2020年12月30日 | 自动量程万用表模块设计方案

2020-12-30 来源：elecfans

一、设计目标：4 1/2万用表（19999），最小分辨率6微伏，自动选择量程。

二、功能设计要求（量程范围）：

直流电压（DCV）DD 200 mV 2V 20V 200V 1000V

交流电压（ACV）DD 200mV 2V 20V 200V 700V

直流电流（DCA）DD 2mA 20mA 200mA 20A

交流电流（ACA）DD2mA 20mA 200mA

电阻（OHM）DDD 200 2K 20K 200K 2M20M

三、主要芯片：MSP430FE42X

四、操作方式：按键DDDCV按键，ACV按键，DCA按键，ACA按键，OHM按键

五、原理框图：

当进行AD测量时，MSP430FE42X可以选择外部参考源，也可以选择内部参考源。

这里在测量电压和电流时，选择内部参考源1.25V，这样，当外部待测电压为0.625V时，AD采样值为65535，当待测电压为－0.625时，AD采样值为0。由于设计的最小量程为0.2V，故需要将其放大到0.625V，使其满量程，然后根据显示的位数进行转换即0－20000对应0-32767。实际的最小分辨率是0.2/32767V＝6微伏。

当待测电压大于0.2V时，必须进行分压处理，一般采用10倍的分压器，例如2V时降至0.2V等。电压分压器如图1所示。

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图1 电压分压器

同样，在测量电流时，也要进行处理，使电流变为电压，然后才能测量。电流的测量原理图如图2所示。

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图2 电流分压器

请注意，图2中右边的20A输入是直接接入的，当然也可以加上一个20A的保险丝。

以上是测量直流电压或直流电流的情况，当要测量交流电压或交流电流时，必须进行整流，整流电路如图3所示。

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图3 交流整流电路

AC/DC转换电路由同相放大器A1、整流管D2和D3、隔直电容C18和C19、平滑虑波器R22和C22等组成，R24是校准电阻器。该电路可以得到输入正弦波的有效值。D1用于减少非线性失真。

电阻的测量与电压和电流的测量不同，原理图如图4所示。

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电阻测量采用的是比例法，即当流过待测电阻和参考电阻的电流相同时，Uin/Uref=Rx/Rref，根据FE42X的AD转换特性，当输入电压时参考电压的一半时满量程，亦即当待测电阻是参考电阻的一半时满量程。故200欧姆档的参考电阻是400欧姆，假设待测电阻是100欧姆，由于此时通过参考电阻和待测电阻的电压是1.23V，所以参考电压是1.23*（400/500）V，而输入电压是1.23*（100/500），又当输入电压是1.23*2/5时满量程，故现在的AD值是满量程的一半－100欧姆。当然，此时的AD是要经过量程的转换即0－20000对应0－32767。

六、实际实现电路的简要分析：

1、直流电压测量：

待测电压通过分压器，在各个分压电阻上产生不同的电压值，此时要根据待测电压大小来确定输入单片机的电压，这里通过HC4051来对待测电压进行分压选择。由于待测电压可能高达1000V，因此选择松下的PHOTORELAY（其输入高达1000V）作为分压的输入端。当选择了合适的分压电压后，该电压由TLV2211组成的放大电路进行放大约3倍左右（使AD采样满量程），然后进行量程转换（0－20000对应0－32767），便可以得到待测电压值。

2、交流电压测量：

交流电压测量跟直流电压测量共用一个分压器，经过分压后，待测电压由TLV2211组成的交流整流电路整流后再进入放大电路进行测量。

3、直流电流测量：

由于待测电流高达200mA，一般的模拟开关可以通过的电流较小，故选用AQV201（40V时负载电流500mA）做电流选择，待测电流经分压后进入放大电路，然后再送入AD。

4、交流电流测量：

交流电流测量跟直流电流测量共用一个分压器，不同的是，分压后还要进入交流整流电路，然后再进入放大电路，最后送入AD。

5、电阻测量：

电阻测量电路选用内阻很小的MAX4638模拟开关来接入不同量程的参考电阻，从而测得待测电阻的阻值。AD采用的是外部的参考电压，该参考电压通过减法运算电路得到参考电阻上的电压后送入参考端，而待测电阻上的电压则直接送入测量端。

6、最后：

由于MSP430FE42X的输入阻抗为500k，故在AD输入端外加一个跟随器，以提高它的输入阻抗。

自动量程万用表模块 MSP430

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