多功能測試儀表的設計

1 結構設計
該系統以美國TI公司的低功耗16位單片機MSP430F149為核心，外部由分壓網絡、電壓采集網絡、恒流源測電阻網絡、測頻網絡、液晶和USB上位機通信網絡組成。核心A／D選擇MSP430單片機內部集成的高精度逐次逼近型12位A／D轉換器，它可以在沒有CPU干預的情況下進行16次獨立采集并保存結果，轉換速率大于200 kS／s。工作時根據旋鈕開關所在檔位的不同，系統會自動控制繼電器切換到相應檔位等待測量開始，被測信號首先經過前級分壓處理，而后由TL064運放將信號進行放大后給A／D，系統會根據A／D采集的結果進行量程的自動切換，直到合適為止。當選擇交流檔時相應繼電器會跳轉接人交流檔電路，交流信號經過分壓后一路進入由AD736構成的真有效值檢測，另一路進入差分電路。該電路可以將波形整體抬高至0 V以上，使得A／D能夠采到完整的波形，最后通過液晶將被測量的數字及波形信息來行顯示。如有需要，還可以將測量結果通過USB傳送到電腦上保存。而整個系統僅需要一枚普通的9 V電池進行供電，并具有低電量提示功能。系統結構圖如圖1所示。

2 方案的確定
該設計系統采用TI的新型的低功耗16位單片機MSP430F149作為整個系統的控制器。其優點是實時性好，操作方便，功耗低，性能好。
2．1 自動量程的設計
采用傳統臺式儀表所采用的繼電器量程選擇模式，利用單片機控制繼電器的通斷實現量程的自動切換。由于繼電器在未導通時電路為斷路，而在導通后基本可視為0 Ω導通，兩端無壓降，也就是說繼電器是一個電子控制的開關，而且由于繼電器是機械結構，其穩定性比較高，因此可以作為理想的自動儀表控制設備。
2．2 電阻測量方案
采用恒流源法測量被測電阻阻值。用LM334作為恒流源。此方案簡單可靠，雖然恒流源輸出可能會收到外界溫度的影響，但考慮到一般儀表都是在室溫下使用，故其輸出電流隨溫度的誤差基本可以忽略不計。
2．3 有效值檢測電路
該系統利用有效值檢測專用芯片AD736對輸入的交流有效值進行檢測，該芯片使用方便原理簡單，精度較高，成本低廉，比傳統的分立器件測量效果要精確許多，實際測試中，誤差比較小，結果較為理想。
2．4 波形測試網絡
作為多功能測試儀表，如何采集完整的波形信息將是示波的難點，采樣波形。對此，儀表內部專門設計了差分輸入電路，分壓后的交流經過差分電路后可將交流波形整體進行放大，使其值大于0 V，同時峰值小于200 mV，這樣一來，A／D可直接對輸入信號進行采樣，并通過液晶輸出完整的采樣波形。
2．5 電源模型的設計
由于該系統供電系統較為復雜，既有3．3 V的電源，又有5 V的電源提供給繼電器，還有9 V電壓直接給運放供電，所以供電模塊的設計較為復雜。最終選用單片開關型穩壓集成LM2576-5，其驅動能力較強自身功耗較其他開關型穩壓芯片又不是很高，使用性能穩定，利于在實際中應用。
2．6 保護電路的設計
該系統電壓檔最高采用1／1 000比例分壓，設定最高可測量電壓為200 V，實際最高可測電壓為330 V，當電壓高于250 V時，軟件控制所有繼電器斷開，此時便起到了很好的保護作用。電流檔采用0．2 A熔斷絲進行保護，無論過壓還是過流，只要熔斷絲燒斷，儀表就將受到很好的保護。電阻檔在輸入級采用在芯片設計中常用的ESD(ELECTROSTATIC DISCHARGE)保護模塊。

3 軟件的實現
軟件流程圖見圖2。