一款基于MSP430的高精度數字多功能表設計

摘要：為適應現代電子測試對儀表的要求，以MSP430單片機為控制核心，采用高效DC—DC電源轉換芯片、低功耗高精度儀表放大器和真有效值轉換芯片等，設計并實現了一種數字多功能表。能夠精確測量交直流電壓值、電阻、電容、晶體三極管的B值等。整個系統由一塊9 V電池供電，具有低功耗、高精度和便攜等特點。

數字多功能表是電子系統中最常用的測量儀表，隨著電子技術的發展，對測量儀表的性能提出了更高的要求：測量精度高、低功耗、數字化、便攜。通過精選元器件，基于低功耗和內置A/D的MSP430單片機，構建了一種基本電參數測試系統，符合低碳環保的設計要求，是電子測量儀器設計的發展方向。

1 方案設計

1.1 元器件的選擇

1)控制器

選用專門為低功耗設計的單片機，由于它在生產工藝上采用了高集成度的單片化設計，將許多外圍模塊集成到芯片上，采取低電壓供電，大大降低了功耗。同時在軟件設計時采用省電模式，減少MCU工作時間，關閉單片機外圍功能模塊來降低功耗，采用低頻時鐘休眠模式。ADC選用內置的12位A/D轉換器，分辨率為U/4 096=1/4 096=0.25mV，可實現高精度測量要求。

2)信號調理

OP07運算放大器是常用的低噪聲高精度運算放大器，具有極低的輸入失調電壓，極低的溫漂，非常低的輸入噪聲電壓幅度，高的共模抑制比(-126 dB)及穩定性好等特點。其輸入失調電壓為10 μV，輸入失調電壓溫漂為0.2μV/℃，電源電壓范圍寬，輸入阻抗高。

INA128是低電壓、低功耗、高精度通用型單通道儀表放大器，它的內部包含3個運放組成的經典差分電路，使得體積更小，使用范圍更廣泛。在測量電阻中，利用其差分輸入提取被測小電阻流過恒流源時產生的壓降，實現電阻電壓轉換。INA128滿足電路高精度的要求，且極適合電池供電系統中的應用。

3)電源

DC—DC變換采用高效開關型電源芯片TPS5430，輸出可產生5 V、3 A電源.其固定開關頻率為500 kHz，效率高達95%，在關機模式下的靜態電流只為18 μA，可實現電源的高效低耗轉換。-5 V電壓由TPS60400產生，轉換效率大于90%。

4)交流電壓測量

采用AD637集成真有效值轉換芯片，把交流電壓信號經分壓衰減后轉換為幅值等于交流有效值的直流電壓信號，再對直流電壓進行測量。AD637使用方法簡單、轉換精度高、失真小，最大失真誤差為0.02%±2字，工作穩定可靠。

1.2 總體框圖

MSP430F148單片機是本系統的核心器件，負責控制整個系統的正常工作，包括讀取ADC轉換后的結果及各種檔位的控制，按鍵輸入響應，液晶的驅動，量程控制等。輸入的電壓信號經過量程轉換模塊，變成可供ADC模擬輸入端能正常進行采樣的電壓。交流電壓量模塊的功能是將被測的交流電壓轉換成相應RMS值。電阻測量模塊中主要由和OP07運放構成一個穩定的恒流源，INA128儀用運放提取被測電阻兩端電壓，經合適倍數放大后送到ADC的模擬輸入端進行轉換，其轉換后的數字量由單片機讀取并送到液晶模塊顯示。系統總體框圖如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 電源電路設計

選用TI公司的TSP5430高效開關電源，由9 V層疊電源提供輸入電壓，輸出穩定的5 V電源。電感由下式計算：

其中，Fsw=500 kHz，Kind是描述相對于最大輸出電流電感中紋波電流大小的系數，取0.2～0.3。通過公式可以求得電感的值L=12.5～15μH，再由電阻分壓得到5 V電源。-5 V電源由電荷泵TPS60400DBVT產生。電路如圖2所示。

2.2 交直流電壓測量電路設計

2.2.1 直流電壓的測量

當有直流信號輸入時，首先對信號進行10倍衰減，OP07放大器處于跟隨狀態，S3與片內ADC直接相連，若輸入信號大于2 V，ADC直接采樣輸出，此為2—20 V檔位;當ADC檢測到信號大于0.2 V小于2 V時，S1置1，不需衰減，S2置2，信號送由ADC采樣輸出，此為0.2—2 V檔;當ADC檢測到信號小于0.2 V時，S1上合，無需衰減，S2上合對信號進行放大十倍，再經S3由ADC采樣輸出。如表1所示。

2.2.2 交流電壓的測量

通過比較選擇AD637真有效值轉換芯片來實現交流量到直流量的轉變，把交流電壓轉換為幅值等于交流有效值的直流電壓信號，再對直流電壓進行測量。不同檔位的信號調理電路同直流電壓測量，只需將S3置2。整個交直流電壓測量電路如圖3所示。

2.2.3 電阻的測量

電阻的測量采用恒流源法。通過產生恒定的電流流過待測電阻，經放大后由ADC測量電壓從而計算被測電阻大小。利用TL431產生標準2.5 V，然后利用精密電阻進行分壓，通過3個模擬開關，得到3個不同恒定電壓，由運放特性可以得到3個恒定的電流，由此形成電阻測量的3個不同的檔位。當被測電阻RX接入回路時，其上產生的壓降經過INA128放大后，通過ADC轉換后可得到相應阻值。電路如圖4所示。