì) 應(yīng) 10Hz10kHz的結(jié)果。圖732 集成 LM331應(yīng)用電路7.6 非電量測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用圖733 測(cè)量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)7.6.1 高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)主要針對(duì)低中溫溫度測(cè)量,測(cè)量系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)可用圖733來表示。1.傳感器選擇及參量轉(zhuǎn)換 通常說的傳感器,有的是指?jìng)鞲衅髟?有的是指?jìng)鞲衅髂K(包括處理電路)。這里 以傳感器元件為例。對(duì)于中高溫測(cè)量,工業(yè)常用的熱電偶的測(cè)量范圍大,高溫

33、測(cè)量響應(yīng) 好;對(duì)于低中測(cè)量,常用熱電阻。對(duì)于半導(dǎo)體熱敏電阻,其體積小,但精度低;對(duì)于金屬熱 電阻,其精度高,但體積較大,引線電阻影響大,使用中需要做一定的技術(shù)處理。 低中溫的高精度溫度測(cè)量,通常選擇穩(wěn)定性能好的鉑電阻溫度傳感器,且選擇直流電 阻橋?qū)崿F(xiàn)參量轉(zhuǎn)換,將對(duì)應(yīng)溫度的電阻大小轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電壓大小。電阻橋轉(zhuǎn)換電路如圖 734所示。圖734 電阻橋轉(zhuǎn)換電路由于金屬電阻傳感器元件的阻值小,而引線具有一定的長(zhǎng)度,所以其電阻值波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。要實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量,需采取措施消除引線電阻的波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果 的影響,通常采用三線制的連接方式。三線制連接方式及轉(zhuǎn)換電路如圖735所示。圖735 三線制

34、連接方式及轉(zhuǎn)換電路2.信號(hào)調(diào)理 從轉(zhuǎn)換電路輸出的溫度變化電壓是很小的,不適合直接進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換,而先要進(jìn)行放 大,使其溫度測(cè)量范圍對(duì)應(yīng)的電壓符合 A/D轉(zhuǎn)換的范圍;同時(shí),轉(zhuǎn)換電路的輸出為具有抗 共模干擾的差分信號(hào)。基于以上兩點(diǎn),放大電路應(yīng)具有高增益且具有抑制共模干擾的差動(dòng) 放大電路?？蛇x擇具有兩級(jí)放大的測(cè)量放大器,其原理電路如圖736所示。圖736 測(cè)量放大器原理電路不難推出,放大器增益為其中,為第一級(jí)放大電路的電壓增益,R4/R3 為第二級(jí)放大電路的電壓增益。調(diào)整 RG 電阻值,可以調(diào)整放大器的增益。實(shí)際應(yīng)用中要考慮到放大器調(diào)零(也可作為系統(tǒng)調(diào) 零)。具有實(shí)際應(yīng)用的測(cè)量放大器電路如圖737

35、所示。圖737 實(shí)際測(cè)量放大器電路3.A/D轉(zhuǎn)換及微處理器 1)微處理器 微處理 器 可 以 選 擇 帶 有 內(nèi) 存 的 AT89C51 或ST89C51。這里 以 AT89C51 為 例。其 管 腳 分布及功能如圖738所示。圖738 AT89C51管腳分布及功能2)選擇12位的逐次比較式 AD574作為 A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量方式 圖738所示為 AD574的引腳封裝圖及與單片機(jī)微處理器的接口方法。輸入模擬電 壓既可以是單極性的,也可以是雙極性的?！?0Vin”端允許輸入010V 單極性被測(cè)電壓或5V 雙極性被測(cè)電壓。在“20Vin”端允許輸入020V 單極性電壓或10V 雙極性電 壓。“BI

36、P”端用來調(diào)節(jié)變換電路基準(zhǔn)電平的偏移程度,以便與輸入信號(hào)極性相匹配。當(dāng)進(jìn) 行單極性變換時(shí),“BIP”端應(yīng)該接地(有時(shí)可適當(dāng)進(jìn)行零偏調(diào)節(jié))。當(dāng)進(jìn)行雙極性變換時(shí), “BIP”要用一只100 左右的電位器連接到芯片基準(zhǔn)電壓輸出端“VR”。另外,“VR”端輸 出的基準(zhǔn)電壓還要用另一只電位器適當(dāng)調(diào)節(jié)后直接接入到“VRin”端作為變換基準(zhǔn)。AD574的 A/D轉(zhuǎn)換精度是可以選擇的,可以按8位轉(zhuǎn)換,也可以按12位轉(zhuǎn)換。因 此,在使用 AD574時(shí),轉(zhuǎn)換精度選擇和讀出方式選擇也是需要注意的問題。AD574的控 制方法如表71所示。圖738(b)接口電路是按12位 ADC 設(shè)計(jì)的,可實(shí)現(xiàn)對(duì)4kHz以下信號(hào)的采集

