多功能測(cè)試儀表的設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展，電子儀表的普及，原先大體積、高功耗功能單一的儀表已經(jīng)逐步向手持低功耗多用途儀表發(fā)展，而TI就是低功耗芯片設(shè)計(jì)制造的佼佼者，該產(chǎn)品就是一款基于TI的MSP430單片機(jī)集低功耗、低成本、高精度、多功能、超便攜于一身的新型數(shù)字儀表。它不僅集成了一般的數(shù)字萬(wàn)用表的基本功能，還具有簡(jiǎn)單的圖形顯示功能，能夠?qū)^低頻率的波形進(jìn)行時(shí)時(shí)測(cè)量及波形顯示功能，方便工程師在實(shí)際中的使用，市場(chǎng)前景十分樂(lè)觀。

　　1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)以美國(guó)TI公司的低功耗16位單片機(jī)MSP430F149為核心，外部由分壓網(wǎng)絡(luò)、電壓采集網(wǎng)絡(luò)、恒流源測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)、測(cè)頻網(wǎng)絡(luò)、液晶和USB上位機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)組成。核心A／D選擇MSP430單片機(jī)內(nèi)部集成的高精度逐次逼近型12位A／D轉(zhuǎn)換器，它可以在沒(méi)有CPU干預(yù)的情況下進(jìn)行16次獨(dú)立采集并保存結(jié)果，轉(zhuǎn)換速率大于200kS／s。工作時(shí)根據(jù)旋鈕開(kāi)關(guān)所在檔位的不同，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制繼電器切換到相應(yīng)檔位等待測(cè)量開(kāi)始，被測(cè)信號(hào)首先經(jīng)過(guò)前級(jí)分壓處理，而后由TL064運(yùn)放將信號(hào)進(jìn)行放大后給A／D，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)A／D采集的結(jié)果進(jìn)行量程的自動(dòng)切換，直到合適為止。當(dāng)選擇交流檔時(shí)相應(yīng)繼電器會(huì)跳轉(zhuǎn)接人交流檔電路，交流信號(hào)經(jīng)過(guò)分壓后一路進(jìn)入由AD736構(gòu)成的真有效值檢測(cè)，另一路進(jìn)入差分電路。該電路可以將波形整體抬高至0V以上，使得A／D能夠采到完整的波形，最后通過(guò)液晶將被測(cè)量的數(shù)字及波形信息來(lái)行顯示。如有需要，還可以將測(cè)量結(jié)果通過(guò)USB傳送到電腦上保存。而整個(gè)系統(tǒng)僅需要一枚普通的9V電池進(jìn)行供電，并具有低電量提示功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

　　2方案的確定

　　該設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用TI的新型的低功耗16位單片機(jī)MSP430F149作為整個(gè)系統(tǒng)的控制器。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，操作方便，功耗低，性能好。

　　2．1自動(dòng)量程的設(shè)計(jì)

　　采用傳統(tǒng)臺(tái)式儀表所采用的繼電器量程選擇模式，利用單片機(jī)控制繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。由于繼電器在未導(dǎo)通時(shí)電路為斷路，而在導(dǎo)通后基本可視為0Ω導(dǎo)通，兩端無(wú)壓降，也就是說(shuō)繼電器是一個(gè)電子控制的開(kāi)關(guān)，而且由于繼電器是機(jī)械結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性比較高，因此可以作為理想的自動(dòng)儀表控制設(shè)備。

　　2．2電阻測(cè)量方案

　　采用恒流源法測(cè)量被測(cè)電阻阻值。用LM334作為恒流源。此方案簡(jiǎn)單可靠，雖然恒流源輸出可能會(huì)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(jì)。

　　2．3有效值檢測(cè)電路

　　該系統(tǒng)利用有效值檢測(cè)專用芯片AD736對(duì)輸入的交流有效值進(jìn)行檢測(cè)，該芯片使用方便原理簡(jiǎn)單，精度較高，成本低廉，比傳統(tǒng)的分立器件測(cè)量效果要精確許多，實(shí)際測(cè)試中，誤差比較小，結(jié)果較為理想。

　　2．4波形測(cè)試網(wǎng)絡(luò)

　　作為多功能測(cè)試儀表，如何采集完整的波形信息將是示波的難點(diǎn)，采樣波形。對(duì)此，儀表內(nèi)部專門(mén)設(shè)計(jì)了差分輸入電路，分壓后的交流經(jīng)過(guò)差分電路后可將交流波形整體進(jìn)行放大，使其值大于0V，同時(shí)峰值小于200mV，這樣一來(lái)，A／D可直接對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，并通過(guò)液晶輸出完整的采樣波形。

　　2．5電源模型的設(shè)計(jì)

　　由于該系統(tǒng)供電系統(tǒng)較為復(fù)雜，既有3．3V的電源，又有5V的電源提供給繼電器，還有9V電壓直接給運(yùn)放供電，所以供電模塊的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。最終選用單片開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓集成LM2576-5，其驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)自身功耗較其他開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓芯片又不是很高，使用性能穩(wěn)定，利于在實(shí)際中應(yīng)用。

　　2．6保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)電壓檔最高采用1／1000比例分壓，設(shè)定最高可測(cè)量電壓為200V，實(shí)際最高可測(cè)電壓為330V，當(dāng)電壓高于250V時(shí)，軟件控制所有繼電器斷開(kāi)，此時(shí)便起到了很好的保護(hù)作用。電流檔采用0．2A熔斷絲進(jìn)行保護(hù)，無(wú)論過(guò)壓還是過(guò)流，只要熔斷絲燒斷，儀表就將受到很好的保護(hù)。電阻檔在輸入級(jí)采用在芯片設(shè)計(jì)中常用的ESD(ELECTROSTATICDISCHARGE)保護(hù)模塊。

　　3軟件的實(shí)現(xiàn)

　　軟件流程圖見(jiàn)圖2。

　　4測(cè)試數(shù)據(jù)

　　部分測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表3。

　　5測(cè)試結(jié)論與誤差分析

　　通過(guò)以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，該儀表能夠?qū)崿F(xiàn)所有功能，并且其精度也較為理想，但在檔位切換的臨界值仍然存在明顯誤差，其原因是多方面造成的。

(1)運(yùn)放放大倍數(shù)不精確造成軟件處理上的誤差；
(2)負(fù)電壓輸出不精確造成運(yùn)放和AD736轉(zhuǎn)換精度下降；
(3)電阻檔恒流源輸出不精確造成電阻測(cè)量有誤差。

　　6結(jié)語(yǔ)

　　該系統(tǒng)由于采用了MSP430單片機(jī)作為A／D和控制中心，所以很輕松的實(shí)現(xiàn)了普通數(shù)字萬(wàn)用表的所有基本功能，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的功能，相比市場(chǎng)上的同類產(chǎn)品還是有很大優(yōu)勢(shì)的。