張玉娟，程鳳琴

(無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214153)

0 引 言

早期的電壓檢測(cè)是用機(jī)械式電壓表實(shí)現(xiàn)的，不需要消耗任何電能，并且不會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生任何影響。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，人們研究出了電子式電壓表，其體積比機(jī)械式電壓表小得多，也更加便攜。目前，對(duì)電壓表的研究主要集中在基于AT89C51單片機(jī)、AT89C52單片機(jī)、AT89S51單片機(jī)、AT89S52單片機(jī)、AT89C2051單片機(jī)、W78E561單片機(jī)、嵌入式LPC1768芯片以及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA電壓表的研究[1-9]。電壓檢測(cè)技術(shù)包括模擬電路檢測(cè)和數(shù)字電路檢測(cè)兩大類。其中，模擬電路檢測(cè)具有檢測(cè)速度快、響應(yīng)時(shí)間短以及功耗低等顯著特點(diǎn)，而數(shù)字電路檢測(cè)具有檢測(cè)精度高和顯示效果好等特點(diǎn)。本文綜合模擬電路和數(shù)字電路，設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)崿F(xiàn)快速測(cè)量電壓值的控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了如下的技術(shù)指標(biāo)。其能夠快速測(cè)量0～5 V的直流電壓，能夠通過(guò)4個(gè)LED指示燈顯示0～1 V、1～2 V、2～3 V以及3 V以上的被測(cè)電壓。此外，被測(cè)電壓通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器輸出和檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)220 V交流市電進(jìn)行供電。

1 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理如圖1所示?？梢钥闯?，整個(gè)系統(tǒng)由被測(cè)電壓模塊、放大模塊、比較器模塊、譯碼器模塊、顯示模塊以及電源模塊組成。其中，被測(cè)電壓模塊由一個(gè)電位器電路進(jìn)行輸出，通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的旋鈕給出不同的被測(cè)電壓。由于被測(cè)電壓值較低，不能直接被檢測(cè)電路檢測(cè)到，因此需要通過(guò)放大模塊來(lái)放大被測(cè)電壓。比較器模塊用來(lái)識(shí)別放大模塊輸出電壓值的所處范圍，譯碼器模塊用于將比較器輸出的3位高低電平譯碼成十進(jìn)制形式并進(jìn)行輸出，顯示模塊由4個(gè)LED燈組成用于顯示被測(cè)電壓的大小。此外，電源模塊的作用是將220 V交流電壓轉(zhuǎn)換成+5 V直流電壓，從而為被測(cè)電壓模塊、放大模塊、比較器模塊、譯碼器模塊以及顯示模塊供電。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

2 原理介紹

為了能夠快速測(cè)量待測(cè)電壓并準(zhǔn)確顯示待測(cè)電壓值的所處范圍，應(yīng)考慮到測(cè)量系統(tǒng)的快速性。因此首選模擬電路來(lái)完成系統(tǒng)前端的電路配置，將電壓放大模塊作為電壓測(cè)量系統(tǒng)的第一級(jí)。將待測(cè)電壓值進(jìn)行些許放大后，通過(guò)比較放大后的電壓值可以快速得到待測(cè)電壓值的所處范圍。由于要測(cè)量0～1 V、1～2 V、2～3 V以及3 V以上的被測(cè)電壓，因此可以配置3個(gè)參考電壓值不同的比較器電路。其中，第一個(gè)比較器的同相輸入端處的參考電壓設(shè)置為1 V，第二個(gè)比較器的同相輸入端處的電壓設(shè)置為2 V，第三個(gè)比較器的同相輸入端處的電壓設(shè)置為3 V。將放大后的待測(cè)電壓值傳送到這3個(gè)比較器的反相輸入端，如果待測(cè)電壓值低于1 V，那么這3個(gè)比較器將全部輸出高電平；如果待測(cè)電壓處于1～2 V，那么3個(gè)比較器的輸出電平分別為低、高、高；如果待測(cè)電壓處于2～3 V，那么3個(gè)比較器的輸出電平分別為低、低、高；如果待測(cè)電壓處于3 V以上，那么3個(gè)比較器的輸出電平分別為低、低、低。

