高精度区间式电压表及其应用

刘安军

实际应用中，对电压的测量通常采用全量程电压表，量程从零起始至某一个数终止，例如0～1V，0～250V等。一般测量中，被测电压在一个较大的范围变化，或被测电压是未知量，这种表是很适用的。实际上，有时被测的电压仅仅在整个量程内一个较小的范围变化，占全量程电压表整个刻度范围很小的一部分，这时用全量程电压表不仅分辨率低，读数困难，同时精度也很低，满足不了测量要求，即便使用更高精度的表，有时也难满足测量需要。区间式电压表取电压全量程的一个区间，起始值不是从零开始，而是根据需要选定起始值和终止值，只反映被测电压发生变化的那一部分，例如10～11V，200～230V等，这样可以展宽刻度，提高读数分辨率和测量精度，从而满足测量需要。

高精度区间式电压表大大提高测量性能，可以在电压检测、电量监控、自动控制、标准计量仪器、模/数转换等许多方面广泛应用。

1.工作原理

根据被测电压变化范围和测量精度需要，适当选定电压量程的一个区间为起始值和终止值；采用运算放大器，只对选定的那一个区间进行线性放大；在运放输出端接一个标有对应区间起始值和终止值的电压表头显示被放大的测量值。这就是高精度区间式电压表的工作原理。

图1为高精度区间式电压表电原理图。根据被测电压Vin变化范围选定的一个区间，起始值为V1，终止值为V2，被测电压Vin在V1～V2范围内变化。运放IC2的反向输入端用一个固定的高精度电压基准源IC1做基准，正向输入端的R1、W1、R3对被测电压进行分压，W1为调零电位器，W2为增益调整电位器，用来调整运放的放大倍数，运放输出端通过分压电阻R4接标有起始值和终止值的微安表头。当被测电压Vin为V1 时，调整电位器W1，使运放的两个输入端等值，运放输出端表头为0V，也就是区间式电压表的起始值；当被测电压Vin为V2时，调整电位器W2，使输出端表头满刻度，也就是区间式电压表的终止值。这样，被测电压在V1～V2之间变化时，运放输出端表头的值在起始值和终止值区间范围摆动。

2.应用电路的设计

高精度区间式电压表选择一定区间变化的信号进行放大，选择的区间范围越小，放大的倍数也就越高，而且要满足不同精度、不同分辨率的要求。要根据需要设计电路和选择相应性能的元器件，才能满足设计需要。

这里介绍三种基本应用电路。图1为一个普通应用电路，采用单个运放，可以满足一般要求，其增益AV约为W2 /R2。图2为高性能的应用电路，采用高阻抗仪表放大器电路，其增益A V =1+2R4/ W2，按图中参数，增益最小11，最大可达1000以上。图3采用高性能集成仪表放大器AD623，AD623可以单电源3～12V或双电源±2.5～±6V工作、满电源幅度输出，低功耗，较宽的动态范围，良好的线性、温度稳定性和可靠性，通过一只电阻调整放大器增益，增益范围1～1000。使用仪表放大器使电路更简单，性能更稳定。

整个电路的供电应采用稳压电源。电路的功耗较小，尤其是选用低功耗元器件时，整个表的内阻可以做的比较大，如果被测信号源是一个功率信号源或内阻较小时，可以直接用信号源经稳压后做电源，以简化电源设计。

3.元器件选择

这里只说明一般选用原则，具体应用时根据设计指标计算选择。电阻精度要优于1％或更高，必要时还要考虑温度系数来满足整个电路的设计。分压电阻R1、W1、R3阻值的选取以分压支路电流30μA～1mA计算选取，分压值要在电压基准值附近，有一定可调范围。运放尽量选择高精度、低温漂、低失调电压、低噪声、满电源输出类；当运放的电源直接取自信号源，要提高整个表的内阻时，选择微功耗的运放。仪表放大器可以按图2设计制作，也可以选用集成仪表放大器。电压基准源的性能至关重要，直接关系到整个电路的稳定性。电压基准源的电压值选取没有特殊要求，一般取放大器工作电压的中点以下。区间电压表的表头可以直接用毫安级的一般电压表，这时要去掉运放输出端的分压电阻R4；如果要提高整个表的内阻，应选用微安级表头，根据表头电流和运放输出电压值，计算合适的分压电阻R4。表盘刻度如果适用可不变，但要根据所设计的区间改变起始值和终止值；如果不适用，重新绘制对应的表盘。

