基于MSP430的高精度低功耗數字多功能表設計

摘要：為適應現代電子測試對儀表的要求，以MSP430單片機為控制核心，采用高效DC—DC電源轉換芯片、低功耗高精度儀表放大器和真有效值轉換芯片等，設計并實(shí)現了一種數字多功能表。能夠精確測量交直流電壓值、電阻、電容、晶體三極管的B值等。整個(gè)系統由一塊9 V電池供電，具有低功耗、高精度和便攜等特點(diǎn)。

數字多功能表是電子系統中最常用的測量?jì)x表，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，對測量?jì)x表的性能提出了更高的要求：測量精度高、低功耗、數字化、便攜。通過(guò)精選元器件，基于低功耗和內置A/D的MSP430單片機，構建了一種基本電參數測試系統，符合低碳環(huán)保的設計要求，是電子測量?jì)x器設計的發(fā)展方向。

1 方案設計

1.1 元器件的選擇

1)控制器

選用專(zhuān)門(mén)為低功耗設計的MSP430F149單片機，由于它在生產(chǎn)工藝上采用了高集成度的單片化設計，將許多外圍模塊集成到芯片上，采取低電壓供電，大大降低了功耗。同時(shí)在軟件設計時(shí)采用省電模式，減少MCU工作時(shí)間，關(guān)閉單片機外圍功能模塊來(lái)降低功耗，采用低頻時(shí)鐘休眠模式。ADC選用內置的12位A/D轉換器，分辨率為U/4 096=1/4 096=0.25mV，可實(shí)現高精度測量要求。

2)信號調理

OP07運算放大器是常用的低噪聲高精度運算放大器，具有極低的輸入失調電壓，極低的溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度，高的共模抑制比(-126 dB)及穩定性好等特點(diǎn)。其輸入失調電壓為10 μV，輸入失調電壓溫漂為0.2μV/℃，電源電壓范圍寬，輸入阻抗高。

INA128是低電壓、低功耗、高精度通用型單通道儀表放大器，它的內部包含3個(gè)運放組成的經(jīng)典差分電路，使得體積更小，使用范圍更廣泛。在測量電阻中，利用其差分輸入提取被測小電阻流過(guò)恒流源時(shí)產(chǎn)生的壓降，實(shí)現電阻電壓轉換。INA128滿(mǎn)足電路高精度的要求，且極適合電池供電系統中的應用。

3)電源

DC—DC變換采用高效開(kāi)關(guān)型電源芯片TPS5430，輸出可產(chǎn)生5 V、3 A電源.其固定開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz，效率高達95%，在關(guān)機模式下的靜態(tài)電流只為18 μA，可實(shí)現電源的高效低耗轉換。-5 V電壓由TPS60400產(chǎn)生，轉換效率大于90%。

4)交流電壓測量

采用AD637集成真有效值轉換芯片，把交流電壓信號經(jīng)分壓衰減后轉換為幅值等于交流有效值的直流電壓信號，再對直流電壓進(jìn)行測量。AD637使用方法簡(jiǎn)單、轉換精度高、失真小，最大失真誤差為0.02%±2字，工作穩定可靠。

1.2 總體框圖

MSP430F148單片機是本系統的核心器件，負責控制整個(gè)系統的正常工作，包括讀取ADC轉換后的結果及各種檔位的控制，按鍵輸入響應，液晶的驅動(dòng)，量程控制等。輸入的電壓信號經(jīng)過(guò)量程轉換模塊，變成可供ADC模擬輸入端能正常進(jìn)行采樣的電壓。交流電壓量模塊的功能是將被測的交流電壓轉換成相應RMS值。電阻測量模塊中主要由TL431和OP07運放構成一個(gè)穩定的恒流源，INA128儀用運放提取被測電阻兩端電壓，經(jīng)合適倍數放大后送到ADC的模擬輸入端進(jìn)行轉換，其轉換后的數字量由單片機讀取并送到液晶模塊顯示。系統總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 電源電路設計

選用TI公司的TSP5430高效開(kāi)關(guān)電源，由9 V層疊電源提供輸入電壓，輸出穩定的5 V電源。電感由下式計算：

其中，Fsw=500 kHz，Kind是描述相對于最大輸出電流電感中紋波電流大小的系數，取0.2～0.3。通過(guò)公式可以求得電感的值L=12.5～15μH，再由電阻分壓得到5 V電源。-5 V電源由電荷泵TPS60400DBVT產(chǎn)生。電路如圖2所示。

