基于STM32的自動(dòng)量程電壓表設計

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

(1)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)。

(2)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。