自動(dòng)量程萬用表設(shè)計(jì)方案[圖]

　　一、設(shè)計(jì)目標(biāo)：41/2萬用表（19999）,zui小分辨率6微伏，自動(dòng)選擇量程。
　　
　　二、功能設(shè)計(jì)要求（量程范圍）：
　　
　　直流電壓（DCV）――200mV2V20V200V1000V
　　
　　交流電壓（ACV）――200mV2V20V200V700V
　　
　　直流電流（DCA）――2mA20mA200mA20A
　　
　　交流電流（ACA）――2mA20mA200mA
　　
　　電阻（OHM）―――2002K20K200K2M20M
　　
　　三、主要芯片：MSP430FE42X
　　
　　四、操作方式：按鍵――DCV按鍵，ACV按鍵，DCA按鍵，ACA按鍵，OHM按鍵
　　
　　五、原理框圖：
　　
　　當(dāng)進(jìn)行AD測量時(shí)，MSP430FE42X可以選擇外部參考源，也可以選擇內(nèi)部參考源。
　　
　　這里在測量電壓和電流時(shí)，選擇內(nèi)部參考源1.25V，這樣，當(dāng)外部待測電壓為0.625V時(shí)，AD采樣值為65535，當(dāng)待測電壓為－0.625時(shí)，AD采樣值為0。由于設(shè)計(jì)的zui小量程為0.2V，故需要將其放大到0.625V，使其滿量程，然后根據(jù)顯示的位數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即0－20000對應(yīng)0-32767。實(shí)際的zui小分辨率是0.2/32767V＝6微伏。
　　
　　當(dāng)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。　　同樣，在測量電流時(shí)，也要進(jìn)行處理，使電流變?yōu)殡妷海缓蟛拍軠y量。電流的測量原理圖如圖2所示。　　請注意，圖2中右邊的20A輸入是直接接入的，當(dāng)然也可以加上一個(gè)20A的保險(xiǎn)絲。
　　
　　以上是測量直流電壓或直流電流的情況，當(dāng)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。　　AC/DC轉(zhuǎn)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(zhǔn)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(dāng)流過待測電阻和參考電阻的電流相同時(shí)，Uin/Uref=Rx/Rref，根據(jù)FE42X的AD轉(zhuǎn)換特性，當(dāng)輸入電壓時(shí)參考電壓的一半時(shí)滿量程，亦即當(dāng)待測電阻是參考電阻的一半時(shí)滿量程。故200歐姆檔的參考電阻是400歐姆，假設(shè)待測電阻是100歐姆，由于此時(shí)通過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(dāng)輸入電壓是1.23*2/5時(shí)滿量程，故現(xiàn)在的AD值是滿量程的一半－100歐姆。當(dāng)然，此時(shí)的AD是要經(jīng)過量程的轉(zhuǎn)換即0－20000對應(yīng)0－32767。
　　
　　六、實(shí)際實(shí)現(xiàn)電路的簡要分析：
　　
　　1、直流電壓測量：
　　
　　待測電壓通過分壓器，在各個(gè)分壓電阻上產(chǎn)生不同的電壓值，此時(shí)要根據(jù)待測電壓大小來確定輸入單片機(jī)的電壓，這里通過HC4051來對待測電壓進(jìn)行分壓選擇。由于待測電壓可能高達(dá)1000V，因此選擇松下的PHOTORELAY（其輸入高達(dá)1000V）作為分壓的輸入端。當(dāng)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采樣滿量程），然后進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換（0－20000對應(yīng)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(dá)200mA，一般的模擬開關(guān)可以通過的電流較小，故選用AQV201（40V時(shí)負(fù)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，zui后送入AD。
　　
　　5、電阻測量：
　　
　　電阻測量電路選用內(nèi)阻很小的MAX4638模擬開關(guān)來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，該參考電壓通過減法運(yùn)算電路得到參考電阻上的電壓后送入?yún)⒖级耍郎y電阻上的電壓則直接送入測量端。
　　
　　6、zui后：
　　
　　由于MSP430FE42X的輸入阻抗為500k，故在AD輸入端外加一個(gè)跟隨器，以提高它的輸入阻抗。