自动量程切换电路案例分析

方案1（PGA202）：

如图所示为由PGA202与比较器、计数器构成的自动量程切换电路。该电路采用比较器在输出端与VOUT 进行比较，当VOUT VREF=10V时，比较器输出“降”信号，升/降计数器输出2Bit编码PGA202的A0、A1端，使PGA202的增益下降；当VOUT ［1kΩ/（1kΩ 10kΩ）］×10V=0.909V时，比较器输出“升”信号，升/降计数器输出2Bit编码到PGA202的A0、A1端，使PGA202的增益增大；当0.909VVOUT10V时，增益保持不变

方案2（4066）：

方案3：

U1（LM324）为四运放IC1，U1-1/4与U1-2/4的作用是发生被测电压极性识别信号与控制U2的信号通道。U1-3/4构成程控放大电路，对被测电压进行10，1，1/10，1/100的放大或衰减。U1-4/4为反相放大器，用于调剂输出电压幅度以满足A/D转换器正常工作要求;

U2（SGM522）为二通道模拟开关IC，实现正、负极性的被测电压分通道传输，以便对负极性信号实施反相措置;

U3（C4066）为四通道模拟开关IC，在量程自动控制信号的作用下，实现让不合量程的电压分通道传输，以便配合U1-3/4电压进行幅度变换;

U4（LM339）、U5（74LS05）、U6与U7（74LS21）组成自动量程控制信号发生电路。其中，U4为四斗劲器IC，用于确定各量程的丈量规模，U5为四反相器，对高或低电平实施反相变换，U6、U7均为四输入双与门IC，通过逻辑运算获得自动量程控制信号；

U8（C14433）为双积分式A/D转换器（又称双斜式A/D转换器），转换输出结果与输入信号的平均值成正比，对叠加在输入信号上的交流干扰有良好的抑制作用，具有零漂抵偿的3位半（BCD码）单片双积分式A/D转换功能，转换速率为3～10Hz，转换精度为±1LSB，模拟输入电压规模0～±1.999V或0～±199.9mV，输入阻抗大于100MΩ。MC14433转换结果以BCD码形式，别离按千、百、十、个位由Q0～Q3端输出，相应的位选通信号由DS1～DS4提供；

U9（MC14511B）为译码集成电路，将BCD码译码成十进制信号，控制数码管的位显示；

U10（MC1413）为7路反相缓冲集成电路，用于实现高低电平间的转换，增强对数码显示管的驱动能力。

电路工作原理

（1）被测电压的Ux极性判断与变换电路工作原理：电路由2个过零电压斗劲器、一个反相器和双向限幅电路组成，当Ux极性为“+”时，U1-1/4输出高电平，在C+的控制下被测电压通过U2的第一通道。U1-2/4输出低电平，C也为低电平，U2的第二通道欠亨；当Ux极性为“-”时。U1-2/4输出高电平，在C的控制下被测电压通过U2的第二通道，并通过U5-1-4完成反相变换。U1-1/4输出低电平，C+使U2的第一通道欠亨。V1，V2为双向限幅二极管，用于限制加到U1-1/4与U1-2/4输入真个电压幅度。

（2）多路模拟开关和程控放大电路工作原理：电路由C4066，U1-3/4，R4～R7等组成。设R1～R3通道等效电阻为R1～3，其巨细可设置为100kΩ，当B1为高电平时，多路模拟开关C4066的i1～O1通道接通，运放U1-3/4的反馈电阻R4取1MΩ，对Ux放大10倍后送入A/D转换器的输入端。若A/D转换的电压满度值为2V，则可丈量0～±200mV的电压。同理，当量程转换控制信号B2，B3，B4别离为高电平时，C4066对应的通道接通，当U1-3/4的反馈电阻R5，R6，R7别离取100kΩ、10kΩ、1kΩ时，R5使±200mV～±2V的电压直接通过，R6使±2～±20V的电压衰减10倍后通过，R7使±20～±200V的电压衰减100倍后通过。再将某一路输出电压经U1-4/4反相放大，使与实际被电压极性一致，并可通过R16调度电压放大倍数（-R16/R15），保证A/D转换电路正常工作所需的输入电压。

（3）量程自动转换控制电路工作原理：量程自动转换电路由四4斗劲器U4、3个反相器（U5内）、2个四输入双与门U6与U7、分压电阻R10～R14等组成。由于设置R1～3为100kΩ，选择R8（470kΩ可调）与R9（5kΩ）使ux在R9上的分压比为1/100，经分压后加到各斗劲器的反相输入端。当ux别离为±200mV，±2V，±20V，±200V时，分电压值别离为2mV，20mV，0.2V，2V。同时，由R10～R14（电阻值如图2中所示）对Vcc分压获得各斗劲器的参考电平也别离为2mV，20mV，0.2V，2V，并别离加至各斗劲器的同相输入端。当被电压Ux到达某量程的满刻度值时，使斗劲器的输出电平由高变低，通过组合逻辑电路发生量程自动控制与标志信号（高电平有效）。若Ux位于0～±200mV，U6-1/2输出高电平，获得有效量程控制信号B1，其余B2～B3为低电平；同理，当被测电压别离在±2V，±2～±20V，±20～±200V规模时，U6-2/2、U7-1/2、U7-2/2别离输出高电平，获得量程控制信号B2、B3和B4，状态转换表如表1所示。

逻辑表达式别离为：B1=W.X.Y.Z，B2=

为超量程标志信号。

（4）被测电压极性、小数点位置与超量程的指示信号：被测电压极性显示控制信号由U1-2/4提供，用输出的高或低电平控制“-”或“+”号的显示；小数点位置控制信号由量程自动转换控制信号实现，B1的高电平用于显示丈量规模为0～±200mV的小数点位置，B2的高电平用于显示丈量规模为±200mV～±2V的小数点位置，B3的高电平用于显示丈量规模为±2～±20V的小数点位置，B4的高电平用于显示丈量规模为±20～±200V的小数点位置，当被丈量电压规模在±200V以外时，不用小数点；超量程指示信号由B4的低电平实现，当B4为低电平时，表白被测电压跨越了±200V的最高上限。

（5）A/D转换、译码、显示电路工作原理：用U1-2/4输出的信号控制数码管最高位“g”段的亮与不亮，实现极性“-”显示。当U4的4个斗劲器都输出高电平量，便发生了超量程情况，可用它们发生报警与超量显示信号（本系统未考虑）。当程控放大器输出的信号加到U8的3脚，将模拟电压转换为BCD码，并由20、21、22、23脚输出，经U9译码为千、百、十、个四位十进制数，同时，由U8的16、17、18、19脚输出对应的选通信号，共同控制数码管显示丈量结果。

结语

本丈量系统运用与门、反相器、斗劲器、多路模拟开关集成电路（C4066）等数字集成电路巧妙组合获得了被电压极性判断、量程自动转换、信号幅度变换、小数点位置显示控制、超量程显示与报警信号。电路结构设计看似复杂，但分立元件少，成本低。具有设置量程便利、电压丈量规模宽、功能相对自力且容易扩展、工作稳定可靠等优点，值得借鉴。