自動(dòng)量程萬(wàn)用表設計方案

一、設計目標：4 1/2萬(wàn)用表(19999), 最小分辨率6微伏，自動(dòng)選擇量程。

二、功能設計要求（量程范圍）：

直流電壓（DCV）DD 200 mV 2V 20V 200V 1000V

交流電壓（ACV）DD 200mV 2V 20V 200V 700V

直流電流（DCA）DD 2mA 20mA 200mA 20A

交流電流（ACA）DD2mA 20mA 200mA

電阻（OHM）DDD 200 2K 20K 200K 2M20M

三、主要芯片：MSP430FE42X

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

五、原理框圖：

當進(jìn)行AD測量時(shí)，MSP430FE42X可以選擇外部參考源，也可以選擇內部參考源。

這里在測量電壓和電流時(shí)，選擇內部參考源1.25V，這樣，當外部待測電壓為0.625V時(shí)，AD采樣值為65535，當待測電壓為－0.625時(shí)，AD采樣值為0。由于設計的最小量程為0.2V，故需要將其放大到0.625V，使其滿(mǎn)量程，然后根據顯示的位數進(jìn)行轉換即0－20000對應0-32767。實(shí)際的最小分辨率是0.2/32767V＝6微伏。

當待測電壓大于0.2V時(shí)，必須進(jìn)行分壓處理，一般采用10倍的分壓器，例如2V時(shí)降至0.2V等。電壓分壓器如圖1所示。

圖1 電壓分壓器

同樣，在測量電流時(shí)，也要進(jìn)行處理，使電流變?yōu)殡妷?，然后才能測量。電流的測量原理圖如圖2所示。

圖2 電流分壓器

請注意，圖2中右邊的20A輸入是直接接入的，當然也可以加上一個(gè)20A的保險絲。

以上是測量直流電壓或直流電流的情況，當要測量交流電壓或交流電流時(shí)，必須進(jìn)行整流，整流電路如圖3所示。

圖3 交流整流電路

AC/DC轉換電路由同相放大器A1、整流管D2和D3、隔直電容C18和C19、平滑慮波器R22和C22等組成，R24是校準電阻器。該電路可以得到輸入正弦波的有效值。D1用于減少非線(xiàn)性失真。

電阻的測量與電壓和電流的測量不同，原理圖如圖4所示。

電阻測量采用的是比例法，即當流過(guò)待測電阻和參考電阻的電流相同時(shí)，Uin/Uref=Rx/Rref，根據FE42X的AD轉換特性，當輸入電壓時(shí)參考電壓的一半時(shí)滿(mǎn)量程，亦即當待測電阻是參考電阻的一半時(shí)滿(mǎn)量程。故200歐姆檔的參考電阻是400歐姆，假設待測電阻是100歐姆，由于此時(shí)通過(guò)參考電阻和待測電阻的電壓是1.23V，所以參考電壓是1.23*（400/500）V，而輸入電壓是1.23*（100/500）,又當輸入電壓是1.23*2/5時(shí)滿(mǎn)量程，故現在的AD值是滿(mǎn)量程的一半－100歐姆。當然，此時(shí)的AD是要經(jīng)過(guò)量程的轉換即0－20000對應0－32767。

六、實(shí)際實(shí)現電路的簡(jiǎn)要分析：

1、直流電壓測量：

待測電壓通過(guò)分壓器，在各個(gè)分壓電阻上產(chǎn)生不同的電壓值，此時(shí)要根據待測電壓大小來(lái)確定輸入單片機的電壓，這里通過(guò)HC4051來(lái)對待測電壓進(jìn)行分壓選擇。由于待測電壓可能高達1000V，因此選擇松下的PHOTORELAY（其輸入高達1000V）作為分壓的輸入端。當選擇了合適的分壓電壓后，該電壓由TLV2211組成的放大電路進(jìn)行放大約3倍左右（使AD采樣滿(mǎn)量程），然后進(jìn)行量程轉換（0－20000對應0－32767），便可以得到待測電壓值。

2、交流電壓測量：

交流電壓測量跟直流電壓測量共用一個(gè)分壓器，經(jīng)過(guò)分壓后，待測電壓由TLV2211組成的交流整流電路整流后再進(jìn)入放大電路進(jìn)行測量。

3、直流電流測量：

由于待測電流高達200mA，一般的模擬開(kāi)關(guān)可以通過(guò)的電流較小，故選用AQV201（40V時(shí)負載電流500mA）做電流選擇，待測電流經(jīng)分壓后進(jìn)入放大電路，然后再送入AD。

4、交流電流測量：

交流電流測量跟直流電流測量共用一個(gè)分壓器，不同的是，分壓后還要進(jìn)入交流整流電路，然后再進(jìn)入放大電路，最后送入AD。

5、電阻測量：

電阻測量電路選用內阻很小的MAX4638模擬開(kāi)關(guān)來(lái)接入不同量程的參考電阻，從而測得待測電阻的阻值。AD采用的是外部的參考電壓，該參考電壓通過(guò)減法運算電路得到參考電阻上的電壓后送入參考端，而待測電阻上的電壓則直接送入測量端。

6、最后：

由于MSP430FE42X的輸入阻抗為500k，故在A(yíng)D輸入端外加一個(gè)跟隨器，以提高它的輸入阻抗。