电学参数丈量技能触及规模广，特别是微电压、微电流、高电压以及待测信号强弱相差极大的情况下，既要确保弱信号的丈量精度又要统筹强信号的丈量规模，在技能上有必定的难度。传统的低本钱外表在丈量电压、电流时都选用手动挑选档位的办法来转化量程。在运用中，当忘掉转化档位时，会形成外表丈量精度下降或损坏。现代电子丈量对体系的精度要求越来越高且智能化程度也越来越高。全量程无档电压表、电流表和欧姆表是在确保丈量精度不下降的条件条件下省去手动转化量程的作业，得到了广泛使用。国内对此类规划研讨较多，但电路规划都选用了单片机、CPLD 或FPGA等杂乱电路体系，硬软件本钱较高。笔者提出了一种使用廉价的元器件组成的量程转化电路，并进行了抱负情况下的EWB 仿真，得到了预期的成果。
1 常用的电压丈量电路
常用的模仿电压表首要由电阻R 和表头串联组成，丈量部件表头的规划是使用载流线圈在磁场中受力矩效果的原理，如图1 所示。丈量档位的改动靠改动电阻R的阻值来完成。 在丈量时假如没有挑选恰当的降压电阻即档位没有调理好，当待测的电压过高时有可能使电压表损坏; 而当被测电压过低时，因为电阻较大，表头显现值差错大或许底子显现不出值来。当不了解待测电压大小时，一般会先挑选最大的量程来试测电压，之后再来挑选恰当的档位，进行准确丈量。现在呈现的数字电压表、电流表其首要测验原理与模仿外表相同。所不同的仅仅把指针式表头换成A/D 转化器和数码显现器，其分压分流的原理和量程挑选的办法未变。
图1 模仿电压表原理
2 量程主动转化电路规划框图
笔者所规划的量程主动转化电路框图如图2 所示。被丈量程判别器判别出被丈量的规模，相应的量程信号输入到档位挑选器。档位挑选器依据量程信号将档位主动调至恰当的量程。并将输入值恰当扩大或衰减处理后送至A/D 转化器，并由数码显现器显现，完成整个量程的主动挑选。
图2 量程主动转化电路框图。
3 电路规划
3. 1 电路规划的整体要求
电路规划的基本要求是在不下降丈量精度的条件下完成量程的主动转化。因而在规划电路时需求考虑以下几方面的要求：
1) 输入值量程判别器的阻抗。要求在进行电压丈量时具有高阻抗，进行电流丈量时具有低阻抗。
2) 输入值量程判别器应具有对最大量程的上限和最小量程的下限的判别能力。因为被测规模较大，因而既要求在高待丈量值输入时不对小量程电路形成冲击，又要求在超量程值时对档位转化电路进行关断。当输入量低于表内的丈量精度时，也要求将档位挑选器关断。不然，当丈量外表断开时，没有输入量，而输入值量程判别器则以为此刻的输入量在最小量程的档位上，当外表接通待丈量时，待丈量大于最小量程档位的规模时，档位挑选电路及这以后级电路必定遭到较大的冲击。所以，输入值量程判别器不仅对是否超越最大量程能够判别，对是否小于最小量程的精度也有判别能力。
3) 电路安全要求。在本规划中，使用传输的延时，对档位进行从关断丈量到最大量程档位向低量程档位逐级下降直至到恰当档位的转化，这样就使得电路在丈量完高待丈量后就能顺畅地进行对最低待丈量的丈量。
4) 本钱及功耗问题。因为输入值判别器所判别出的值不是用来丈量，而是用于转化量程档位，所转化出的数值不需求非常准确，故其电路功耗可按外表需求挑选恰当的芯片。
3. 2 电路规划的完成
3. 2. 1 量程判别电路的规划
量程判别电路框图如图3 所示。输入的被丈量经分压电路分压并经阻隔电路后输入电压判别电路。
图3 量程判别电路框图
单量程的量程判别完成电路如图4 所示。
图4 单量程判别完成电路
电路中Uin 代表被测信号，电阻R1 、R2 组成分压电路。运放A1 组成阻隔电路。电压判别电路由电压源UREF2 和运放A3 组成的单限电压比较器完成。该电压比较器的阈值电压UT 为：
电路下半部分与上半部分的结构和作业原理类似。不过，比较电压由A4 的反相端输入。由( 1 )式可知，当跟从器A1 的输出大于0. 2 V 时，比较器A3 输出高电平; 当跟从器A2 的输出小于- 0. 2 V时，比较器A4 输出高电平; 当- 0. 2 V
用EWB(electronics workbench)软件对图4 电路的仿真成果如图5 所示。