2.2 交直流電壓測量電路設計

2.2.1 直流電壓的測量

當有直流信號輸入時(shí)，首先對信號進(jìn)行10倍衰減，OP07放大器處于跟隨狀態(tài)，S3與片內ADC直接相連，若輸入信號大于2 V，ADC直接采樣輸出，此為2—20 V檔位;當ADC檢測到信號大于0.2 V小于2 V時(shí)，S1置1，不需衰減，S2置2，信號送由ADC采樣輸出，此為0.2—2 V檔;當ADC檢測到信號小于0.2 V時(shí)，S1上合，無(wú)需衰減，S2上合對信號進(jìn)行放大十倍，再經(jīng)S3由ADC采樣輸出。如表1所示。

2.2.2 交流電壓的測量

通過(guò)比較選擇AD637真有效值轉換芯片來(lái)實(shí)現交流量到直流量的轉變，把交流電壓轉換為幅值等于交流有效值的直流電壓信號，再對直流電壓進(jìn)行測量。不同檔位的信號調理電路同直流電壓測量，只需將S3置2。整個(gè)交直流電壓測量電路如圖3所示。

2.2.3 電阻的測量

電阻的測量采用恒流源法。通過(guò)產(chǎn)生恒定的電流流過(guò)待測電阻，經(jīng)放大后由ADC測量電壓從而計算被測電阻大小。利用TL431產(chǎn)生標準2.5 V，然后利用精密電阻進(jìn)行分壓，通過(guò)3個(gè)模擬開(kāi)關(guān)，得到3個(gè)不同恒定電壓，由運放特性可以得到3個(gè)恒定的電流，由此形成電阻測量的3個(gè)不同的檔位。當被測電阻RX接入回路時(shí)，其上產(chǎn)生的壓降經(jīng)過(guò)INA128放大后，通過(guò)ADC轉換后可得到相應阻值。電路如圖4所示。

2.2.4 電容的測量

頻率法測電容，選用NE555與待測電容形成諧振電路，諧振頻率與電容值之間存在f=1.49/(Ra+2Rb)Cx的關(guān)系，通過(guò)對電路頻率的測量就可以得到電容值。

2.2.5 晶體三極管β值測量

根據三極管電流IC=βIB的關(guān)系，當IB為固定值時(shí)，IC反映了β的變化，所以可以將變化的β值轉化為與之成正比變化的電流量。采用鏡像恒流源為基極提供10μA的穩定電流，控制基極的電流恒定，通過(guò)運放將集電極電流信號轉換為電壓信號，輸出電壓等于電阻R19的分壓，進(jìn)而計算出IC，進(jìn)而通過(guò)公式β=Ic/Ib計算出結果。電路如圖5。通過(guò)S1控制可分別是對NPN型和PNP型三極管的β值測量。

2.2.6 顯示電路設計

采用128x64液晶，其具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可滿(mǎn)足系統工作低功耗的要求。此外還提供畫(huà)面清除、顯示開(kāi)/關(guān)、顯示字符閃爍、顯示移位、睡眠喚醒等功能。

2.2.7 正弦波信號產(chǎn)生電路

正弦波的產(chǎn)生是采用直接數字頻率合成數字化技術(shù)，通過(guò)控制相位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率、不同波形。

直接采用DDS芯片AD9850來(lái)產(chǎn)生所需頻率的正弦波，再經(jīng)過(guò)帶通濾波電路然后由運放進(jìn)行放大，增強其帶負載能力，調節運放的放大倍數可以調節正弦波的幅值。

3 軟件設計

系統軟件包括主程序、自動(dòng)關(guān)機程序及中斷服務(wù)程序等，系統主程序流程如圖6。自動(dòng)關(guān)機程序實(shí)現1分鐘內若無(wú)任何鍵按下，則系統進(jìn)入低功耗狀態(tài)。1分鐘定時(shí)是通過(guò)定時(shí)器斷計數實(shí)現的，計數器變量是全局變量，當接收到用戶(hù)操作指令后，在主程序中對該計數清零使系統維持在正常模式。

4 結論

該表采用具有超低功耗的單片機及DC—DC轉換器等為硬件平臺，通過(guò)軟件的控制和優(yōu)化，實(shí)現了高精度、低功耗。實(shí)驗表明，各參數的測量精度均可達到0.20%。在一節9V電池供電情況下，可以正常工作一年。該表的設計及實(shí)現在2012年的山東省電子設計競賽中獲一等獎。