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智能数字万用表的设计

课题名称智能数字万用表的设计

班级24030902

姓名曹靖凯

指导教师张晓博

日期2013年4月

摘要

本设计能够精确的测量直流电压、交流电压和电阻，具有测量精度高，抗干扰能力强等特点。

整个系统可以用一块9V电池供电，实现了低功耗和便携功能。

小电阻测量是采用独立恒流供电端口四端子测量法，从而减小了接触电阻的影响，实现了小电阻高精度测量；交流测量是用AD637真有效值转换芯片将交流信号转换成直流电压后测量；用带钳位保护的反向放大器进行输入电压转换，实现了10MΩ的输入阻抗和高安全性。

电路中关键器件采用TI公司的精密运算放大器OPA07和仪表放大器INA128，实现了高精度的测量；ADC采用MC14433

芯片；控制器选用TI公司的MSP430单片机，实现了低功耗，量程自动切换功能。

另外，通过利用和改装波段开关，实现了测量档位转换的便捷和可靠。

该作品的所有性能指标远远超出题目的设计要求。

关键词：

数字万用表、MC14433、MSP430单片机

Abstract

ThedesignhasthefunctionofmeasuringDCvoltage,ACvoltageandresistance.Thesystemsuppliedbythe9Vbatteryhastheadvantagesofhighaccuracy,stronganti-interferenceability,lowpowerconsumption,beingportableandsoon.Inordertomeasuresmallresistanceaccurately,thesystemgetsthevoltagesignaloftheresistancethroughthemeasureportindependentoftheconstantcurrentpowersupplyportandeliminatestheinfluenceofthecontactresistance.ThemeasurementofACvoltageadoptsthechipAD637,whichisacompletehighaccuracymonolithicrms-to-dcconverter.Thesystemrealizesthe10MΩinputimpedanceandthehighsecurityusingthereverseamplifierwiththeclampprotection.Thesystemismainly

composedoftheprecisionoperationalamplifierOP07（TIcompany）andINA128（TIcompany）,theADCMC14433（Motorolacompany）andthemicrocontrollerMSP430（TIcompany）,whichisofthefunctionofrangeswitchingautomatically.Moreover,throughmakinguseofandrefittingthebandswitch,thesystemcanswitchthemeasurerangeconvenientlyandreliably.Theallperformanceindexesofthedesignarefarsupertothedesignspecification.

Keywords:

digitalmultimeter、MC14433、MSP430singlechip.

1方案设计

1.1理论分析

（1）直流电压测量分析：

直流电压测量用双积分型ADC芯片MC14433完成，MC14433是三位半模数转换芯片。

其转换精度为0.05%±1个字，完全符合题目中的测量直流电压精度达到±0.2%±1个字的要求，MC14433转换电压范围为0~2V，所以当直流电压信号大于2V时要通过分压电路进行衰减使其电压降为0~2V达到合适量程范围再进行转换。

（2）交流电压测量分析：

交流电压信号不能直接测量，本设计首先使交流电信号经过合适的分压电路进行衰减后，再通过AD637（真有效值转换芯片）转换为直流电压信号后测量，AD637转换精度高、失真小，最大失真误差为0.02%±2个字，而分压电路没有失真，所以交流电压测量精度完全能够达到题目中测量精度为±0.5%±2（50HZ）个字要求。

（3）电阻测量分析：

电阻测量按被测电阻的大小分两种方法进行测量。

对于小电阻，使用恒流源产生恒定的电流流经待测电阻，再测量电阻两端的电压降。

这种测量方法只要电流恒定，测量误差可以很小；测量大电阻（M_级）采用恒压源和标准电阻构成测量电路，ADC对被测电阻两端电压采样，结果还需经过软件计算处理后可得到被测电阻的大小，这种测量方法只要恒压源稳定及标准电阻已知，就可以达到很高的精度。

上述两种方法完全可以达到题目的测量精度要求。

1.2选用TI器件的依据与理由

该系统的设计使用了四个TI器件分别是MSP430F148单片机、TL431稳压器件、OP07运算放大器、INA128仪表放大器。

（1）MSP430F148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（MixedSignalProcessor）。

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EmbeddedWorkbench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。

