电压检测与显示电路设计

张玉娟，程凤琴

(无锡城市职业技术学院，江苏 无锡 214153)

0 引 言

早期的电压检测是用机械式电压表实现的，不需要消耗任何电能，并且不会对被测电路产生任何影响。随着半导体技术的发展，人们研究出了电子式电压表，其体积比机械式电压表小得多，也更加便携。目前，对电压表的研究主要集中在基于AT89C51单片机、AT89C52单片机、AT89S51单片机、AT89S52单片机、AT89C2051单片机、W78E561单片机、嵌入式LPC1768芯片以及现场可编程门阵列FPGA电压表的研究[1-9]。电压检测技术包括模拟电路检测和数字电路检测两大类。其中，模拟电路检测具有检测速度快、响应时间短以及功耗低等显著特点，而数字电路检测具有检测精度高和显示效果好等特点。本文综合模拟电路和数字电路，设计了一款能够实现快速测量电压值的控制系统，并实现了如下的技术指标。其能够快速测量0～5 V的直流电压，能够通过4个LED指示灯显示0～1 V、1～2 V、2～3 V以及3 V以上的被测电压。此外，被测电压通过旋转电位器输出和检测系统通过220 V交流市电进行供电。

1 总体设计方案

系统的设计原理如图1所示。可以看出，整个系统由被测电压模块、放大模块、比较器模块、译码器模块、显示模块以及电源模块组成。其中，被测电压模块由一个电位器电路进行输出，通过调节电位器的旋钮给出不同的被测电压。由于被测电压值较低，不能直接被检测电路检测到，因此需要通过放大模块来放大被测电压。比较器模块用来识别放大模块输出电压值的所处范围，译码器模块用于将比较器输出的3位高低电平译码成十进制形式并进行输出，显示模块由4个LED灯组成用于显示被测电压的大小。此外，电源模块的作用是将220 V交流电压转换成+5 V直流电压，从而为被测电压模块、放大模块、比较器模块、译码器模块以及显示模块供电。

图1 系统设计原理框图

2 原理介绍

为了能够快速测量待测电压并准确显示待测电压值的所处范围，应考虑到测量系统的快速性。因此首选模拟电路来完成系统前端的电路配置，将电压放大模块作为电压测量系统的第一级。将待测电压值进行些许放大后，通过比较放大后的电压值可以快速得到待测电压值的所处范围。由于要测量0～1 V、1～2 V、2～3 V以及3 V以上的被测电压，因此可以配置3个参考电压值不同的比较器电路。其中，第一个比较器的同相输入端处的参考电压设置为1 V，第二个比较器的同相输入端处的电压设置为2 V，第三个比较器的同相输入端处的电压设置为3 V。将放大后的待测电压值传送到这3个比较器的反相输入端，如果待测电压值低于1 V，那么这3个比较器将全部输出高电平；如果待测电压处于1～2 V，那么3个比较器的输出电平分别为低、高、高；如果待测电压处于2～3 V，那么3个比较器的输出电平分别为低、低、高；如果待测电压处于3 V以上，那么3个比较器的输出电平分别为低、低、低。

通过识别3个比较器的输出电平就可以显示出待测电压的大小。为了完成对高低电平的识别，译码器将是最佳的选择。通过译码3个比较器的输出电平，从而点亮不同的LED来显示待测电压值。检测电路的供电采用+5 V供电，而要实现将220 V交流市电转换为+5 V直流电压，变压器降压模块和二极管整流电路将是最合适的搭配。

2.1 电源模块

本系统采用的是将220 V交流电转换成+5 V直流电的供电方式。电路中采用降压滤波整流方法，将得到的+5 V直流电压用来给电路中的其他模块供电。电源模块电路如图2所示。

2.2 被测电压及其放大模块

图2 电源模块电路图

被测电压及其放大模块电路如图3所示。其模拟被测电压产生电路和由LM324集成运放构成的同相比例放大器电路设计。其中，电阻R5和电位器RP2构成模拟被测电压产生电路，电位器RP2的总阻值为5.6 kΩ，其触头2处的电位可调范围为0～5 V，最大输出电压为5 V。LM324放大电路由LM324芯片放大器N1A、电阻R6、电阻R7以及电位器RP3构成。由于被测电压信号通过R6输入到N1A的同相输入端IN+，因此其电压放大形式为同相比例放大，放大的比例倍数为1+RP3/R7。由于电位器RP3的可调范围为0～4.7 kΩ，因此放大倍数的可调范围为1～1.47。通过LM324放大电路对模拟被测电压的放大作用，Vout输出端将输出0～5V的直流电压。在供电方面，LM324采用+5 V电压的单电源供电，由三极管稳压电路的输出电压进行供给。

