高精度區(qū)間式電壓表及其應(yīng)用

劉安軍

實(shí)際應(yīng)用中，對電壓的測量通常采用全量程電壓表，量程從零起始至某一個(gè)數(shù)終止，例如0～1V，0～250V等。一般測量中，被測電壓在一個(gè)較大的范圍變化，或被測電壓是未知量，這種表是很適用的。實(shí)際上，有時(shí)被測的電壓僅僅在整個(gè)量程內(nèi)一個(gè)較小的范圍變化，占全量程電壓表整個(gè)刻度范圍很小的一部分，這時(shí)用全量程電壓表不僅分辨率低，讀數(shù)困難，同時(shí)精度也很低，滿足不了測量要求，即便使用更高精度的表，有時(shí)也難滿足測量需要。區(qū)間式電壓表取電壓全量程的一個(gè)區(qū)間，起始值不是從零開始，而是根據(jù)需要選定起始值和終止值，只反映被測電壓發(fā)生變化的那一部分，例如10～11V，200～230V等，這樣可以展寬刻度，提高讀數(shù)分辨率和測量精度，從而滿足測量需要。

高精度區(qū)間式電壓表大大提高測量性能，可以在電壓檢測、電量監(jiān)控、自動(dòng)控制、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量儀器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等許多方面廣泛應(yīng)用。

1.工作原理

根據(jù)被測電壓變化范圍和測量精度需要，適當(dāng)選定電壓量程的一個(gè)區(qū)間為起始值和終止值；采用運(yùn)算放大器，只對選定的那一個(gè)區(qū)間進(jìn)行線性放大；在運(yùn)放輸出端接一個(gè)標(biāo)有對應(yīng)區(qū)間起始值和終止值的電壓表頭顯示被放大的測量值。這就是高精度區(qū)間式電壓表的工作原理。

圖1為高精度區(qū)間式電壓表電原理圖。根據(jù)被測電壓Vin變化范圍選定的一個(gè)區(qū)間，起始值為V1，終止值為V2，被測電壓Vin在V1～V2范圍內(nèi)變化。運(yùn)放IC2的反向輸入端用一個(gè)固定的高精度電壓基準(zhǔn)源IC1做基準(zhǔn)，正向輸入端的R1、W1、R3對被測電壓進(jìn)行分壓，W1為調(diào)零電位器，W2為增益調(diào)整電位器，用來調(diào)整運(yùn)放的放大倍數(shù)，運(yùn)放輸出端通過分壓電阻R4接標(biāo)有起始值和終止值的微安表頭。當(dāng)被測電壓Vin為V1 時(shí)，調(diào)整電位器W1，使運(yùn)放的兩個(gè)輸入端等值，運(yùn)放輸出端表頭為0V，也就是區(qū)間式電壓表的起始值；當(dāng)被測電壓Vin為V2時(shí)，調(diào)整電位器W2，使輸出端表頭滿刻度，也就是區(qū)間式電壓表的終止值。這樣，被測電壓在V1～V2之間變化時(shí)，運(yùn)放輸出端表頭的值在起始值和終止值區(qū)間范圍擺動(dòng)。

2.應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)

高精度區(qū)間式電壓表選擇一定區(qū)間變化的信號進(jìn)行放大，選擇的區(qū)間范圍越小，放大的倍數(shù)也就越高，而且要滿足不同精度、不同分辨率的要求。要根據(jù)需要設(shè)計(jì)電路和選擇相應(yīng)性能的元器件，才能滿足設(shè)計(jì)需要。

這里介紹三種基本應(yīng)用電路。圖1為一個(gè)普通應(yīng)用電路，采用單個(gè)運(yùn)放，可以滿足一般要求，其增益AV約為W2 /R2。圖2為高性能的應(yīng)用電路，采用高阻抗儀表放大器電路，其增益A V =1+2R4/ W2，按圖中參數(shù)，增益最小11，最大可達(dá)1000以上。圖3采用高性能集成儀表放大器AD623，AD623可以單電源3～12V或雙電源±2.5～±6V工作、滿電源幅度輸出，低功耗，較寬的動(dòng)態(tài)范圍，良好的線性、溫度穩(wěn)定性和可靠性，通過一只電阻調(diào)整放大器增益，增益范圍1～1000。使用儀表放大器使電路更簡單，性能更穩(wěn)定。

