基于STM32的自動(dòng)量程電壓表的設(shè)計(jì)方案

　　方案中的整個(gè)系統(tǒng)可以用一塊9V電池供電，實(shí)現(xiàn)了低功耗和便攜功能。交流測(cè)量是用AD637真有效值轉(zhuǎn)換芯片將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓后測(cè)量；用帶鉗位保護(hù)的反向放大器進(jìn)行輸入電壓轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了10MΩ的輸入阻抗和高安全性。電路中關(guān)鍵器件采用TI公司的精密運(yùn)算放大器OPA07和儀表放大器INA128，實(shí)現(xiàn)了高精度的測(cè)量；ADC采用STM32f103ZET6片內(nèi)自帶的12位AD，實(shí)現(xiàn)了低功耗，量程自動(dòng)切換功能。

　　0 引言

　　在智能儀器中，常常用到自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換技術(shù)，這使得儀器在很短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)選取最合適的量程實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量。自動(dòng)量程的實(shí)現(xiàn)一般通過(guò)控制輸入信號(hào)的衰減放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)，就電壓表來(lái)說(shuō)其輸入測(cè)量電壓會(huì)大于其AD 轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，所以它的量程切換基本上是信號(hào)衰減倍數(shù)切換的過(guò)程。

　　1.系統(tǒng)整體方案與工作原理

　　系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。STM32F103ZET6處理器是本系統(tǒng)的核心器件，負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的正常工作，包括讀取AD 轉(zhuǎn)換后的結(jié)果及200mV 與2V 檔位的控制；按鍵輸入動(dòng)作響應(yīng)；段式液晶的驅(qū)動(dòng)；量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制等。

　　輸入的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)量程轉(zhuǎn)換模塊，變成可供ADC模擬輸入端能正常進(jìn)行采樣的電壓。交流電壓測(cè)量模塊的功能是將被測(cè)的交流電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的RMS 值。按鍵輸入的功能是切換各種不同的測(cè)量模式以及計(jì)算相對(duì)誤差時(shí)進(jìn)行數(shù)值輸入。

　　2.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　?。?）電源管理硬件電路

　　本系統(tǒng)具有低功耗模式，即在一定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有操作，系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下自動(dòng)切斷一部分電路的工作電源。電源管理電路原理圖如圖2所示。

　　電池的正極分成兩路，第一路是直接接入到SPX1117的輸入端，SPX1117是三端集成穩(wěn)壓芯片，其輸出端輸出恒定的3.3V，作單片機(jī)系統(tǒng)電源。另一路是經(jīng)過(guò)三極管9012可以開(kāi)關(guān)控制，本設(shè)計(jì)中在系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)控制口輸出高電平，9011處于飽和狀態(tài)，9012的基極電壓與地電壓相近，9012飽和，即處于導(dǎo)通狀態(tài)。9V疊層電池的正極電壓到達(dá)78L05 三端集成穩(wěn)壓芯片的輸入端，其輸出端輸出穩(wěn)定的+5V電壓。-5V由負(fù)壓電荷泵7660S 產(chǎn)生。當(dāng)系統(tǒng)處于“低功耗”狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)控制口輸出為低電平。9011處于截止?fàn)顟B(tài)，9012的基極電壓為9V，也處于截止?fàn)顟B(tài)，模擬部分電源電壓為零。而單片機(jī)將一直處于不同模式的工作狀態(tài)。

　?。?）交流電壓轉(zhuǎn)換電路

　　交流電壓測(cè)量真有效值的轉(zhuǎn)換電路是測(cè)量交流電壓的關(guān)鍵部分，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到交流電壓信號(hào)的測(cè)量精度，在本次設(shè)計(jì)中我們通過(guò)比較選擇采用AD637來(lái)實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)到直流量的轉(zhuǎn)變，電路如圖3所示。

　　AC_IN是交流電壓輸入端，DC_OUT端輸出的是直流電壓信號(hào)。輸出直流電壓的值是輸入交流電壓的真有效值。此電路完成了交流到直流的轉(zhuǎn)換，實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)于5000Hz 交流信號(hào)轉(zhuǎn)換效果仍良好。