（4）INA128仪表放大器：

INA128是美国BB公司生产的低电压，低功耗，高精度通用型单通道仪表放大器，它的内部包含3个运放组成的经典差分电路，使得体积更小，使用范围更广泛。

反馈电流输入电路使得即使在高增益条件下（G=100时，200KHz）也提供较宽的带宽。

INA128用激光进行修正微调，具有非常低的偏置电压和温度漂移，高的共模抑制比。

其电源电压低至±2.5V，且静态电流只有700uA。

在本系统中作用是利用其差分输入提取被测小电阻流过恒流源时产生的压降，实现电阻电压转换。

INA128满足电路高精度的要求，且极适合电池供电系统中的应用。

1.3设计方案论证

1.3.1交流有效值测量方案

方案一：

热电偶测量法。

热电偶测量法是根据交流有效值的物理定义来实现测量的，利用热电偶电路平衡原理通过两端的电势比较得到有效值。

但热电偶转换线性度差，且热电偶具有配对较难、响应速度慢、负载能力差等缺点。

方案二：

模拟运算法。

根据有效值的数学定义，用集成器件乘法器、开方器等依次对被测信号进行平方、平均、开方等计算直接得到交流输入信号的有效值。

这种方案测量的动态范围小、精度不高且当输入信号的幅度变小时，平均器输出电压的平均值下降很快、输出幅度很小。

方案三：

交流整形电路。

采用AD637集成真有效值转换芯片，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，再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，故采用此种方案。

1.3.2小电阻测量方案

方案一：

直流电桥测量法。

直流电桥又分直流单电桥和直流双电桥。

采用这两种方法测量时很多操作需要手动，并且对元件精度要求高，通过数字电位器来改变需要的电阻参数，虽然可以实现数控，但数字电位器的每一级步进电阻值不确定，调节困难，用单片机处理计算杂复并且测量时操作不便。

方案二：

电阻比例法。

电阻比例法采用如图1所示的双斜积分式A/D转换器电路，可实现电阻—数字的转换。

图1电阻比例法电路

此方案由于在电阻上Rx、Rs中流过相同的电流，因此不需要精密的基准电流，但需要计数器和精密时钟发生器且电路复杂处理难度大。

方案三：

采用恒流外加小信号放大法。

当测量0～2_小电阻时，采用恒流源产生10mA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，故采用此种方案。

2系统实现

2.1硬件设计

2.1.1系统框图

图2系统框图

系统框图如图2所示。

MSP430F148单片机是本系统的核心器件，负责控制整个系统的正常工作，包括读取MC14433转换后的结果及200mV与2V档位的控制；按键输入动作响应；段式液晶的驱动；量程自动控制等。

输入的电压信号经过量程转换模块，变成可供ADC模拟输入端能正常进行采样的电压。

交流电压测量模块的功能是将被测的交流电压转换成相应的RMS值。

电阻测量模块中主要由TL431和OP07运放构成一个稳定的恒流源，INA128仪用运放提取被测电阻两端电压经合适倍数放大后送到ADC的模拟输入端进行采样。

MC14433模块的功能是实现模拟量到数字量的转换，其转换后的数字量由单片机读取并送到显示模块中显示。

按键输入的功能是切换各种不同的测量模式以及计算相对误差时进行数值输入。

2.1.2不同功能单元电路及接口设计

（1）电源管理硬件电路

题目要求系统具有低功耗模式，即在一定的时间内没有操作，系统在单片机的控制下自动切断一部分电路的工作电源。

电源管理电路原理图如图3所示，电池的正极分成两路，第一路是直接接入到SPX1117的输入端，SPX1117是三端集成稳压芯片，其输出端输出恒定的3.3V，作单片机系统电源。

另一路是经过三极管9012可以开关控制，本设计中在系统处于正常工作状态时，单片机控制口输出高电平，9011处于饱和状态，9012的基极电压与地电压相近，9012饱和，即处于导通状态。

9V叠层电池的正极电压到达78L05三端集成稳压芯片的输入端，其输出端输出稳定的+5V电压。

-5V由负压电荷泵7660S产生。

当系统处于“低功耗”状态时，单片机控制口输出为低电平。

9011处于截止状态，9012的基极电压为9V,也处于截止状态，模拟部分电源电压为零。

而单片机将一直处于不同模式的工作状态。

图3电源管理电路图

（2）交流电压转换电路

交流电压测量真有效值的转换电路是测量交流电压的关键部分，其设计的好坏直接影响到交流电压信号的测量精度，在本次设计中我们通过比较选择采用AD637来实现交流信号到直流量的转变，电路如图4所示。