图3 被测电压及其放大模块电路图

2.3 比较器模块

比较器电路如图4所示。由3个放大器模块构成的比较器电路的主要作用是检测前级LM324同相比例放大电路输出电压的大小，精确度为1 V。当前 级LM324同相比例放大电路输出电压的大小在0～1 V范围内时，A、B以及C三端全部为高电平；当前级 LM324同相比例放大电路输出电压的大小在1～2V范围内时，A、B、C三端电位分别为高、高、低；当前级LM324同相比例放大电路输出电压的大小在2～3V范围内时，A、B、C三端电位分别为高、低、低；当前级LM324同相比例放大电路输出电压大于3 V时，A、B、C三端全部为低电平。此外，电阻R8～R11构成参考电压电路，对VCC进行分压后，将N1B～N1D的同相端（IN+）电压分别固定在+3 V、+2 V以及+1 V，这样输入电压就可以比较这3个参考电压。放大模块N1B～N1D构成比较器的核心元件，比较IN-和IN+两个管脚的电压，当IN+上的电压大于IN-上的电压时，输出管脚OUT端将输出高电平，否则输出低电平。R12和R15（R13和R16、R14和R17）用于构成正反馈，防止输入电压中的噪声信号干扰比较器，避免OUT端电位出现剧烈震荡现象。电阻R18～R20用于对比较器输出电流进行限流，防止烧毁后级的译码器芯片。

图4 比较器电路

2.4 译码器及显示模块

由74LS138译码器芯片构成的译码器电路及显示电路如图5所示。其中，译码器电路由译码器芯片74LS138和电阻R21构成，显示电路由电阻R22～R25以及发光二极管VD4～VD7构成。译码器电路的作用是将三相的3位二进制数据转换成十进制数据并通过管脚Y0～Y7进行输出。当3个输入信号的电平全为低电平时，Y0将输出低电平（此时VD4将被点亮），Y1～Y7输出高电平（VD5～VD7不亮）；当全为高电平时，Y7将输出低电平（此时VD7将被点亮），Y0～Y6输出高电平（VD4～VD6不亮）。LED显示电路用于显示被测电压的大小，当采集到的模拟被测电压值为0～1 V时，只有VD7发光；当模拟被测电压值为1～2 V时，只有VD6发光；当模拟被测电压值为2～3 V时，只有VD5发光；当模拟被测电压值为3～5 V时，只有VD4发光。此外，图中的电阻R21用于限流，是为防止过大的电流损坏74LS138芯片，电阻R22～R25用于限流，是为防止74LS138芯片输出的大电流损坏LED灯。将控制管脚的电平配置为高、低、低，这样74LS138芯片就能够将A、B以及C的二进制信号译码成十进制信号，并通过管脚Y0～Y7进行输出。

图5 译码器及显示电路

2.5 电压检测与显示电路

电压检测与显示电路的总体原理图如图6所示。

3 实物制作

制作好的实物如图所示。依据万能板背面的走线，图上的4个发光二极管，从上到下依次为VD7、VD6、VD5以及 VD4。

测试照片如图8～图11所示。其中,万用表红、黑表笔分别接由LM324的1管脚引出的红线和电容C2的负极引出的黑线。从图8可以看出，当被测电压为0.59 V，即小于1 V时，VD7被点亮。从图9可以看出，当被测电压为1.57 V，即大于1 V小于2 V时，VD6被点亮。从图10可以看出，当被测电压为2.89 V，即大于2 V小于3 V时，VD5被点亮。从图11可以看出，当被测电压为4.16 V，即大于3 V时，VD4被点亮。

图6 总体原理图

图7 实物照片

图8 被测电压0.59 V时，VD7被点亮

图9 被测电压1.57 V时，VD6被点亮

图10 被测电压2.89 V时，VD5被点亮

图11 被测电压4.16 V时，VD4被点亮

4 结 论

本文设计制作了电压检测与显示电路。以LM324和74LS138作为核心芯片，由被测电压模块、放大模块、比较器模块、译码器与显示模块以及电源模块组成。当模拟输入电压值在0～1 V之间时，发光二极管VD7发光；当模拟输入电压值在1～2 V之间时，发光二极管VD6发光；当输入电压值在2～3 V之间时，发光二极管VD5发光；当输入电压值在3 V以上时，发光二极管VD4发光。通过调节RP2，模拟输入电压值从0～5 V变化，从而使发光二极管VD7～VD4被依次点亮，进而能够实现电压的快速测量以及正确显示功能。