基于STM32的自動量程電壓表設計

方案中的整個系統(tǒng)可以用一塊9V電池供電，實現了低功耗和便攜功能。交流測量是用AD637真有效值轉換芯片將交流信號轉換成直流電壓后測量;用帶鉗位保護的反向放大器進行輸入電壓轉換，實現了10MΩ的輸入阻抗和高安全性。電路中關鍵器件采用TI公司的精密運算放大器OPA07和儀表放大器INA128,實現了高精度的測量;ADC采用STM32f103ZET6片內自帶的12位AD,實現了低功耗，量程自動切換功能。

0 引言

在智能儀器中，常常用到自動量程轉換技術，這使得儀器在很短的時間內自動選取最合適的量程實現高精度的測量。自動量程的實現一般通過控制輸入信號的衰減放大倍數實現，就電壓表來說其輸入測量電壓會大于其AD 轉換器的輸入范圍，所以它的量程切換基本上是信號衰減倍數切換的過程。

1.系統(tǒng)整體方案與工作原理

系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。STM32F103ZET6處理器是本系統(tǒng)的核心器件，負責控制整個系統(tǒng)的正常工作，包括讀取AD 轉換后的結果及200mV 與2V 檔位的控制;按鍵輸入動作響應;段式液晶的驅動;量程自動轉換控制等。

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。交流電壓測量模塊的功能是將被測的交流電壓轉換成相應的RMS 值。按鍵輸入的功能是切換各種不同的測量模式以及計算相對誤差時進行數值輸入。

2.系統(tǒng)硬件結構

(1)電源管理硬件電路

本系統(tǒng)具有低功耗模式，即在一定的時間內沒有操作，系統(tǒng)在單片機的控制下自動切斷一部分電路的工作電源。電源管理電路原理圖如圖2所示。

電池的正極分成兩路，第一路是直接接入到SPX1117的輸入端，SPX1117是三端集成穩(wěn)壓芯片，其輸出端輸出恒定的3.3V,作單片機系統(tǒng)電源。另一路是經過三極管9012可以開關控制，本設計中在系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，單片機控制口輸出高電平，9011處于飽和狀態(tài)，9012的基極電壓與地電壓相近，9012飽和，即處于導通狀態(tài)。9V疊層電池的正極電壓到達78L05 三端集成穩(wěn)壓芯片的輸入端，其輸出端輸出穩(wěn)定的+5V電壓。-5V由負壓電荷泵7660S 產生。當系統(tǒng)處于“低功耗”狀態(tài)時，單片機控制口輸出為低電平。9011處于截止狀態(tài)，9012的基極電壓為9V,也處于截止狀態(tài)，模擬部分電源電壓為零。而單片機將一直處于不同模式的工作狀態(tài)。

(2)交流電壓轉換電路

交流電壓測量真有效值的轉換電路是測量交流電壓的關鍵部分，其設計的好壞直接影響到交流電壓信號的測量精度，在本次設計中我們通過比較選擇采用AD637來實現交流信號到直流量的轉變，電路如圖3所示。

AC_IN是交流電壓輸入端，DC_OUT端輸出的是直流電壓信號。輸出直流電壓的值是輸入交流電壓的真有效值。此電路完成了交流到直流的轉換，實驗測試時發(fā)現對于5000Hz 交流信號轉換效果仍良好。

(3)量程轉換電路

本系統(tǒng)量程轉換采用單片機控制模擬開關和繼電器實現，原理框圖如圖4所示。