自动量程万用表模块设计方案[图]

一、设计目标：4 1/2万用表（19999）， 最小分辨率6微伏，自动选择量程。

二、功能设计要求（量程范围）：

直流电压（DCV）DD 200 mV 2V 20V 200V 1000V

交流电压（ACV）DD 200mV 2V 20V 200V 700V

直流电流（DCA）DD 2mA 20mA 200mA 20A

交流电流（ACA）DD2mA 20mA 200mA

电阻（OHM）DDD 200 2K 20K 200K 2M20M

三、主要芯片：MSP430FE42X

四、 *** 作方式：按键DDDCV按键，ACV按键，DCA按键，ACA按键，OHM按键

五、原理框图：

当进行AD测量时，MSP430FE42X可以选择外部参考源，也可以选择内部参考源。

这里在测量电压和电流时，选择内部参考源1.25V，这样，当外部待测电压为0.625V时，AD采样值为65535，当待测电压为－0.625时，AD采样值为0。由于设计的最小量程为0.2V，故需要将其放大到0.625V，使其满量程，然后根据显示的位数进行转换即0－20000对应0-32767。实际的最小分辨率是0.2/32767V＝6微伏。

当待测电压大于0.2V时，必须进行分压处理，一般采用10倍的分压器，例如2V时降至0.2V等。电压分压器如图1所示。

图1 电压分压器

同样，在测量电流时，也要进行处理，使电流变为电压，然后才能测量。电流的测量原理图如图2所示。

图2 电流分压器

请注意，图2中右边的20A输入是直接接入的，当然也可以加上一个20A的保险丝。

以上是测量直流电压或直流电流的情况，当要测量交流电压或交流电流时，必须进行整流，整流电路如图3所示。

图3 交流整流电路

电阻的测量与电压和电流的测量不同，原理图如图4所示。

电阻测量采用的是比例法，即当流过待测电阻和参考电阻的电流相同时，Uin/Uref=Rx/Rref，根据FE42X的AD转换特性，当输入电压时参考电压的一半时满量程，亦即当待测电阻是参考电阻的一半时满量程。故200欧姆档的参考电阻是400欧姆，假设待测电阻是100欧姆，由于此时通过参考电阻和待测电阻的电压是1.23V，所以参考电压是1.23*（400/500）V，而输入电压是1.23*（100/500），又当输入电压是1.23*2/5时满量程，故现在的AD值是满量程的一半－100欧姆。当然，此时的AD是要经过量程的转换即0－20000对应0－32767。

六、实际实现电路的简要分析：

1、直流电压测量：

待测电压通过分压器，在各个分压电阻上产生不同的电压值，此时要根据待测电压大小来确定输入单片机的电压，这里通过HC4051来对待测电压进行分压选择。由于待测电压可能高达1000V，因此选择松下的PHOTORELAY（其输入高达1000V）作为分压的输入端。当选择了合适的分压电压后，该电压由TLV2211组成的放大电路进行放大约3倍左右（使AD采样满量程），然后进行量程转换（0－20000对应0－32767），便可以得到待测电压值。

2、交流电压测量：

交流电压测量跟直流电压测量共用一个分压器，经过分压后，待测电压由TLV2211组成的交流整流电路整流后再进入放大电路进行测量。

3、直流电流测量：

由于待测电流高达200mA，一般的模拟开关可以通过的电流较小，故选用AQV201（40V时负载电流500mA）做电流选择，待测电流经分压后进入放大电路，然后再送入AD。

4、交流电流测量：

交流电流测量跟直流电流测量共用一个分压器，不同的是，分压后还要进入交流整流电路，然后再进入放大电路，最后送入AD。

5、电阻测量：

电阻测量电路选用内阻很小的MAX4638模拟开关来接入不同量程的参考电阻，从而测得待测电阻的阻值。AD采用的是外部的参考电压，该参考电压通过减法运算电路得到参考电阻上的电压后送入参考端，而待测电阻上的电压则直接送入测量端。

6、最后：

由于MSP430FE42X的输入阻抗为500k，故在AD输入端外加一个跟随器，以提高它的输入阻抗。