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多功能测试仪表的设计

柴钰 曹海红 崔童?? 2009年11月27日 ?? 收藏0

  随着社会的发展,电子仪表的普及,原先大体积、高功耗功能单一的仪表已经逐步向手持低功耗多用途仪表发展,而TI就是低功耗芯片设计制造的佼佼者,该产品就是一款基于TI的MSP430单片机集低功耗、低成本、高精度、多功能、超便携于一身的新型数字仪表。它不仅集成了一般的数字万用表的基本功能,还具有简单的图形显示功能,能够对较低频率的波形进行时时测量及波形显示功能,方便工程师在实际中的使用,市场前景十分乐观。

  1结构设计

  该系统以美国TI公司的低功耗16位单片机MSP430F149为核心,外部由分压网络、电压采集网络、恒流源测电阻网络、测频网络、液晶和USB上位机通信网络组成。核心A/D选择MSP430单片机内部集成的高精度逐次逼近型12位A/D转换器,它可以在没有CPU干预的情况下进行16次独立采集并保存结果,转换速率大于200kS/s。工作时根据旋钮开关所在档位的不同,系统会自动控制继电器切换到相应档位等待测量开始,被测信号首先经过前级分压处理,而后由TL064运放将信号进行放大后给A/D,系统会根据A/D采集的结果进行量程的自动切换,直到合适为止。当选择交流档时相应继电器会跳转接人交流档电路,交流信号经过分压后一路进入由AD736构成的真有效值检测,另一路进入差分电路。该电路可以将波形整体抬高至0V以上,使得A/D能够采到完整的波形,最后通过液晶将被测量的数字及波形信息来行显示。如有需要,还可以将测量结果通过USB传送到电脑上保存。而整个系统仅需要一枚普通的9V电池进行供电,并具有低电量提示功能。系统结构图如图1所示。

系统结构图

  2方案的确定

  该设计系统采用TI的新型的低功耗16位单片机MSP430F149作为整个系统的控制器。其优点是实时性好,操作方便,功耗低,性能好。

  2.1自动量程的设计

  采用传统台式仪表所采用的继电器量程选择模式,利用单片机控制继电器的通断实现量程的自动切换。由于继电器在未导通时电路为断路,而在导通后基本可视为0Ω导通,两端无压降,也就是说继电器是一个电子控制的开关,而且由于继电器是机械结构,其稳定性比较高,因此可以作为理想的自动仪表控制设备。

  2.2电阻测量方案

  采用恒流源法测量被测电阻阻值。用LM334作为恒流源。此方案简单可靠,虽然恒流源输出可能会收到外界温度的影响,但考虑到一般仪表都是在室温下使用,故其输出电流随温度的误差基本可以忽略不计。

  2.3有效值检测电路

  该系统利用有效值检测专用芯片AD736对输入的交流有效值进行检测,该芯片使用方便原理简单,精度较高,成本低廉,比传统的分立器件测量效果要精确许多,实际测试中,误差比较小,结果较为理想。

  2.4波形测试网络

  作为多功能测试仪表,如何采集完整的波形信息将是示波的难点,采样波形。对此,仪表内部专门设计了差分输入电路,分压后的交流经过差分电路后可将交流波形整体进行放大,使其值大于0V,同时峰值小于200mV,这样一来,A/D可直接对输入信号进行采样,并通过液晶输出完整的采样波形。

  2.5电源模型的设计

  由于该系统供电系统较为复杂,既有3.3V的电源,又有5V的电源提供给继电器,还有9V电压直接给运放供电,所以供电模块的设计较为复杂。最终选用单片开关型稳压集成LM2576-5,其驱动能力较强自身功耗较其他开关型稳压芯片又不是很高,使用性能稳定,利于在实际中应用。

  2.6保护电路的设计

  该系统电压档最高采用1/1000比例分压,设定最高可测量电压为200V,实际最高可测电压为330V,当电压高于250V时,软件控制所有继电器断开,此时便起到了很好的保护作用。电流档采用0.2A熔断丝进行保护,无论过压还是过流,只要熔断丝烧断,仪表就将受到很好的保护。电阻档在输入级采用在芯片设计中常用的ESD(ELECTROSTATICDISCHARGE)保护模块。

  3软件的实现

  软件流程图见图2。

 软件流程图


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测试仪表? MSP430? TL064?

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