多功能測試儀表的設計

隨著社會的發展，電子儀表的普及，原先大體積、高功耗功能單一的儀表已經逐步向手持低功耗多用途儀表發展，而TI就是低功耗芯片設計制造的佼佼者，該產品就是一款基于TI的MSP430單片機集低功耗、低成本、高精度、多功能、超便攜于一身的新型數字儀表。它不僅集成了一般的數字萬用表的基本功能，還具有簡單的圖形顯示功能，能夠對較低頻率的波形進行時時測量及波形顯示功能，方便工程師在實際中的使用，市場前景十分樂觀。

　　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200kS／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0V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9V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0Ω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0V，同時峰值小于200mV，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3．3V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1／1000比例分壓，設定最高可測量電壓為200V，實際最高可測電壓為330V，當電壓高于250V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0．2A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(ELECTROSTATICDISCHARGE)保護模塊。

　　3軟件的實現

　　軟件流程圖見圖2。

　　4測試數據

　　部分測試數據見表1～表3。

　　5測試結論與誤差分析

　　通過以上測試數據可以看出，該儀表能夠實現所有功能，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)運放放大倍數不精確造成軟件處理上的誤差；
(2)負電壓輸出不精確造成運放和AD736轉換精度下降；
(3)電阻檔恒流源輸出不精確造成電阻測量有誤差。

　　6結語

　　該系統由于采用了MSP430單片機作為A／D和控制中心，所以很輕松的實現了普通數字萬用表的所有基本功能，以較低的成本實現了較強的功能，相比市場上的同類產品還是有很大優勢的。