37、與測(cè) 量。若尋址地址為4400H44FFH,按圖中接法,可用4400H 作啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換的地址 (A0=0)或用4402H 作啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換的地址(A0=1)。圖中12/8端接地,因此12位結(jié)果 可分二次讀取,第一次用4401H 讀取高8位,第二次用4403H 讀取低4位。若單片機(jī)選 用 AT89C51,則相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)如下:3)選擇積分式 A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量方式 逐次比較式 ADC的缺點(diǎn)是抗干擾能力差,很難實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的高精度轉(zhuǎn)換。而積 分式 ADC具有很強(qiáng)的抗干擾特性,可以獲得較高的轉(zhuǎn)換精度,因此在測(cè)量?jī)x器中獲得廣 泛的應(yīng)用。常見芯片有三位半 A/D 器件和四位半 A/D 器件兩種

38、,前者相當(dāng)于11位二進(jìn) 制精度,后者相當(dāng)于14位二進(jìn)制精度。這種器件的缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度較慢,每秒只能進(jìn)行3 次左右,實(shí)時(shí)性差,適合用于直流或緩慢變化信號(hào)的測(cè)量。MC14433是按雙斜積分原理設(shè)計(jì)的,它能在02V 或00.2V 兩個(gè)基本量程上將直 流電壓直接轉(zhuǎn)換成用三位半十進(jìn)制數(shù)(BCD形式)表示的數(shù)字量。圖739為 MC14433與 微處理器的接口連接方法。圖739 MC14433與微處理器的接口方法4.結(jié)果顯示 常用的顯示器件有 LED數(shù)碼管和 LCD 液晶顯示器兩種。由 LED 數(shù)碼管組成的儀器 數(shù)據(jù)顯示器具有亮度高、全天候的特點(diǎn),在測(cè)量中應(yīng)用廣泛。驅(qū)動(dòng)方式不同,數(shù)據(jù)顯示器 的接口電路形式也

39、不同,一般有靜態(tài)驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)兩種方式,這里采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)實(shí)際上是一種動(dòng)態(tài)掃描顯示過程,這種方法的電路硬件數(shù)量少,較經(jīng)濟(jì)。它 的基本形式如圖740所示。圖中的數(shù)據(jù)顯示器由6只共陰極 LED 數(shù)碼管組成,X5X0 與各數(shù)碼管的陰極相連。圖740 動(dòng)態(tài)掃描式 LED驅(qū)動(dòng)顯示電路7.6.2 重量測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì) 重量測(cè)量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)也可以用圖733來表示,只是在傳感器選擇及參量變換部 分有所不同。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)小量級(jí)的重量測(cè)量,這里簡(jiǎn)單介紹傳感器選擇及參量轉(zhuǎn)換、 A/D轉(zhuǎn)換及微處理器、結(jié)果顯示及相關(guān)程序設(shè)計(jì)。1.傳感器選擇及參量轉(zhuǎn)換 將重量測(cè)量對(duì)象轉(zhuǎn)換為電參量可以有多種選擇方法,如電阻傳感

40、器、電容傳感器、電 感傳感器等。電容傳感器和電感傳感器需要通過交流電橋和交流信號(hào)電路來處理,技術(shù)相 對(duì)復(fù)雜。這里仍以電阻傳感器轉(zhuǎn)換為例,即將重量的大小通過重力的作用轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電阻 的大小。彈性元件又有多種結(jié)構(gòu)形式,常見的有懸臂梁式、柱式及環(huán)式等。對(duì)于小量級(jí)的重量 測(cè)量,通常選擇懸臂梁式彈性元件。圖741為基于懸臂梁彈性元件結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)變電阻 傳感器裝置原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖741 基于懸臂梁彈性元件的應(yīng)變電阻傳感器裝置原理結(jié)構(gòu)同樣,通常選擇直流電橋進(jìn)行參量轉(zhuǎn)換,將對(duì)應(yīng)重量的電阻大小轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電壓大 小,電橋轉(zhuǎn)換電路如圖742所示。圖742 電橋轉(zhuǎn)換電路2.信號(hào)調(diào)理 信號(hào)調(diào)理部分同7.6.1節(jié)。 3.A/D轉(zhuǎn)換及微處理器 A/D轉(zhuǎn)換及微處理器可以同7.6.1節(jié),也可以選擇帶有 A/D轉(zhuǎn)換器的微處理器。這里 以內(nèi)部資源豐富、功能多、功耗低的 MSP430單片機(jī)為例做簡(jiǎn)單說明。 圖743為 MSP430FE425單片機(jī)芯片管腳圖,圖744為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能圖。圖743 MSP430FE425單片機(jī)芯片管腳圖圖744 MSP4