2021年03月22日 | 嵌入式设计：STM32自动量程电压表设计方案

方案中的整个系统可以用一块9V电池供电，实现了低功耗和便携功能。交流测量是用AD637真有效值转换芯片将交流信号转换成直流电压后测量；用带钳位保护的反向放大器进行输入电压转换，实现了10MΩ的输入阻抗和高安全性。电路中关键器件采用TI公司的精密运算放大器OPA07和仪表放大器INA128，实现了高精度的测量；ADC采用STM32f103ZET6片内自带的12位AD，实现了低功耗，量程自动切换功能。

0 引言

在智能仪器中，常常用到自动量程转换技术，这使得仪器在很短的时间内自动选取最合适的量程实现高精度的测量。自动量程的实现一般通过控制输入信号的衰减放大倍数实现，就电压表来说其输入测量电压会大于其AD 转换器的输入范围，所以它的量程切换基本上是信号衰减倍数切换的过程。

1.系统整体方案与工作原理

系统功能框图如图1所示。STM32F103ZET6处理器是本系统的核心器件，负责控制整个系统的正常工作，包括读取AD 转换后的结果及200mV 与2V 档位的控制；按键输入动作响应；段式液晶的驱动；量程自动转换控制等。

系统功能框图

输入的电压信号经过量程转换模块，变成可供ADC模拟输入端能正常进行采样的电压。交流电压测量模块的功能是将被测的交流电压转换成相应的RMS 值。按键输入的功能是切换各种不同的测量模式以及计算相对误差时进行数值输入。

2.系统硬件结构

（1）电源管理硬件电路

本系统具有低功耗模式，即在一定的时间内没有操作，系统在单片机的控制下自动切断一部分电路的工作电源。电源管理电路原理图如图2所示。

电源管理硬件电路

电池的正极分成两路，第一路是直接接入到SPX1117的输入端，SPX1117是三端集成稳压芯片，其输出端输出恒定的3.3V，作单片机系统电源。另一路是经过三极管9012可以开关控制，本设计中在系统处于正常工作状态时，单片机控制口输出高电平，9011处于饱和状态，9012的基极电压与地电压相近，9012饱和，即处于导通状态。9V叠层电池的正极电压到达78L05 三端集成稳压芯片的输入端，其输出端输出稳定的+5V电压。-5V由负压电荷泵7660S 产生。当系统处于“低功耗”状态时，单片机控制口输出为低电平。9011处于截止状态，9012的基极电压为9V，也处于截止状态，模拟部分电源电压为零。而单片机将一直处于不同模式的工作状态。

（2）交流电压转换电路

交流电压测量真有效值的转换电路是测量交流电压的关键部分，其设计的好坏直接影响到交流电压信号的测量精度，在本次设计中我们通过比较选择采用AD637来实现交流信号到直流量的转变，电路如图3所示。

交流电压转换电路

AC_IN是交流电压输入端，DC_OUT端输出的是直流电压信号。输出直流电压的值是输入交流电压的真有效值。此电路完成了交流到直流的转换，实验测试时发现对于5000Hz 交流信号转换效果仍良好。

（3）量程转换电路

本系统量程转换采用单片机控制模拟开关和继电器实现，原理框图如图4所示。

直流/交流（0-20V）电压输入后双掷开关SW_1起到电压量程转换选择作用，固定电阻R1，R3在精密可变电阻R2的配合下组成一个电阻10倍衰减网络，且其输入电阻大于10M 欧，满足题目中输入电阻的要求。最高输入电压可到20V 。再由单片机控制SW-1 来选择是否衰减。R1和两个IN4001 构成一嵌位保护电路，使电路在高电压输入时处于安全状态。OP07 构成一个电压跟随器，起到隔离前后通道的作用，其较低的输出电阻还可以提高带负载能力。Output 端接入ADC.

（4）量程自动切换的实现

本系统中的自动量程切换对测直流电压和交流电压均有效。量程自动切换关键是通过读ADC 数据判断当前的量程是过量程还是欠量程，合理的硬件设计是量程自动切换的重要保证。量程自动转换流程图如图5所示。

量程自动转换流程图

自动量程转换由初设量程开始，逐级比较，直至选出最合适提量程为止。自动量程转换的操作流程如上图所示。继电器或其它控制开关从闭合转变为断开，或从断开转变为闭合有一个短暂的过程，所以在每次改变量程之后要延时一定的时间，然后再进行正式的测量和判断。为了避免在两种量程的交叉点上可能出现的跳动，还应考虑低量程的超量程比较值和高量程的欠量程比较值之间有一定的重叠范围。

3.软件设计

数据采集过程中，使用了八阶平均值滤波和一阶滞后滤波，有效的滤去了采样数据的脉冲干扰。程序流程图如图6所示。

系统软件流程

4.系统测试与误差分析

（1）系统测试方法

直流测试方法：使用直流稳压电源产生直流电压信号，通过高精度万用表观察实际输出直流电压值，将信号通入本系统仪器测量与标准电压值进行比较。

交流测试方法：使用交流数字信号发生器产生40~5000HZ，电压范围0~20V的正弦交流信号通过示波器观察实际输出频率，通过高精度数字万用表观察实际输出电压值，将信号通直流测试方法：使用直流稳压电源产生直流电压信号，通过高精度万用表观察实际输出直流电压值，将信号通入本系统仪器测量与标准电压值进行比较。

（2）误差分析

本系统误差主要由恒流源、AD真有效值转换、双积分ADC 器件等几个方面所带来的误差。AD 真有效值转换，在误差允许的范围内可以将所测交流电压转换成对应的真有效值，但不可避免地受到环境温度的影响，造成转换时可能引起误差。量程自动切换时将原来的微型继电器用耐高压型的模拟开关替换掉。可以进一步降低系统正常工作时的功耗，还可以提高系统的稳定性和可靠性及响应速度。

5.结束语

本设计方案实现了直流电压、交流电压的高精度测量，同时具有量程自动转换功能，采用LCD显示，可读性强。STM32F103ZET6在速度、功耗方面性能都非常优越，其丰富的外设也更加方便设计。另外，其价格较低，在成本上也有优势，适合于控制电子产品的设计。方案中采用STM32F103ZET6内部的12位ADC，既满足了测量精度，也省去了外扩AD，使硬件电路更加简单，节省了成本，提高了可靠性。