通過(guò)識(shí)別3個(gè)比較器的輸出電平就可以顯示出待測(cè)電壓的大小。為了完成對(duì)高低電平的識(shí)別，譯碼器將是最佳的選擇。通過(guò)譯碼3個(gè)比較器的輸出電平，從而點(diǎn)亮不同的LED來(lái)顯示待測(cè)電壓值。檢測(cè)電路的供電采用+5 V供電，而要實(shí)現(xiàn)將220 V交流市電轉(zhuǎn)換為+5 V直流電壓，變壓器降壓模塊和二極管整流電路將是最合適的搭配。

2.1 電源模塊

本系統(tǒng)采用的是將220 V交流電轉(zhuǎn)換成+5 V直流電的供電方式。電路中采用降壓濾波整流方法，將得到的+5 V直流電壓用來(lái)給電路中的其他模塊供電。電源模塊電路如圖2所示。

2.2 被測(cè)電壓及其放大模塊

圖2 電源模塊電路圖

被測(cè)電壓及其放大模塊電路如圖3所示。其模擬被測(cè)電壓產(chǎn)生電路和由LM324集成運(yùn)放構(gòu)成的同相比例放大器電路設(shè)計(jì)。其中，電阻R5和電位器RP2構(gòu)成模擬被測(cè)電壓產(chǎn)生電路，電位器RP2的總阻值為5.6 kΩ，其觸頭2處的電位可調(diào)范圍為0～5 V，最大輸出電壓為5 V。LM324放大電路由LM324芯片放大器N1A、電阻R6、電阻R7以及電位器RP3構(gòu)成。由于被測(cè)電壓信號(hào)通過(guò)R6輸入到N1A的同相輸入端IN+，因此其電壓放大形式為同相比例放大，放大的比例倍數(shù)為1+RP3/R7。由于電位器RP3的可調(diào)范圍為0～4.7 kΩ，因此放大倍數(shù)的可調(diào)范圍為1～1.47。通過(guò)LM324放大電路對(duì)模擬被測(cè)電壓的放大作用，Vout輸出端將輸出0～5V的直流電壓。在供電方面，LM324采用+5 V電壓的單電源供電，由三極管穩(wěn)壓電路的輸出電壓進(jìn)行供給。

圖3 被測(cè)電壓及其放大模塊電路圖

2.3 比較器模塊

比較器電路如圖4所示。由3個(gè)放大器模塊構(gòu)成的比較器電路的主要作用是檢測(cè)前級(jí)LM324同相比例放大電路輸出電壓的大小，精確度為1 V。當(dāng)前 級(jí)LM324同相比例放大電路輸出電壓的大小在0～1 V范圍內(nèi)時(shí)，A、B以及C三端全部為高電平；當(dāng)前級(jí) LM324同相比例放大電路輸出電壓的大小在1～2V范圍內(nèi)時(shí)，A、B、C三端電位分別為高、高、低；當(dāng)前級(jí)LM324同相比例放大電路輸出電壓的大小在2～3V范圍內(nèi)時(shí)，A、B、C三端電位分別為高、低、低；當(dāng)前級(jí)LM324同相比例放大電路輸出電壓大于3 V時(shí)，A、B、C三端全部為低電平。此外，電阻R8～R11構(gòu)成參考電壓電路，對(duì)VCC進(jìn)行分壓后，將N1B～N1D的同相端（IN+）電壓分別固定在+3 V、+2 V以及+1 V，這樣輸入電壓就可以比較這3個(gè)參考電壓。放大模塊N1B～N1D構(gòu)成比較器的核心元件，比較IN-和IN+兩個(gè)管腳的電壓，當(dāng)IN+上的電壓大于IN-上的電壓時(shí)，輸出管腳OUT端將輸出高電平，否則輸出低電平。R12和R15（R13和R16、R14和R17）用于構(gòu)成正反饋，防止輸入電壓中的噪聲信號(hào)干擾比較器，避免OUT端電位出現(xiàn)劇烈震蕩現(xiàn)象。電阻R18～R20用于對(duì)比較器輸出電流進(jìn)行限流，防止燒毀后級(jí)的譯碼器芯片。

