基于STM32的自動(dòng)量程電壓表的設計方案

　　方案中的整個(gè)系統可以用一塊9V電池供電，實(shí)現了低功耗和便攜功能。交流測量是用AD637真有效值轉換芯片將交流信號轉換成直流電壓后測量；用帶鉗位保護的反向放大器進(jìn)行輸入電壓轉換，實(shí)現了10MΩ的輸入阻抗和高安全性。電路中關(guān)鍵器件采用TI公司的精密運算放大器OPA07和儀表放大器INA128，實(shí)現了高精度的測量；ADC采用STM32f103ZET6片內自帶的12位AD，實(shí)現了低功耗，量程自動(dòng)切換功能。

　　0 引言

　　在智能儀器中，常常用到自動(dòng)量程轉換技術(shù)，這使得儀器在很短的時(shí)間內自動(dòng)選取最合適的量程實(shí)現高精度的測量。自動(dòng)量程的實(shí)現一般通過(guò)控制輸入信號的衰減放大倍數實(shí)現，就電壓表來(lái)說(shuō)其輸入測量電壓會(huì )大于其AD 轉換器的輸入范圍，所以它的量程切換基本上是信號衰減倍數切換的過(guò)程。

　　1.系統整體方案與工作原理

　　系統功能框圖如圖1所示。STM32F103ZET6處理器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AD 轉換后的結果及200mV 與2V 檔位的控制；按鍵輸入動(dòng)作響應；段式液晶的驅動(dòng)；量程自動(dòng)轉換控制等。

　　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。交流電壓測量模塊的功能是將被測的交流電壓轉換成相應的RMS 值。按鍵輸入的功能是切換各種不同的測量模式以及計算相對誤差時(shí)進(jìn)行數值輸入。

　　2.系統硬件結構

　?。?）電源管理硬件電路

　　本系統具有低功耗模式，即在一定的時(shí)間內沒(méi)有操作，系統在單片機的控制下自動(dòng)切斷一部分電路的工作電源。電源管理電路原理圖如圖2所示。

　　電池的正極分成兩路，第一路是直接接入到SPX1117的輸入端，SPX1117是三端集成穩壓芯片，其輸出端輸出恒定的3.3V，作單片機系統電源。另一路是經(jīng)過(guò)三極管9012可以開(kāi)關(guān)控制，本設計中在系統處于正常工作狀態(tài)時(shí)，單片機控制口輸出高電平，9011處于飽和狀態(tài)，9012的基極電壓與地電壓相近，9012飽和，即處于導通狀態(tài)。9V疊層電池的正極電壓到達78L05 三端集成穩壓芯片的輸入端，其輸出端輸出穩定的+5V電壓。-5V由負壓電荷泵7660S 產(chǎn)生。當系統處于“低功耗”狀態(tài)時(shí)，單片機控制口輸出為低電平。9011處于截止狀態(tài)，9012的基極電壓為9V，也處于截止狀態(tài)，模擬部分電源電壓為零。而單片機將一直處于不同模式的工作狀態(tài)。

　?。?）交流電壓轉換電路

　　交流電壓測量真有效值的轉換電路是測量交流電壓的關(guān)鍵部分，其設計的好壞直接影響到交流電壓信號的測量精度，在本次設計中我們通過(guò)比較選擇采用AD637來(lái)實(shí)現交流信號到直流量的轉變，電路如圖3所示。

　　AC_IN是交流電壓輸入端，DC_OUT端輸出的是直流電壓信號。輸出直流電壓的值是輸入交流電壓的真有效值。此電路完成了交流到直流的轉換，實(shí)驗測試時(shí)發(fā)現對于5000Hz 交流信號轉換效果仍良好。

　　（3）量程轉換電路

　　本系統量程轉換采用單片機控制模擬開(kāi)關(guān)和繼電器實(shí)現，原理框圖如圖4所示。

　　直流/交流（0-20V）電壓輸入后雙擲開(kāi)關(guān)SW_1起到電壓量程轉換選擇作用，固定電阻R1，R3在精密可變電阻R2的配合下組成一個(gè)電阻10倍衰減網(wǎng)絡(luò )，且其輸入電阻大于10M 歐，滿(mǎn)足題目中輸入電阻的要求。最高輸入電壓可到20V 。再由單片機控制SW-1 來(lái)選擇是否衰減。R1和兩個(gè)IN4001 構成一嵌位保護電路，使電路在高電壓輸入時(shí)處于安全狀態(tài)。OP07 構成一個(gè)電壓跟隨器，起到隔離前后通道的作用，其較低的輸出電阻還可以提高帶負載能力。Output 端接入ADC.