图4AD637转换电路图

AC_IN是交流电压输入端，DC_OUT端输出的是直流电压信号。

输出直流电压的值是输入交流电压的真有效值。

此电路完成了交流到直流的转换，实验测试时发现对于5000Hz交流信号转换效果仍良好。

（3）电阻测量电路

电阻测量采用在待测电阻上流过恒定电流产生压降，通过测量相应的电压再经MC14433A/D转换后得到电阻值。

大电阻测量：

大电阻测量不采用恒流法测量。

其测量电路图如图5所示，由TL431产生2.5V恒定电压，被测电阻与500K的标准电阻相串联到地。

A端输出给ADC。

通过测量A端电压再经过相应的软件处理计算可得到被测电阻的大小。

图52MΩ电阻测量图

小电阻测量：

小电阻测量是难点，通过小电流难以测量，通过大电流又有电阻发热的问题。

本系统设计采用10mA的小电流流经电阻产生压降，当测量0~2_电阻时产生0~20mV电压再通过放大电路放大10倍后进行测量，这样既解决了大电流流过小电阻产热大的问题又提高了精度，放大电路采用低功耗仪表运算放大器INA128，INA128具有失调电压小温漂低等特点，其最大失调电压为50uV，温漂为0.5uV/℃，电路如图6所示。

A端与B端接在被测电阻的两端，提取电阻两端的压降。

0~2_在经10mA的电流源流过后产生0~20mV的压降。

由集成运放放大倍数计算公式

，可知当放大10倍时R1的阻值为：

，

即接入电阻R1=5.5K_时电路放大10倍。

经10倍放大后输出电压为0~200mV，C端接ADC。

图6INA128放大电路

开尔文四线测量：

实际测量时被测电阻阻值小于几欧时，则测试线的电阻和探针与测试点的接触电阻与被测电阻相比已不能忽略不计，若仍采用两线测试方法必将导致测试误差增大。

此时采用开尔文连接方式（或称四线测试方式）来测量。

采用开尔文四线测试四个端子探头连接如图7所示。

开尔文连接有两个要求：

对于每个测试点都有一条激励线F和一条检测线S，二者必须严格分开，各自构成独立回路；同时要求S线必须接到一个有极高输入阻抗的回路上，使流过检测线S的电流极小，近似为零。

图7中r表示引线电阻和探针与测试点的接触电阻之和，HS、HF分别为HP测试点的激励线和检测线，LS、LF分别为LP测试点的激励线和检测线，由于流过测试回路的电流为零，在r3、r4上的压降也为零，而激励电流Ｉ在r1、r2上的压降不影响I在被测电阻上的压降，所以电压表可以准确测出R1的阻值。

测试结果和r无关，有效的降低了测量误差。

图7开尔文四线测试法

恒流源电路：

恒流源的作用是在电阻—电压转换时提供恒定的电流。

其电路如图8所示。

利用TL431产生标准2.5V，然后，利用精密电阻进行分压，得到0.5V。

0.5V的恒定电压送入运放的同相端，三极管Q与运放的反相输入端形成反馈电路使得运放的反相端也为0.5V，再在此端串入金属膜电阻至地。

从电源正极经过三极管的E极到地就会有一恒定的10mA电流。

只要将被测电阻（阻值应该在量程范围之内）接入回路，通过被测电阻的电流就会是稳定的10mA。

图8恒流源电路

（4）量程转换电路

本系统量程转换采用单片机控制模拟开关和继电器实现，原理框图如图9所示。

直流/交流（0-20V）电压输入后双掷开关SW_1起到电压量程转换选择作用，固定电阻R1，R3在精密可变电阻R2的配合下组成一个电阻10倍衰减网络，且其输入电阻大于10M欧，满足题目中输入电阻的要求。