整個(gè)電路的供電應(yīng)采用穩(wěn)壓電源。電路的功耗較小，尤其是選用低功耗元器件時(shí)，整個(gè)表的內(nèi)阻可以做的比較大，如果被測信號源是一個(gè)功率信號源或內(nèi)阻較小時(shí)，可以直接用信號源經(jīng)穩(wěn)壓后做電源，以簡化電源設(shè)計(jì)。

3.元器件選擇

這里只說明一般選用原則，具體應(yīng)用時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算選擇。電阻精度要優(yōu)于1％或更高，必要時(shí)還要考慮溫度系數(shù)來滿足整個(gè)電路的設(shè)計(jì)。分壓電阻R1、W1、R3阻值的選取以分壓支路電流30μA～1mA計(jì)算選取，分壓值要在電壓基準(zhǔn)值附近，有一定可調(diào)范圍。運(yùn)放盡量選擇高精度、低溫漂、低失調(diào)電壓、低噪聲、滿電源輸出類；當(dāng)運(yùn)放的電源直接取自信號源，要提高整個(gè)表的內(nèi)阻時(shí)，選擇微功耗的運(yùn)放。儀表放大器可以按圖2設(shè)計(jì)制作，也可以選用集成儀表放大器。電壓基準(zhǔn)源的性能至關(guān)重要，直接關(guān)系到整個(gè)電路的穩(wěn)定性。電壓基準(zhǔn)源的電壓值選取沒有特殊要求，一般取放大器工作電壓的中點(diǎn)以下。區(qū)間電壓表的表頭可以直接用毫安級的一般電壓表，這時(shí)要去掉運(yùn)放輸出端的分壓電阻R4；如果要提高整個(gè)表的內(nèi)阻，應(yīng)選用微安級表頭，根據(jù)表頭電流和運(yùn)放輸出電壓值，計(jì)算合適的分壓電阻R4。表盤刻度如果適用可不變，但要根據(jù)所設(shè)計(jì)的區(qū)間改變起始值和終止值；如果不適用，重新繪制對應(yīng)的表盤。

4.應(yīng)用實(shí)例

區(qū)間式電壓表的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，可以在許多方面廣泛應(yīng)用，這里僅舉幾例。

（1）＋12V固定輸出直流穩(wěn)壓電源用高精度區(qū)間電壓表，采用圖3電路。圖中，R1為10kΩ，R3為2kΩ，W1為1kΩ，電源+V直接用被測的12V穩(wěn)壓電源，被測信號Vin接＋V，電壓基準(zhǔn)源的電壓V REF取2.5V。被測電源輸出DC12V±1％，最大變化量VΔ=│12×±1％│= 0.24V，預(yù)留一定余量，取VΔ=0.5V，設(shè)定區(qū)間式電壓表的讀數(shù)范圍為11.75～12.25V。計(jì)算儀表放大器信號輸入端信號變化量約為V信Δ=V REF×VΔ／12 = 2.5×0.5／12 ≈ 0.1V，儀表放大器的輸出端接一個(gè)滿刻度5V的電壓表，增益為 AV =5V／0.1V=50，W2取3kΩ。

標(biāo)定和調(diào)試：原表頭為50μA電流表頭，改為5V電壓表，分壓電阻R4=5V/0.05mA=100kΩ，用1％精度的固定電阻；原表刻度盤不適用，按11.75～12.25V的區(qū)間，重新繪制刻度50小格，每小格0.01V，標(biāo)上電壓值，見圖5。用四位半以上數(shù)字電壓表標(biāo)定，將被測電源調(diào)至11.750V，調(diào)W1，使放大器輸出端電壓表為0；電源調(diào)至12.250V，調(diào)整W2使電壓表為滿刻度。

