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2021年05月31日 | 基于MSP430的高精度低功耗数字多功能表设计1
2021-05-31 来源：21ic
摘要：为适应现代电子测试对仪表的要求，以MSP430单片机为控制核心，采用高效DC—DC电源转换芯片、低功耗高精度仪表放大器和真有效值转换芯片等，设计并实现了一种数字多功能表。能够精确测量交直流电压值、电阻、电容、晶体三极管的B值等。整个系统由一块9 V电池供电，具有低功耗、高精度和便携等特点。
数字多功能表是电子系统中最常用的测量仪表，随着电子技术的发展，对测量仪表的性能提出了更高的要求：测量精度高、低功耗、数字化、便携。通过精选元器件，基于低功耗和内置A/D的MSP430单片机，构建了一种基本电参数测试系统，符合低碳环保的设计要求，是电子测量仪器设计的发展方向。
1 方案设计
1.1 元器件的选择
1)控制器
选用专门为低功耗设计的单片机，由于它在生产工艺上采用了高集成度的单片化设计，将许多外围模块集成到芯片上，采取低电压供电，大大降低了功耗。同时在软件设计时采用省电模式，减少MCU工作时间，关闭单片机外围功能模块来降低功耗，采用低频时钟休眠模式。ADC选用内置的12位A/D转换器，分辨率为U/4 096=1/4 096=0.25mV，可实现高精度测量要求。
2)信号调理
OP07运算放大器是常用的低噪声高精度运算放大器，具有极低的输入失调电压，极低的温漂，非常低的输入噪声电压幅度，高的共模抑制比(-126 dB)及稳定性好等特点。其输入失调电压为10 μV，输入失调电压温漂为0.2μV/℃，电源电压范围宽，输入阻抗高。
INA128是低电压、低功耗、高精度通用型单通道仪表放大器，它的内部包含3个运放组成的经典差分电路，使得体积更小，使用范围更广泛。在测量电阻中，利用其差分输入提取被测小电阻流过恒流源时产生的压降，实现电阻电压转换。INA128满足电路高精度的要求，且极适合电池供电系统中的应用。
3)电源
DC—DC变换采用高效开关型电源芯片TPS5430，输出可产生5 V、3 A电源.其固定开关频率为500 kHz，效率高达95%，在关机模式下的静态电流只为18 μA，可实现电源的高效低耗转换。-5 V电压由TPS60400产生，转换效率大于90%。
4)交流电压测量
采用AD637集成真有效值转换芯片，把交流电压信号经分压衰减后转换为幅值等于交流有效值的直流电压信号，再对直流电压进行测量。AD637使用方法简单、转换精度高、失真小，最大失真误差为0.02%±2字，工作稳定可靠。
1.2 总体框图
MSP430F148单片机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ADC转换后的结果及各种档位的控制，按键输入响应，液晶的驱动，量程控制等。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。交流电压量模块的功能是将被测的交流电压转换成相应RMS值。电阻测量模块中主要由和OP07运放构成一个稳定的恒流源，INA128仪用运放提取被测电阻两端电压，经合适倍数放大后送到ADC的模拟输入端进行转换，其转换后的数字量由单片机读取并送到液晶模块显示。系统总体框图如图1所示。
2 硬件电路设计
2.1 电源电路设计
选用TI公司的TSP5430高效开关电源，由9 V层叠电源提供输入电压，输出稳定的5 V电源。电感由下式计算：
其中，Fsw=500 kHz，Kind是描述相对于最大输出电流电感中纹波电流大小的系数，取0.2～0.3。通过公式可以求得电感的值L=12.5～15μH，再由电阻分压得到5 V电源。-5 V电源由电荷泵TPS60400DBVT产生。电路如图2所示。
2.2 交直流电压测量电路设计
2.2.1 直流电压的测量
当有直流信号输入时，首先对信号进行10倍衰减，OP07放大器处于跟随状态，S3与片内ADC直接相连，若输入信号大于2 V，ADC直接采样输出，此为2—20 V档位;当ADC检测到信号大于0.2 V小于2 V时，S1置1，不需衰减，S2置2，信号送由ADC采样输出，此为0.2—2 V档;当ADC检测到信号小于0.2 V时，S1上合，无需衰减，S2上合对信号进行放大十倍，再经S3由ADC采样输出。如表1所示。
2.2.2 交流电压的测量
通过比较选择AD637真有效值转换芯片来实现交流量到直流量的转变，把交流电压转换为幅值等于交流有效值的直流电压信号，再对直流电压进行测量。不同档位的信号调理电路同直流电压测量，只需将S3置2。整个交直流电压测量电路如图3所示。
2.2.3 电阻的测量
电阻的测量采用恒流源法。通过产生恒定的电流流过待测电阻，经放大后由ADC测量电压从而计算被测电阻大小。利用TL431产生标准2.5 V，然后利用精密电阻进行分压，通过3个模拟开关，得到3个不同恒定电压，由运放特性可以得到3个恒定的电流，由此形成电阻测量的3个不同的档位。当被测电阻RX接入回路时，其上产生的压降经过INA128放大后，通过ADC转换后可得到相应阻值。电路如图4所示。
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