最高输入电压可到20V。

再由单片机控制SW-1来选择是否衰减。

R1和两个IN4001构成一嵌位保护电路，使电路在高电压输入时处于安全状态。

OP07构成一个电压跟随器，起到隔离前后通道的作用，其较低的输出电阻还可以提高带负载能力。

Output端接入ADC。

图9量程转换电路

2.1.3硬件设计注意事项及窍门

（1）对于模拟器件和数字器件的电源供给端并上合适的电容。

例如运算放大器的电源端都并上一个0.1uF的瓷片电容，起到滤掉高频干扰的作用，使电路工作更加稳定。

（2）模拟地与数字地隔离。

所有的模拟地连接在一点，所有的数字地也连接在一点，然后再将模拟地与数字地连接到一起，这样做的目的是防止开关的数字干扰信号窜到模拟电路中。

2.2软件设计

2.2.1软件流程图

主程序流程图如图10所示。

图10主程序流程图

2.2.2软件设计思路及技巧

（1）自动关机功能与低功耗的实现自动关机功能与低功耗的实现

题目要求1分钟内若无任何键按下，则系统进入低功耗状态。

1分钟定时是通过定时器中断计数实现的，计数器变量是全局变量，当接收到用户操作指令后，在主程序中对该计数器清零使系统维持在正常模式，其程序流程图如图11所示。

图11自动关机程序控制流程图

（2）量程量程自动切换的实现

本系统中的自动量程切换对测直流电压和交流电压均有效。

量程自动切换关键是通过读ADC数据判断当前的量程是过量程还是欠量程，合理的硬件设计是量程自动切换的重要保证。

量程自动切流程图如图12所示。

2.2.3MSP430相关软件设置

目前，支持MSP430的开发调试环境比较多。

本程序的设计环境是由IAR公司提供的开发调试环境：

IAREmbededWorkbench及调试器C-SPY。

EmbededWorkbench支持多种单片机，它具有以下特性：

支持Windows98/WindowsNT/Windows2000/WindowsXP操作系统；Windows风格可视化的开发环境；集成所有的工具（编译、连接等），方便使用；支持直观的拖放功能、具有超文本风格的帮助、可以采用Make进行重新编译、连接。

IAR430软件的使用非常方便及简单，该软件内部已经集成了下载调试器，只需要进行一些简单的设置即可编译下载。

主要有以下的设置：

在IAREmbededWorkbench环境中的主菜单项中的：

“projetc”→“option”选项中，在“GeneralOption”项中的“Device”选择“MSP430F148”；Dubugger中的Driver项中选择“FETDebugger”；进入FETDebugger项，在“connection”中选择“TexasInstrumentLPT-IP”和“parallelport1”两项。

2.2.4编程感想及软件设计注意事项

（1）写程序时思路一定要清晰，写程序之前，一定要有先画程序流程图的好习惯。

绘制的程序流程图不仅便于程序代码的书写，而且还有利于以后程序的改错及排错。

（2）程序设计所用语言是C语言。

在编写函数时一定要注意做到子函数功能的模块化。

其函数功能应该内聚性高，耦合小。

编程风格力求简炼，程序语句的书写严格按照C程序语

句书写标准。

（3）MSP430单片机中断函数中所用变量最好都设为全局变量。

图12量程转换流程图

3作品性能测试

3.1测试仪器介绍

TDS1002型60MHZ10GS/s双通道数字存储示波器，交流信号发生器，高精度数字BRT500台式万用表，DS-1双通道直流稳压源。

3.2系统测试方法

直流测试方法：

使用直流稳压电源产生直流电压信号，通过高精度万用表观察实际输出直流电压值，将信号通入本系统仪器测量与标准电压值进行比较。

交流测试方法：

使用交流数字信号发生器产生40~5000HZ，电压范围0~20V的正弦交流信号通过示波器观察实际输出频率，通过高精度数字万用表观察实际输出电压值，将信号通入本系统仪器测量后与标准电压值进行比较。

电阻测试方法：

采用精密标准电阻，使用高精度数字万用表观察精密电阻值，在使用系统仪器测量与标准电阻进行比较。

3.3测试性能概览

（1）直流电压测量数据。

（2）交流电压测量数据。

（3）电阻测量数据。

表3电阻测量数据

3.4误差分析

本系统误差主要由恒流源、AD真有效值转换、双积分ADC器件等几个方面所带来的误差。

AD真有效值转换，在误差允许的范围内可以将所测交流电压转换成对应的真有效值，但不可避免地受到环境温度的影响，造成转换时可能引起误差；由于环境温度的改变，在用恒流法测电阻时，会引起恒流源不为一个定值，导致所测电阻流过恒流源所产生的电压有所偏差，特别是在测小电阻时，鳄鱼夹与被测小电阻之间的接触电阻会引起测量的较大误差，减小这种误差可以用四端子测量法；双积分ADC器件与前端处理电路同样受到温度、电磁场、工频干扰的影响，会引起数据的不稳定。

3.5系统完善

1）进一步减小进入低功耗后电流。

低功耗时所消耗的电流是单片机最小系统所消耗的电流。

改进的措施是利用LDO器件代替原来所使用的普通稳压芯片。

2）量程自动切换时将原来的微型继电器用耐高压型的模拟开关替换掉。

可以进一步降低系统正常工作时的功耗，还可以提高系统的稳定性和可靠性及响应速度。

3）将电阻测量档量程切换换成自动量程切换。

4参考文献

[1]李智奇著.MSP430系列低功耗单片机原理与设计.西安电子科技大学出版社,2008.

[2]谭浩强著.C语言程序设计（第三版）.清华大学出版社,2005.

[3]胡大可著.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用（第三版）.北京航空航天版

社,2006.

[4]李朝青著.单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社,2005.