高精度區(qū)間式電壓表及其應用

劉安軍

實際應用中，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數(shù)終止，例如0～1V，0～250V等。一般測量中，被測電壓在一個較大的范圍變化，或被測電壓是未知量，這種表是很適用的。實際上，有時被測的電壓僅僅在整個量程內(nèi)一個較小的范圍變化，占全量程電壓表整個刻度范圍很小的一部分，這時用全量程電壓表不僅分辨率低，讀數(shù)困難，同時精度也很低，滿足不了測量要求，即便使用更高精度的表，有時也難滿足測量需要。區(qū)間式電壓表取電壓全量程的一個區(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、自動控制、標準計量儀器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等許多方面廣泛應用。

1.工作原理

根據(jù)被測電壓變化范圍和測量精度需要，適當選定電壓量程的一個區(qū)間為起始值和終止值；采用運算放大器，只對選定的那一個區(qū)間進行線性放大；在運放輸出端接一個標有對應區(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。運放IC2的反向輸入端用一個固定的高精度電壓基準源IC1做基準，正向輸入端的R1、W1、R3對被測電壓進行分壓，W1為調(diào)零電位器，W2為增益調(diào)整電位器，用來調(diào)整運放的放大倍數(shù)，運放輸出端通過分壓電阻R4接標有起始值和終止值的微安表頭。當被測電壓Vin為V1 時，調(diào)整電位器W1，使運放的兩個輸入端等值，運放輸出端表頭為0V，也就是區(qū)間式電壓表的起始值；當被測電壓Vin為V2時，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，運放輸出端表頭的值在起始值和終止值區(qū)間范圍擺動。

2.應用電路的設計

高精度區(qū)間式電壓表選擇一定區(qū)間變化的信號進行放大，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)需要設計電路和選擇相應性能的元器件，才能滿足設計需要。

這里介紹三種基本應用電路。圖1為一個普通應用電路，采用單個運放，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。

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

3.元器件選擇

這里只說明一般選用原則，具體應用時根據(jù)設計指標計算選擇。電阻精度要優(yōu)于1％或更高，必要時還要考慮溫度系數(shù)來滿足整個電路的設計。分壓電阻R1、W1、R3阻值的選取以分壓支路電流30μA～1mA計算選取，分壓值要在電壓基準值附近，有一定可調(diào)范圍。運放盡量選擇高精度、低溫漂、低失調(diào)電壓、低噪聲、滿電源輸出類；當運放的電源直接取自信號源，要提高整個表的內(nèi)阻時，選擇微功耗的運放。儀表放大器可以按圖2設計制作，也可以選用集成儀表放大器。電壓基準源的性能至關重要，直接關系到整個電路的穩(wěn)定性。電壓基準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，這時要去掉運放輸出端的分壓電阻R4；如果要提高整個表的內(nèi)阻，應選用微安級表頭，根據(jù)表頭電流和運放輸出電壓值，計算合適的分壓電阻R4。表盤刻度如果適用可不變，但要根據(jù)所設計的區(qū)間改變起始值和終止值；如果不適用，重新繪制對應的表盤。

4.應用實例

區(qū)間式電壓表的優(yōu)點是顯而易見的，可以在許多方面廣泛應用，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，預留一定余量，取VΔ=0.5V，設定區(qū)間式電壓表的讀數(shù)范圍為11.75～12.25V。計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滿刻度5V的電壓表，增益為 AV =5V／0.1V=50，W2取3kΩ。

標定和調(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，標上電壓值，見圖5。用四位半以上數(shù)字電壓表標定，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、電接點式區(qū)間電壓表的水塔水位自動控制器。常用的水塔水位自動控制器為電極式，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，控制準確。電路的控制部分用比較器代替電接點式電壓表的接點也是完全可行的。

（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)，但有時仍不能達到要求，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選定的區(qū)間放大后，送入A/D轉(zhuǎn)換器，實際上A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的只是一個區(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電路的擴展應用，在圖1電路的基礎上加上波段開關，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)需要分成幾個區(qū)間段，例如，把10V的量程分成四個無交叉區(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。波段開關的四個擋對應四個區(qū)間，通過分別調(diào)定每一個區(qū)間的調(diào)零電位器W1、增益調(diào)整電位器W2實現(xiàn)各區(qū)間段的覆蓋。分擋式區(qū)間式電壓表應用更加方便，可以實現(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、負值區(qū)間式電壓表。把中心值做為零點，圖1中用調(diào)整起始值的W1調(diào)整這個零點，就成為中心值為零的可測正、負值的區(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，凡是要提高一個區(qū)間測量精度的地方都可以變通使用。