　　（3）量程轉(zhuǎn)換電路

　　本系統(tǒng)量程轉(zhuǎn)換采用單片機(jī)控制模擬開(kāi)關(guān)和繼電器實(shí)現(xiàn)，原理框圖如圖4所示。

　　直流/交流（0-20V）電壓輸入后雙擲開(kāi)關(guān)SW_1起到電壓量程轉(zhuǎn)換選擇作用，固定電阻R1，R3在精密可變電阻R2的配合下組成一個(gè)電阻10倍衰減網(wǎng)絡(luò)，且其輸入電阻大于10M 歐，滿足題目中輸入電阻的要求。最高輸入電壓可到20V 。再由單片機(jī)控制SW-1 來(lái)選擇是否衰減。R1和兩個(gè)IN4001 構(gòu)成一嵌位保護(hù)電路，使電路在高電壓輸入時(shí)處于安全狀態(tài)。OP07 構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器，起到隔離前后通道的作用，其較低的輸出電阻還可以提高帶負(fù)載能力。Output 端接入ADC.

　　（4）量程自動(dòng)切換的實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)中的自動(dòng)量程切換對(duì)測(cè)直流電壓和交流電壓均有效。量程自動(dòng)切換關(guān)鍵是通過(guò)讀ADC 數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前的量程是過(guò)量程還是欠量程，合理的硬件設(shè)計(jì)是量程自動(dòng)切換的重要保證。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換流程圖如圖5所示。

　　自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換由初設(shè)量程開(kāi)始，逐級(jí)比較，直至選出最合適提量程為止。自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換的操作流程如上圖所示。繼電器或其它控制開(kāi)關(guān)從閉合轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚅_(kāi)，或從斷開(kāi)轉(zhuǎn)變?yōu)殚]合有一個(gè)短暫的過(guò)程，所以在每次改變量程之后要延時(shí)一定的時(shí)間，然后再進(jìn)行正式的測(cè)量和判斷。為了避免在兩種量程的交叉點(diǎn)上可能出現(xiàn)的跳動(dòng)，還應(yīng)考慮低量程的超量程比較值和高量程的欠量程比較值之間有一定的重疊范圍。

　　3.軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，使用了八階平均值濾波和一階滯后濾波，有效的濾去了采樣數(shù)據(jù)的脈沖干擾。程序流程圖如圖6所示。

　　4.系統(tǒng)測(cè)試與誤差分析

　　（1）系統(tǒng)測(cè)試方法

　　直流測(cè)試方法：使用直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)生直流電壓信號(hào)，通過(guò)高精度萬(wàn)用表觀察實(shí)際輸出直流電壓值，將信號(hào)通入本系統(tǒng)儀器測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)電壓值進(jìn)行比較。

　　交流測(cè)試方法：使用交流數(shù)字信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生40~5000HZ，電壓范圍0~20V的正弦交流信號(hào)通過(guò)示波器觀察實(shí)際輸出頻率，通過(guò)高精度數(shù)字萬(wàn)用表觀察實(shí)際輸出電壓值，將信號(hào)通直流測(cè)試方法：使用直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)生直流電壓信號(hào)，通過(guò)高精度萬(wàn)用表觀察實(shí)際輸出直流電壓值，將信號(hào)通入本系統(tǒng)儀器測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)電壓值進(jìn)行比較。

　　（2）誤差分析

　　本系統(tǒng)誤差主要由恒流源、AD真有效值轉(zhuǎn)換、雙積分ADC 器件等幾個(gè)方面所帶來(lái)的誤差。AD 真有效值轉(zhuǎn)換，在誤差允許的范圍內(nèi)可以將所測(cè)交流電壓轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的真有效值，但不可避免地受到環(huán)境溫度的影響，造成轉(zhuǎn)換時(shí)可能引起誤差。量程自動(dòng)切換時(shí)將原來(lái)的微型繼電器用耐高壓型的模擬開(kāi)關(guān)替換掉?？梢赃M(jìn)一步降低系統(tǒng)正常工作時(shí)的功耗，還可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性及響應(yīng)速度。

　　5.結(jié)束語(yǔ)

　　本設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了直流電壓、交流電壓的高精度測(cè)量，同時(shí)具有量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，采用LCD顯示，可讀性強(qiáng)。STM32F103ZET6在速度、功耗方面性能都非常優(yōu)越，其豐富的外設(shè)也更加方便設(shè)計(jì)。另外，其價(jià)格較低，在成本上也有優(yōu)勢(shì)，適合于控制電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。方案中采用STM32F103ZET6內(nèi)部的12位ADC，既滿足了測(cè)量精度，也省去了外擴(kuò)AD，使硬件電路更加簡(jiǎn)單，節(jié)省了成本，提高了可靠性。