自動量程萬用表設計方案

一、設計目標：4 1/2萬用表(19999), 最小分辨率6微伏，自動選擇量程。

二、功能設計要求（量程范圍）：

直流電壓（DCV）DD 200 mV 2V 20V 200V 1000V

交流電壓（ACV）DD 200mV 2V 20V 200V 700V

直流電流（DCA）DD 2mA 20mA 200mA 20A

交流電流（ACA）DD2mA 20mA 200mA

電阻（OHM）DDD 200 2K 20K 200K 2M20M

三、主要芯片：MSP430FE42X

四、操作方式：按鍵DDDCV按鍵，ACV按鍵，DCA按鍵，ACA按鍵，OHM按鍵

五、原理框圖：

當進行AD測量時，MSP430FE42X可以選擇外部參考源，也可以選擇內部參考源。

這里在測量電壓和電流時，選擇內部參考源1.25V，這樣，當外部待測電壓為0.625V時，AD采樣值為65535，當待測電壓為－0.625時，AD采樣值為0。由于設計的最小量程為0.2V，故需要將其放大到0.625V，使其滿量程，然后根據顯示的位數進行轉換即0－20000對應0-32767。實際的最小分辨率是0.2/32767V＝6微伏。

當待測電壓大于0.2V時，必須進行分壓處理，一般采用10倍的分壓器，例如2V時降至0.2V等。電壓分壓器如圖1所示。

圖1 電壓分壓器

同樣，在測量電流時，也要進行處理，使電流變為電壓，然后才能測量。電流的測量原理圖如圖2所示。

圖2 電流分壓器

請注意，圖2中右邊的20A輸入是直接接入的，當然也可以加上一個20A的保險絲。

以上是測量直流電壓或直流電流的情況，當要測量交流電壓或交流電流時，必須進行整流，整流電路如圖3所示。

圖3 交流整流電路

AC/DC轉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，即當流過待測電阻和參考電阻的電流相同時，Uin/Uref=Rx/Rref，根據FE42X的AD轉換特性，當輸入電壓時參考電壓的一半時滿量程，亦即當待測電阻是參考電阻的一半時滿量程。故200歐姆檔的參考電阻是400歐姆，假設待測電阻是100歐姆，由于此時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）,又當輸入電壓是1.23*2/5時滿量程，故現在的AD值是滿量程的一半－100歐姆。當然，此時的AD是要經過量程的轉換即0－20000對應0－32767。

六、實際實現電路的簡要分析：

1、直流電壓測量：

待測電壓通過分壓器，在各個分壓電阻上產生不同的電壓值，此時要根據待測電壓大小來確定輸入單片機的電壓，這里通過HC4051來對待測電壓進行分壓選擇。由于待測電壓可能高達1000V，因此選擇松下的PHOTORELAY（其輸入高達1000V）作為分壓的輸入端。當選擇了合適的分壓電壓后，該電壓由TLV2211組成的放大電路進行放大約3倍左右（使AD采樣滿量程），然后進行量程轉換（0－20000對應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分壓器，經過分壓后，待測電壓由TLV2211組成的交流整流電路整流后再進入放大電路進行測量。

3、直流電流測量：

由于待測電流高達200mA，一般的模擬開關可以通過的電流較小，故選用AQV201（40V時負載電流500mA）做電流選擇，待測電流經分壓后進入放大電路，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分壓器，不同的是，分壓后還要進入交流整流電路，然后再進入放大電路，最后送入AD。

5、電阻測量：

電阻測量電路選用內阻很小的MAX4638模擬開關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算電路得到參考電阻上的電壓后送入參考端，而待測電阻上的電壓則直接送入測量端。

6、最后：

由于MSP430FE42X的輸入阻抗為500k，故在AD輸入端外加一個跟隨器，以提高它的輸入阻抗。