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  • 数字万用表设计方案举例

    中国教育装备采购网 2012/4/9 9:29:16 围观394次 我要分享

      一, 方案设计

      1,数字万用表理论分析

      数字万用表的核心部件是A/D转换器,它将输入的模拟量转换成数字量,按规定的时序将A/D转换器中各组模拟开关接通或断开,保证A/D转换正常进行。由单片机读取A/D转换的数字量并进行相应的换算后,在液晶模组上显示出来。测量直流电压时,采用自动量程转换电路,通过单片机读取MC14433的数字信号来控制模拟开关,从而改变反馈电阻的大小实现档位的不同选择;测交流电压,采用交直流转换电路将交流转换成直流,然后利用测直流电压的方法去测交流。其中当输入电压小于200mV时,要先通过由NE5532等组成的放大电路;测量电阻,利用运算放大器采用反相比例运算的方法和恒流源的方法转换成电压,再通过A/D转换电路和单片机进行计算。

      2,选择IT公司期间的理论依据

      (1)MSP430F149单片机:MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种 16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。它将许多模拟电路外设(如 ADC、DAC、模拟比较器等)和各常用数字模块(如 SCI、SPI、I2C、看门狗、PWM、 CAP、定时/计数器)集成在芯片内部。由于它具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点,而且有很高的性价比,因此在许多领域内得到了广泛的应用。 MSP430单片机可以采用汇编语言或 C语言进行程序设计。它支持 JTAG调试,其硬件仿真器是一个简单的并口转接器,并且适用于所有的 MSP430单片机。其超低功耗在睡眠模式时最低消耗电流可低至 0.1uA,且有七种低功耗模式可供选择,多个 I/O支持中断模式满足系统对外部中断的需求。其软件是由 IAR公司提供的 Embedded Workbench集成开发环境。此软件人机界面友好,并能很好的支持 C语言开发。由于本系统属于仪表类设计,因此涉及到自动控制以及低功耗方面的要求。MSP430单片机 I/O口端丰富,所消耗的功耗低,因此是此系统设计最佳的选择。

      (2)TL431稳压器件:在小电阻测量时需要 10mA的恒定电流,系统设计采用TL431稳压器件产生稳定的 2.5V电压做基准设计出精密恒流源。TL431是一个有良好的热稳定性的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从 Vref(2.5V)到 36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为 0.2,电压波动差值为正负 0.4%,低噪音输出,与其他产品相比,TL431物美价廉,故采用 TL431作为系统设计的电压基准器件。

      (3)OP07运算放大器:OP07是常用的低噪声高精度运算放大器,具有极低的输入失调电压,极低的温漂,非常低的输入噪声电压幅度,高的共模抑制比(-126dB)及稳定性好等特点。其输入失调电压为 10uV,输入失调电压温漂为 0.2uV/℃,电源电压范围宽,输入阻抗高。可广泛应用于积分电路、精密绝对值电路、比较器及微弱信号精确放大电路。

      3,数字万用表方案论证

      1)自动量程转换模块

      采用软件来实现。通过单片机读取MC14433的数字信号来控制模拟开关,从而改变反馈电阻的大小实现档位的不同选择,能够很容易满足测量范围的要求。此方案是电路比较简单,实现也较容易。

      2)A/D转换模块

      利用单片机内部的A/D转换模块,使得外围电路简单,且设计方便。

      3)交直流转换模块

      方案一:桥式整流电路,利用二极管的单向导电性可以得到直流电压,但由于设计电路复杂且时间有限,因此未采用此方案。

      方案二:利用AD627真有效值转换芯片,把交流电压信号转换为幅值等于交流有效值的直流电压信号,在对直流电压进行测量,这种方案电路简单、响应速度快、失真度小、工作稳定可靠。

      4)电阻测量模块

      方案一:采用电阻分压原理,将被测电阻与已知电阻并联,通过电压比值来得出已知电阻。但这样测量误差很大,不准确。

      方案二:大电阻与小电阻的测量方法不同,大电阻采用比例法,电路简单且容易操作;小电阻测量采用恒流外加小信号放大法,当测量0~2Ω小电阻时,采用恒流源产生10mA的电流流经电阻产生0~20mV压降再放大10倍即0~200mV测量,这样解决了大电流流经小电阻发热大的问题。此种方案误差主要取决于恒流源的精度,只要恒流源恒定,测量可以达到很高的精度。

    来自:http://www.caigou.com.cn/c530

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