　　（4）量程自動(dòng)切換的實(shí)現

　　本系統中的自動(dòng)量程切換對測直流電壓和交流電壓均有效。量程自動(dòng)切換關(guān)鍵是通過(guò)讀ADC 數據判斷當前的量程是過(guò)量程還是欠量程，合理的硬件設計是量程自動(dòng)切換的重要保證。量程自動(dòng)轉換流程圖如圖5所示。

　　自動(dòng)量程轉換由初設量程開(kāi)始，逐級比較，直至選出最合適提量程為止。自動(dòng)量程轉換的操作流程如上圖所示。繼電器或其它控制開(kāi)關(guān)從閉合轉變?yōu)閿嚅_(kāi)，或從斷開(kāi)轉變?yōu)殚]合有一個(gè)短暫的過(guò)程，所以在每次改變量程之后要延時(shí)一定的時(shí)間，然后再進(jìn)行正式的測量和判斷。為了避免在兩種量程的交叉點(diǎn)上可能出現的跳動(dòng)，還應考慮低量程的超量程比較值和高量程的欠量程比較值之間有一定的重疊范圍。

　　3.軟件設計

　　數據采集過(guò)程中，使用了八階平均值濾波和一階滯后濾波，有效的濾去了采樣數據的脈沖干擾。程序流程圖如圖6所示。

　　4.系統測試與誤差分析

　?。?）系統測試方法

　　直流測試方法：使用直流穩壓電源產(chǎn)生直流電壓信號，通過(guò)高精度萬(wàn)用表觀(guān)察實(shí)際輸出直流電壓值，將信號通入本系統儀器測量與標準電壓值進(jìn)行比較。

　　交流測試方法：使用交流數字信號發(fā)生器產(chǎn)生40~5000HZ，電壓范圍0~20V的正弦交流信號通過(guò)示波器觀(guān)察實(shí)際輸出頻率，通過(guò)高精度數字萬(wàn)用表觀(guān)察實(shí)際輸出電壓值，將信號通直流測試方法：使用直流穩壓電源產(chǎn)生直流電壓信號，通過(guò)高精度萬(wàn)用表觀(guān)察實(shí)際輸出直流電壓值，將信號通入本系統儀器測量與標準電壓值進(jìn)行比較。

　　（2）誤差分析

　　本系統誤差主要由恒流源、AD真有效值轉換、雙積分ADC 器件等幾個(gè)方面所帶來(lái)的誤差。AD 真有效值轉換，在誤差允許的范圍內可以將所測交流電壓轉換成對應的真有效值，但不可避免地受到環(huán)境溫度的影響，造成轉換時(shí)可能引起誤差。量程自動(dòng)切換時(shí)將原來(lái)的微型繼電器用耐高壓型的模擬開(kāi)關(guān)替換掉?？梢赃M(jìn)一步降低系統正常工作時(shí)的功耗，還可以提高系統的穩定性和可靠性及響應速度。

　　5.結束語(yǔ)

　　本設計方案實(shí)現了直流電壓、交流電壓的高精度測量，同時(shí)具有量程自動(dòng)轉換功能，采用LCD顯示，可讀性強。STM32F103ZET6在速度、功耗方面性能都非常優(yōu)越，其豐富的外設也更加方便設計。另外，其價(jià)格較低，在成本上也有優(yōu)勢，適合于控制電子產(chǎn)品的設計。方案中采用STM32F103ZET6內部的12位ADC，既滿(mǎn)足了測量精度，也省去了外擴AD，使硬件電路更加簡(jiǎn)單，節省了成本，提高了可靠性。