基于STM32的自動量程電壓表設(shè)計

方案中的整個系統(tǒng)可以用一塊9V電池供電，實現(xiàn)了低功耗和便攜功能。交流測量是用AD637真有效值轉(zhuǎn)換芯片將交流信號轉(zhuǎn)換成直流電壓后測量;用帶鉗位保護(hù)的反向放大器進(jìn)行輸入電壓轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)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,實現(xiàn)了高精度的測量;ADC采用STM32f103ZET6片內(nèi)自帶的12位AD,實現(xiàn)了低功耗，量程自動切換功能。

0 引言

在智能儀器中，常常用到自動量程轉(zhuǎn)換技術(shù)，這使得儀器在很短的時間內(nèi)自動選取最合適的量程實現(xiàn)高精度的測量。自動量程的實現(xiàn)一般通過控制輸入信號的衰減放大倍數(shù)實現(xiàn)，就電壓表來說其輸入測量電壓會大于其AD 轉(zhuǎn)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(shù)切換的過程。

1.系統(tǒng)整體方案與工作原理

系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。STM32F103ZET6處理器是本系統(tǒng)的核心器件，負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)的正常工作，包括讀取AD 轉(zhuǎn)換后的結(jié)果及200mV 與2V 檔位的控制;按鍵輸入動作響應(yīng);段式液晶的驅(qū)動;量程自動轉(zhuǎn)換控制等。

輸入的電壓信號經(jīng)過量程轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成相應(yīng)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進(jìn)行數(shù)值輸入。

2.系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

(1)電源管理硬件電路

本系統(tǒng)具有低功耗模式，即在一定的時間內(nèi)沒有操作，系統(tǒng)在單片機(jī)的控制下自動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(wěn)壓芯片，其輸出端輸出恒定的3.3V,作單片機(jī)系統(tǒng)電源。另一路是經(jīng)過三極管9012可以開關(guān)控制，本設(shè)計中在系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，單片機(jī)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(dǎo)通狀態(tài)。9V疊層電池的正極電壓到達(dá)78L05 三端集成穩(wěn)壓芯片的輸入端，其輸出端輸出穩(wěn)定的+5V電壓。-5V由負(fù)壓電荷泵7660S 產(chǎn)生。當(dāng)系統(tǒng)處于“低功耗”狀態(tài)時，單片機(jī)控制口輸出為低電平。9011處于截止?fàn)顟B(tài)，9012的基極電壓為9V,也處于截止?fàn)顟B(tài)，模擬部分電源電壓為零。而單片機(jī)將一直處于不同模式的工作狀態(tài)。

(2)交流電壓轉(zhuǎn)換電路

交流電壓測量真有效值的轉(zhuǎn)換電路是測量交流電壓的關(guān)鍵部分，其設(shè)計的好壞直接影響到交流電壓信號的測量精度，在本次設(shè)計中我們通過比較選擇采用AD637來實現(xiàn)交流信號到直流量的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，實驗測試時發(fā)現(xiàn)對于5000Hz 交流信號轉(zhuǎn)換效果仍良好。

(3)量程轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)量程轉(zhuǎn)換采用單片機(jī)控制模擬開關(guān)和繼電器實現(xiàn)，原理框圖如圖4所示。