在电化学行业中，经常需要计量累积电量的值(即工作电流与工作时间的乘积，单位为安时Ah)。在这些行业中的电流是随时间变化的非恒定电流，因此不能简单地由通电的时间和电流的乘积获得累积电量，这就要用专用的仪表来计量。如蓄电池行业、电解、电镀行业中，为了计量和控制累积电量的值，要用到安时计。
安时计的主要功能是通过直接计量累积的电量来间接控制电池的充放电时间或金属镀层的厚度，同时能按设定的安时值进行报警和及时切断电路［１］。
本安时计具有现时电流显示、累积安时显示及预置安时值和超限报警的功能。
1电路的构成及工作原理
本安时计采用了当今较先进的器件构成，主要由电流采样放大电路、计量控制电路、电流测量显示电路、A/D转换电路、分频电路、计数显示电路、预置电路及报警电路组成。首先由电流采样电路得到与工作电流成正比的电压量，对此电压量进行线性放大，分别送给电流测量显示电路和A/D转换电路，由电流测量显示电路读出现时的电流值；同时，由A/D转换电路得到频率与输入电压量成正比的脉冲信号，对此脉冲信号按安时显示的精度进行分频，得到适合计数的脉冲，再对分频后的脉冲信号计数显示便得到了累积的安时值。原理框图如图1所示。
2单元电路设计
2.1电流采样放大电路
该电路主要由集成霍尔效应电流传感器及集成运算放大器组成。集成霍尔效应电流传感器是一种利用霍尔效应制成的闭环电流传感器，它应用磁调制原理，原边与副边高度绝缘，能在非接触的情况下测量各种电流，具有线性度好、响应时间短、失调和漂移小等特点，能对输出进行幅度和零点的调整。由于测量电流是非接触测量采样，所以对被测电流基本无影响，同时安全可靠。由采样放大电路得到的电压信号与被测工作电流之间的关系为：
U=α·I
式中：U为采样放大电路输出电压(V)；α为转换放大系数(V/A)；I为被测工作电流(A)。
2.2电流测量显示电路
电流测量显示电路的作用是测量并显示现时的工作电流值。由集成运算放大器构成比例运算电路对采样放大的输出U进行比例运算，得到与工作电流同等数值的毫伏电压值UA，关系为：
式中β为比例放大系数；UA的单位为mV。选取β、α的乘积为I，得UA＝I，然后用四位半数字电压表头显示即为现时电流值［２］。
2.3A/D转换电路
A/D转换电路的作用是将采样放大电路的输出U变换为频率与之成正比的脉冲信号，该电路的核心器件是计算机显示器上常用的一种A/D转换器LM331。该电路是由美国NS公司生产的图2A/D转换电路一种精密电压/频率转换器，又称为V/F转换器。LM331的性价比较高，动态范围宽，可达100dB，转换的线性度好，最大非线性失真小于0.01%。由它构成的A/D转换电路如图2所示，图中U为经采样放大处理并与被测工作电流成正比的输出电压信号，单位为V，fout为输出的脉冲信号的频率，单位为Hz，其转换关系为：
在该电路中，电阻R16为80kΩ±10%，它主要是使LM331的输入端7脚产生偏流，用来抵消6脚偏流的影响，从而减小频率偏差。R39与RW3的作用是调整LM331的增益偏差，和由R23、R25及C6引起的偏差。当6、7脚的RC时间常数匹配时，输入电压的阶跃变化会引起输出频率的阶跃变化，若C8比C9小得多，则输入电压的阶跃变化可能会使输出频率瞬间停止。6脚的47Ω电阻R23和1.0μF电容器并联用以产生滞后效应，使V/F的转换获得良好的线性度［３］。调节R23、R25及C6RW3的值可以改变fout的值及线性度，使之符合设计要求。
2.4计量控制及计数显示电路
计量控制电路的作用是控制V/F转换器，在被测工作电流为零时，V/F转换器被封锁，它是由μA741构成的过零比较电路和两输入的与门组成，当工作电流为零时比较电路输出为低电平，即与门的一个输入为低电平，从而使其输出为零；反之比较电路输出为高电平，与门有fout输出。
A/D转换电路输出的信号fout是频率较高的信号，不适合计数显示，需对此信号进行分频，即变换为频率
的信号，m为分频系数。按照仪器的设计显示精度为0.01安时(Ah)的要求，1A的被测工作电流1h的累计安时数为1.00Ah，故应选择1A的被测工作电流对应f=(1/36)Hz，这样，3600s(1h)×f＝100，所以应将倒数第三位数码管的Dp端经电阻接电源(小数点位置)，即这时显示的安时值为1.00。该单元电路的核心器件为奎克半导体公司生产的大规模CMOS集成电路QA64X889八位十进制多功能计数器［５］，该电路为28脚双列直插封装，能直接驱动共阴LED，最高计数频率5KHz，最小正、负脉宽100μs，控制沿与有效计数沿最小间隔时间20μs。最大安时容量为999999.99Ah，该电路能通过BCD码盘P0-P3预置分频系数和S0-S7预置安时值，分频系数的预置范围为1-10000，若分频系数码盘不接，则分频系数为1，故实际的分频系数应为预置数加1(即3600分频设置为3599)。电路如图3所示，图中CP-接地，为低电平，以使QA64X889设置为上升沿触发加计数模式，计数脉冲由CP+端输入。“START”为手动计数开始按钮，“RESET”为手动复位按钮。“EQUAL”为超限输出端，当测量的安时值等于大于预置值时，输出高电平，使晶体管导通，继电器动作，完成报警和切断电源的功能。
3仪器标准
该仪器的校准须从霍尔电流传感器和A/D转换电路两方面入手，首先调整传感器的调零电位器，使无被测工作电流时仪表的显示均为零，然后调整幅度调节电位器，使1A的电流对应0.1V的电压(U)输出。其次调整A/D转换电路的参数，用频率计测量fout，使0.1V的电压对应100Hz的频率，且误差不超过±5%。
4结束语
本仪器采用了先进的大规模集成电路及传感器，使仪器的体积大大减小，提高了集成度和安全性、可靠性，经近一年的使用，用户反映良好，尤其克服了以往同类仪器抗干扰能力差的缺点，很适合电化学行业使用。
参考文献
［1］张立斌，等.新型安培小时计的研制［J］.电测与仪表，1997，11：6-7.
［2］卢文科.实用电子测量技术及其电路精解［M］.国防工业出版社，2000.
［3］童诗白，等.模拟电子技术基础(第三版)［M］.高等教育出版社，2001.
［4］王玉龙.数字逻辑［M］.高等教育出版社，1988.
［5］奎克产品目录.奎克半导体(北京)有限公司，2001，4.
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