用同樣的表頭，原來表盤精度為15V／75格 = 0.2V / 格，12V±1％的變化量在表盤上只占1格多；現(xiàn)在的精度為 0.5V／50格=0.01V／格，同樣的變化量占表盤近1/2，大大提高了精度和可讀性。

（2）采用壓力傳感器、電接點(diǎn)式區(qū)間電壓表的水塔水位自動(dòng)控制器。常用的水塔水位自動(dòng)控制器為電極式，水塔內(nèi)的水位測量電極易氧化、開路。把壓力傳感器的高精度、電接點(diǎn)式電壓表頭的可控性、區(qū)間式電壓表的高分辨率相結(jié)合，成為又一種水位自動(dòng)控制器。用壓力傳感器測量的水位壓力的電信號，其中有水塔塔身高度的水位壓力和蓄水池高度的水位壓力兩部分，前一部分一般不變化，而后一部分隨水位變化，且只占整個(gè)量程較小一部分。雖然壓力傳感器具有很高的靈敏度，用全量程電接點(diǎn)式電壓表仍分辨率不夠，控制精度不高。將區(qū)間式電壓表的表頭改用電接點(diǎn)式電壓表表頭，區(qū)間范圍為壓力傳感器表壓量程中蓄水池變化的那一部分，顯示清楚，控制準(zhǔn)確。電路的控制部分用比較器代替電接點(diǎn)式電壓表的接點(diǎn)也是完全可行的。

（3）數(shù)字系統(tǒng)中對A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入值的處理。同樣，A/D轉(zhuǎn)換器是對全量程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，對只在小范圍變化的信號，A/D轉(zhuǎn)換器要提高轉(zhuǎn)換精度，只有增加轉(zhuǎn)換器位數(shù)，但有時(shí)仍不能達(dá)到要求，而增加位數(shù)也是有限的。用高精度區(qū)間式電壓表對量程中一個(gè)選定的區(qū)間放大后，送入A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)際上A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的只是一個(gè)區(qū)間值，用軟件可以很方便地處理測量結(jié)果，區(qū)間的起始值加上A/D轉(zhuǎn)換值，得到實(shí)際的測量數(shù)據(jù)。即使A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)不高，也能夠取得很高的精度。

（4）分擋式區(qū)間電壓表。圖4是對圖1電路的擴(kuò)展應(yīng)用，在圖1電路的基礎(chǔ)上加上波段開關(guān)，成為分擋式的區(qū)間式電壓表。分擋式區(qū)間表是把全量程根據(jù)需要分成幾個(gè)區(qū)間段，例如，把10V的量程分成四個(gè)無交叉區(qū)間：0～2.5V、2.5～5V、5～7.5V、7.5～10V；或有交叉區(qū)間：0～3V、2.5～5.5V、5～8V、7.5～10.5V。波段開關(guān)的四個(gè)擋對應(yīng)四個(gè)區(qū)間，通過分別調(diào)定每一個(gè)區(qū)間的調(diào)零電位器W1、增益調(diào)整電位器W2實(shí)現(xiàn)各區(qū)間段的覆蓋。分擋式區(qū)間式電壓表應(yīng)用更加方便，可以實(shí)現(xiàn)一表多用。

(5)采用以上電路還可以方便地做成為中心值為零的正、負(fù)值區(qū)間式電壓表。把中心值做為零點(diǎn)，圖1中用調(diào)整起始值的W1調(diào)整這個(gè)零點(diǎn)，就成為中心值為零的可測正、負(fù)值的區(qū)間式電壓表。

高精度區(qū)間式電壓表的測量區(qū)間可大可小，測量精度能夠做的很高，不僅可以制成專用儀表來滿足測量需要，更重要的是提供了一種思路和方法，對各種類似的物理量轉(zhuǎn)換為電量后處理，凡是要提高一個(gè)區(qū)間測量精度的地方都可以變通使用。