图5 单量程判别器的仿真波形。
仿真所用的信号源Uin 为有效值1 V , 频率1 Hz , 初相位为0°的正弦沟通电压。基准电压为2 V的直流电压。从仿真成果能够看出，当被测输入电压的瞬时值到达±0. 4 V时，比较器转化电平。经过量程判别器，将被测的模仿信号转化为数字信号，然后完成对档位挑选的操控。
量程判别器的总电路如图6 所示。每个运放的输入端都接有稳压管进行限压，以维护运放。图中上半部分为档位挑选电路，正负电压都可由整流桥整流后送分压电阻分压，基准电压都是- 2 V , 所以电压比较器的阈值为1 V . 下半部分为输入电压的最小值判别电路，对输入被丈量的有和无进行直接判别。依据前级的分压比能够求得，当被测的电压值大于0. 2 V 或许小于- 0. 2 V 时，输出端G1才输出高电平。
图6 量程判别器的总电路3. 2. 2 档位挑选器
输入值判别器现已把电压信号分档并转化为凹凸电平的数字输出值输出。档位挑选器可依据输入值判别器所得成果来规划。输入值判别器的2 个输入端电压与5 个输出端的真值表如表1 所示。
表1 中，1 表明高电平，0 表明低电平。由真值表的特性可知，能够用一个3?8 译码器译码，对档位进行挑选。其译码表如表2 所示。
对照表1 和表2 , 可得出译码电路对各量程挑选的输出端，从小到大别离为： Y0、Y4、Y6、Y7 .
表1 真值表(truth table)
表2 译码表(decoding table)
依据芯片输入、输出的引脚特性，其电路接线图如图7 所示。
图7 档位判别电路
其间3 个操控引脚： G2A’、G2B’ 为低电平敞开，G1 为高电平敞开。电路引脚中，若A、B、C无输入或悬空时，Y0 输出1 , 操控档位在最高量程电压档位上，起到维护电路的效果。
档位的敞开电路如图8 所示。电路中选用了N沟道增强型场效应管。各场效应管的栅极别离接到3?8 译码器输出的相应量程档位上。各场效应管的漏极别离接由分压电阻分压后的电压，然后完成对档位的挑选。
依据丈量电压的量程，场效应的最大击穿电压有必要大于300 V , 一般可选耐压为350 V 的开关管。前面的译码器中若操控端G2A’ 和G1 别离不为0 和1 时，即量程不在0. 2~300 V 之内时，译码器一切输出为0 , 一切档位敞开电路也都关断，起到维护外表的效果。
图8 档位敞开电路。
3. 2. 3 量程主动挑选总电路
依据上述研讨，可得量程主动转化电路如图9 所示。电路中所用的基准电压都是2 V , 可用同一直流电源供给。稳压管均选用2. 8 V 作业电压的稳压管。整个输入值判别器的电路在丈量端的输入电阻值不小于20 ∥ 19 ∥ 19. 8 ∥ 29. 9 ∥ 20 = 4. 227 MΩ ,以完成高阻抗输入的特色。
图9 量程主动挑选总电路。
4 芯片的选用
在选用3-8 译码器芯片时应当留意的是： 当时常用的3?8 译码器芯片为低功耗肖特基系列，即74LS 系列，如74LS138 . 其输出Y0~Y7 , 都是反相输出，而图7 中的则为正相输出。使用74LS138 时应在各输出端加反相器。
电路中共用了12 个运算扩大器，可选用3 块LMP2014MT 芯片供给。LMP2014MT 系美国国家半导体公司2004 年12 月发布的低功耗、轨到轨输出(满压输出) 的精细扩大器。首要使用其高集成度低功耗的特色： 每块集成4 个运算扩大器。
芯片作业电压为2. 7 ~ 5. 25 V ; 作业温度为0 ~70 ℃ ; 最高输入输出电流为30 mA .
5 定论
提出并规划了一种适合于智能电压表的量程主动转化电路，并对所规划的电路图用EWB 软件进行了仿真。文中所规划的电路是按直流的电压输入量来规划的。对沟通量的丈量则需求在输入端加设一绝对值转化器，把沟通电压幅值转化为对应的直流量值。并且关于规模更宽的输入量的丈量则需求增设扩展档位，增加分压电路，进步场效应管的耐压值，挑选更多输入输出线的译码芯片。
因为本文所规划的电路的选档部分和档位开关是通用型的，当这部分电路作恰当的调整后，可移植到规划量程主动挑选的电流表、欧姆表等测验外表中。因而还可用在主动测验及操控等方面。