4.应用实例

区间式电压表的优点是显而易见的，可以在许多方面广泛应用，这里仅举几例。

（1）＋12V固定输出直流稳压电源用高精度区间电压表，采用图3电路。图中，R1为10kΩ，R3为2kΩ，W1为1kΩ，电源+V直接用被测的12V稳压电源，被测信号Vin接＋V，电压基准源的电压V REF取2.5V。被测电源输出DC12V±1％，最大变化量VΔ=│12×±1％│= 0.24V，预留一定余量，取VΔ=0.5V，设定区间式电压表的读数范围为11.75～12.25V。计算仪表放大器信号输入端信号变化量约为V信Δ=V REF×VΔ／12 = 2.5×0.5／12 ≈ 0.1V，仪表放大器的输出端接一个满刻度5V的电压表，增益为 AV =5V／0.1V=50，W2取3kΩ。

标定和调试：原表头为50μA电流表头，改为5V电压表，分压电阻R4=5V/0.05mA=100kΩ，用1％精度的固定电阻；原表刻度盘不适用，按11.75～12.25V的区间，重新绘制刻度50小格，每小格0.01V，标上电压值，见图5。用四位半以上数字电压表标定，将被测电源调至11.750V，调W1，使放大器输出端电压表为0；电源调至12.250V，调整W2使电压表为满刻度。

用同样的表头，原来表盘精度为15V／75格 = 0.2V / 格，12V±1％的变化量在表盘上只占1格多；现在的精度为 0.5V／50格=0.01V／格，同样的变化量占表盘近1/2，大大提高了精度和可读性。

（2）采用压力传感器、电接点式区间电压表的水塔水位自动控制器。常用的水塔水位自动控制器为电极式，水塔内的水位测量电极易氧化、开路。把压力传感器的高精度、电接点式电压表头的可控性、区间式电压表的高分辨率相结合，成为又一种水位自动控制器。用压力传感器测量的水位压力的电信号，其中有水塔塔身高度的水位压力和蓄水池高度的水位压力两部分，前一部分一般不变化，而后一部分随水位变化，且只占整个量程较小一部分。虽然压力传感器具有很高的灵敏度，用全量程电接点式电压表仍分辨率不够，控制精度不高。将区间式电压表的表头改用电接点式电压表表头，区间范围为压力传感器表压量程中蓄水池变化的那一部分，显示清楚，控制准确。电路的控制部分用比较器代替电接点式电压表的接点也是完全可行的。

（3）数字系统中对A/D模数转换器输入值的处理。同样，A/D转换器是对全量程进行转换，对只在小范围变化的信号，A/D转换器要提高转换精度，只有增加转换器位数，但有时仍不能达到要求，而增加位数也是有限的。用高精度区间式电压表对量程中一个选定的区间放大后，送入A/D转换器，实际上A/D转换器转换的只是一个区间值，用软件可以很方便地处理测量结果，区间的起始值加上A/D转换值，得到实际的测量数据。即使A/D转换的位数不高，也能够取得很高的精度。

（4）分挡式区间电压表。图4是对图1电路的扩展应用，在图1电路的基础上加上波段开关，成为分挡式的区间式电压表。分挡式区间表是把全量程根据需要分成几个区间段，例如，把10V的量程分成四个无交叉区间：0～2.5V、2.5～5V、5～7.5V、7.5～10V；或有交叉区间：0～3V、2.5～5.5V、5～8V、7.5～10.5V。波段开关的四个挡对应四个区间，通过分别调定每一个区间的调零电位器W1、增益调整电位器W2实现各区间段的覆盖。分挡式区间式电压表应用更加方便，可以实现一表多用。

(5)采用以上电路还可以方便地做成为中心值为零的正、负值区间式电压表。把中心值做为零点，图1中用调整起始值的W1调整这个零点，就成为中心值为零的可测正、负值的区间式电压表。

高精度区间式电压表的测量区间可大可小，测量精度能够做的很高，不仅可以制成专用仪表来满足测量需要，更重要的是提供了一种思路和方法，对各种类似的物理量转换为电量后处理，凡是要提高一个区间测量精度的地方都可以变通使用。