圖4 比較器電路

2.4 譯碼器及顯示模塊

由74LS138譯碼器芯片構(gòu)成的譯碼器電路及顯示電路如圖5所示。其中，譯碼器電路由譯碼器芯片74LS138和電阻R21構(gòu)成，顯示電路由電阻R22～R25以及發(fā)光二極管VD4～VD7構(gòu)成。譯碼器電路的作用是將三相的3位二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)并通過(guò)管腳Y0～Y7進(jìn)行輸出。當(dāng)3個(gè)輸入信號(hào)的電平全為低電平時(shí)，Y0將輸出低電平（此時(shí)VD4將被點(diǎn)亮），Y1～Y7輸出高電平（VD5～VD7不亮）；當(dāng)全為高電平時(shí)，Y7將輸出低電平（此時(shí)VD7將被點(diǎn)亮），Y0～Y6輸出高電平（VD4～VD6不亮）。LED顯示電路用于顯示被測(cè)電壓的大小，當(dāng)采集到的模擬被測(cè)電壓值為0～1 V時(shí)，只有VD7發(fā)光；當(dāng)模擬被測(cè)電壓值為1～2 V時(shí)，只有VD6發(fā)光；當(dāng)模擬被測(cè)電壓值為2～3 V時(shí)，只有VD5發(fā)光；當(dāng)模擬被測(cè)電壓值為3～5 V時(shí)，只有VD4發(fā)光。此外，圖中的電阻R21用于限流，是為防止過(guò)大的電流損壞74LS138芯片，電阻R22～R25用于限流，是為防止74LS138芯片輸出的大電流損壞LED燈。將控制管腳的電平配置為高、低、低，這樣74LS138芯片就能夠?qū)、B以及C的二進(jìn)制信號(hào)譯碼成十進(jìn)制信號(hào)，并通過(guò)管腳Y0～Y7進(jìn)行輸出。

圖5 譯碼器及顯示電路

2.5 電壓檢測(cè)與顯示電路

電壓檢測(cè)與顯示電路的總體原理圖如圖6所示。

3 實(shí)物制作

制作好的實(shí)物如圖所示。依據(jù)萬(wàn)能板背面的走線，圖上的4個(gè)發(fā)光二極管，從上到下依次為VD7、VD6、VD5以及 VD4。

測(cè)試照片如圖8～圖11所示。其中,萬(wàn)用表紅、黑表筆分別接由LM324的1管腳引出的紅線和電容C2的負(fù)極引出的黑線。從圖8可以看出，當(dāng)被測(cè)電壓為0.59 V，即小于1 V時(shí)，VD7被點(diǎn)亮。從圖9可以看出，當(dāng)被測(cè)電壓為1.57 V，即大于1 V小于2 V時(shí)，VD6被點(diǎn)亮。從圖10可以看出，當(dāng)被測(cè)電壓為2.89 V，即大于2 V小于3 V時(shí)，VD5被點(diǎn)亮。從圖11可以看出，當(dāng)被測(cè)電壓為4.16 V，即大于3 V時(shí)，VD4被點(diǎn)亮。

圖6 總體原理圖

圖7 實(shí)物照片

圖8 被測(cè)電壓0.59 V時(shí)，VD7被點(diǎn)亮

圖9 被測(cè)電壓1.57 V時(shí)，VD6被點(diǎn)亮

圖10 被測(cè)電壓2.89 V時(shí)，VD5被點(diǎn)亮

圖11 被測(cè)電壓4.16 V時(shí)，VD4被點(diǎn)亮

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)制作了電壓檢測(cè)與顯示電路。以LM324和74LS138作為核心芯片，由被測(cè)電壓模塊、放大模塊、比較器模塊、譯碼器與顯示模塊以及電源模塊組成。當(dāng)模擬輸入電壓值在0～1 V之間時(shí)，發(fā)光二極管VD7發(fā)光；當(dāng)模擬輸入電壓值在1～2 V之間時(shí)，發(fā)光二極管VD6發(fā)光；當(dāng)輸入電壓值在2～3 V之間時(shí)，發(fā)光二極管VD5發(fā)光；當(dāng)輸入電壓值在3 V以上時(shí)，發(fā)光二極管VD4發(fā)光。通過(guò)調(diào)節(jié)RP2，模擬輸入電壓值從0～5 V變化，從而使發(fā)光二極管VD7～VD4被依次點(diǎn)亮，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的快速測(cè)量以及正確顯示功能。