交、直流信號幅值的測量和顯示是有些儀器儀表的必備功能，從顯示的形式來看，常見的有兩種形式：指針式和數字式。對有固定輸入信號性質（如：交流、直流、電壓、電流等）和范圍（信號幅值區間）的測量部件，常稱為表頭。隨著電子技術的發展，數字化顯示交、直流信號的幅值已占統治地位。對簡單的數字表頭而言，其核心是一片A/D轉換芯片，測量過程一般是圖1所示的形式：

對于多路信號需測量的場合，若仍采用上述模式，有兩個途經：①在A/D轉換前加切換開關；②配備多個數字表頭。以方式①測量多路信號的幅值是依次進行的，由于表頭的“慣性”，在進行信號切換后，表頭需要有一段穩定時間，才能準確地讀數，相鄰兩信號的幅值相差越大需要的穩定時間越長。人們最為熟悉的數字萬用表即這種模式。以該模式快速（甚至同時）測量多路信號的幅值顯然辦不到。方式②雖然可以同時得到多路信號的幅值，但其眾多的顯示窗口不利于儀器儀表面板的簡化。當今儀器儀表面板趨于屏幕化，數據顯示表格化、圖形化。

面板屏幕（液晶、CRT）化的儀器儀表通常都有微處理器支持，可以利用微處器強大的數據處理能力實現對多路信號幅值的快速或同時采樣。以用51系列單片機為核心的系統為例，對單路信號幅值的采樣和顯示一般為圖2所示的模式。

由于單片機有較強的數據處理能力，只要輸入單片機的信號與被測信號之間存在一個固定的函數關系（最簡單的是正比關系），便可實現測量。輸入單片機的信號可有兩種形式：一種是采用A/D轉換芯片而獲得的編碼信號；另一種是采用V/F轉換芯片而獲得的頻率信號。一般情況下單片機采用5V電源供電，邏輯電平為TTL電平。為了簡單，系統內的其它芯片應向單片機看齊。為此，A/D轉換或V/F轉換的輸入信號應為0～5V模擬電平，該模擬電平是經信號比例（分壓器電路)設置后獲得的，正比于輸入信號的大小。對于交流信號而言，信號幅值指的是“有效值”，交流信號經AD/DC轉換后便可獲得有效值。對于直流信號，經極性處理后就可進行A/D或V/F轉換。若被測信號為電流形式，則還需進行I/V轉換，對mA級以上的信號可采用電流互感器來進行I/V轉換，mA級以下的信號則需采用運算放大器電路來進行I/V轉換。

以A/D轉換方式進行模擬信號幅值測量，A/D轉換芯片特性決定了轉換精度、線性度、數字編碼的有效位數。當前A/D轉換芯片是一個大家族，從數字編碼輸出形式上看有并行和串行兩種。從數字編碼形式上看，既有二進制編碼，字長從8位到16位（在幅值測量方面，10位以下A/D芯片基本不用）；也有BCD編碼，字長為3位半或4位半。以V/F轉換方式進行模擬信號幅值測量，因其輸出頻率正比于輸入電壓，系統需提供計數器支持，通過單片機對頻率值的換算便可獲得輸入信號幅值。

要進行對多路信號幅值快速甚至同時測量，必須為每路信號都配備一個轉換通道。在以單片機為核心的儀器儀表中，對多路信號幅值快速測量除要考慮轉換精度、線性度以及讀數的有效位數外，還要考慮硬件電路規模、軟件開銷、系統成本等因素。在轉換精度、線性度、讀數的有效位數相當以及相同轉換路數前提下，幾種方案的比較如表1。

筆者在由武漢新電高技術公司生產的XD3310A型微電腦移相器中成功地應用V/F轉換方式實現了對六路信號幅值的同時采樣和集中顯示。XD3310A型微電腦移相器有六路信號幅值需要測量和顯示，分別是A、B、C三相交流電壓，幅值區間最大為0～450V，A、B、C三相交流電流，幅值區間最大為0～10A。從顯示的數字區間看，若采用A/D轉換方式，則轉換芯片的字長至少應達13位（二進制）或4位半(BCD碼）。為每路信號都配備一顆這樣的芯片成本很高。因此，筆者選用了V/F轉換方式來測量這六路信號的幅值，并獲得預期效果。AC/DC轉換及V/F轉換電路如圖3所示。

V/F轉換芯片選用廉價的LM331，芯片的輸出頻率范圍是：1Hz～10KHz，以該芯片作A/D轉換，數字量有效位數范圍比3位半的A/D轉換芯片大，比4位半的A/D轉換芯片小，與13位(二進制）的A/D轉換芯片相當。為每個被測信號都配備一個如圖3所示的轉換通道，目的是克服V/F轉換的“慣性”，準備實現6路信號同時采樣。

圖4是單片機控制部分電路框圖，由于整個儀器系統無需配備片外RAM，為了盡可能簡化電路，筆者選用了內置8K-ROM的89C52單片機。89C52的P0口作數據總線，P2口作地址總線，P1口被組織成一個4×4的鍵盤，移相器用的I/O口則通過擴展一片8255A而得。在單片機數據總線上掛有兩片8253計數器芯片，共擴展6個16位計數器，可同時計數6路脈沖信號，該6個計數器都被設置成工作方式0且門控計數，兩芯片共6個門控端(GATE0～2)全部并在一起受89C52的P3.4(T0)控制，計數時間（P3.4高電平時間，本實例大約為1秒左右)由89C52的CTC0通過中斷服務程序產生。每到一計數時間，便由89C52依次讀出這6個計數值，經換算得到了6個模擬信號幅值。

89C52中的程序主要有4大任務：1）鍵值解釋；2）液晶顯示模塊管理；3）移相器狀態監視和控制；4）8253計數器控制和讀出。6路信號的采樣時序見圖5。

實際應用表明，在一般的信號幅值測量且有單片機支持的場合，利用LM331進行A/D轉換具有精度高、線性度好、成本低、使用方便等優勢。在圖4所示的設計方案中，由于89C52讀取8253的計數值非常快，相對于采樣時間而言幾乎同時。比起巡回采樣方式，本設計方案的速度優勢明顯，基本與信號路數無關。由于單片機系統擴展8253非常容易，頻率信號又便于遠距離傳輸和隔離，本設計方案也適用于更多路信號的遠距離巡回檢測。■

參考文獻

1 沙占友，沙占為 編著，數字萬用表的原理、使用與維修， 電子工業出版社，1988。

2何立民 編著，單片機應用系統設計，北京航空航天大學出版社，1991。