基于stm32的数字化万用表校验仪开发研究报告

基于stm32的数字化万用表校验仪开发研究报告内容摘要：

R151KR161KR17NPNR19GNDVCC`C6ad4765u4BRoVCCC7125R20J2BJ2ad3DA210KR2150KR22GND1KR25`1KR22`GND10KR21`1KR26`J3BJTAG1R20`50KR251kRW2GND+C12500R114GNDVCC`1KR1111KR112C111TL431TL431 图 4 恒流源电路图 该方案有关计算： 设万用表内部电源为 Ucc，内部电阻为 R。 (Uccad6/2)/Io=R公式 1 (ad4/4)/Rx=Io 公式 2 Rx：电流采样电阻。 通过公式 公式 2 的出 R，然后通过与 R 的标准组织进行比较，然后将 R的误差值转换到格挡的输出中，根据万用表误差等级计算万用表各档的所允许的测量误差得出最大误差测量电阻值，将 R的误差与测量最大误差进行比较得出万用表的自身误差值，进而是实现校验。 电流档电路设计 电流 档的任务是当输出端构成封闭回路时，电路能够提过一个稳定的电流源。 此电流源在一定情况下，不会因为输出端口外接的电路变化而变化。 方案分析 方案一：通过设计程控电压源经过电阻网络的够成一定量的电流值输出。 电基于 STM32的数字化万用表校验仪开发 第 9 页 阻网络的各支路的电阻值是恒定的，电流大小通过调节程控电压源电压值的大小来调节。 电路结构简单，作为简单的电流输出，配上输出采集特性完全可以很好。 但是由于并不是恒流源，所以输出并不能表现出良好的恒流特性，而是会以为外接电流表内阻的大小变化而使输出发生变化。 所以此方案不太实用与固定点式的校验。 方案二： 通过三极管恒流源电路设计可控恒流源电路，采用开环增益大的运放作为闭环控制，减小由于三级管的非线性误差。 由于此电路依然是电压控制输出，所以可以通过软件控制数 /模来实现输出电流的控制。 由于输出电流较小，所以采用线性恒流源。 虽然仍有较大的功率损耗，但是基本能够保证输出稳定在一定范围内。 如图 5 所示： 12348OP1A765OP1BR3`R4`10KR310KR410R5R625R71R82wVCCGNDC13Io +Io 30KR1510KR14R16GNDVCCC12GNDI1 I2 I3ad1Q11R92w100uHL6100uHL5X0 图 5 线性恒流源电路 方案三：制作高效率开关恒流源，进而减小功率损耗，提高电路的稳定性。 不过需要考虑 EMC 对电路的信噪比的影响。 （还未论证） 电流档恒流源设计 一、需要考虑问题 、 最小值 二、具体 思路 校验仪电流档，是输出基准电流的。 并且，输出电流不能根据所接负载的大基于 STM32的数字化万用表校验仪开发 第 10 页 小变化而变化。 因此，需要保证，恒流源最大极限负载。 根据恒流源的供电电压，和最大输出电流确定。 其中，供电电压需要分为，采样电压、功率管工作压降、负载压降。 调节采样电阻，进而改变输出电流，根据 I=U/。 方案原理说明及有关计算 OP1A 的反馈网络 运算放大器 OP1A 的反馈网络由 R R Q1发射结构成，图 5电路中 X0端口作为输入， Q1 的发射极作为输出，而电源电压为恒定值， Q1 的发射极电压变化时， R6（ R R8//R9）上面就会有一定的压差，这部分压差和 R6（ R R8//R9）造成的电流值经过三极管的 C、 E流出。 设电源电压为 Vcc Io=(VCCX0)/Rx Rx: R R R8//R9 测量电路时通过采样电阻上的电压值获得。 恒流源的供电电压小于预算放大器的供电电压，能够实现放大电路输出最大电压值大于恒流源电源电压。 这样根据以上电路输出的公式，得知 VCC 减去运放电路输出电压值，就是控制恒流 源的主要电压值，当运放输出为 VCC时，电路输出电流为 0. 采集电路不再采用单一的电压缓冲器，而是通过 4倍的放大来获取输出电流经采样地组的电压。 由于在模数采集前已经对对象进行放大，然后只需数据处理时对数据进行缩小即可。 正是由于将这个信号进行了放大处理，那么 CPU采集后的可以对不稳定和不准确的数据进行排除（原理同过采样），所以可以极大的提高分辨率。 电压档电路设计 电压档的任务输出工频交流电压 0～ 500v（有效值），直流电压 0～ 500v，且基于 STM32的数字化万用表校验仪开发 第 11 页 输出电压值任意可调，兼顾设点输出。 方案分析 方案一：用正弦波逆变电源，通过软件控制器输出，电压档同时兼顾作为电源输出使用。 问题是电路结构复杂，技术难度大。 方案二：通过单片机输出工频正弦波，然后经过可控增益放大电路和功率放大电路，带动升压变压器最后同时可以转换为直流电路输出。 此方案相比直线容易实现，且输出稳定。 对于转换为直流后，由于转换到高压的直流方法采用整流滤波的方法，所以在直流电压从高压降到低压时依旧存在降压时间慢的问题。 电路如图 6 所示： DA201 是由 STM32 提供的 的电压，通过电阻衰减后，稳定在 左右，然后通过放大 器、电压控制增益放大器 VCA8然后经过缓冲器接入功放电路LM1875输出，最终输出能够达到有 0～ 12v（有效值）。 其中需要注意的就是 VCA810的使用，由于此放大器是开环放大，所以由于增益大小对控制电压很灵敏，对电压控制端的输出通道的干净程度要求很高（此部分可以根据 VCA810datasheet 上说明的来做），控制端 Vc。 后面功放电路需要注意的就是电源电压和功率，电源电压在双 25v 之内就可以，由在这里我们采用标称值双 的环形变压器作为供电变压器。 另外采用 TL431 设计正负基准源，保证 VCA810 的偏置电压的稳定。 基于 STM32的数字化万用表校验仪开发 第 12 页 30R20110KR20250R2101KR2081KR2091KR21350R214581+VS6VS73322U203R204+5V 5VGND1ufC209R20730ufC217GNDPVCCPVEE+REFREF10uHL20510uHL206C213 C214C216GNDGND1122P2021122P2O3100uHL201GNDC211C212D209 D210+5V 5VH1散热 110KR2031KR2051KR206GND+REFREF+5VC204C205GNDGND10uHL20310uHL20447ufC2011ufC2021ufC2101ufC2071ufC20810KR21510KR2165KR217+5V5VGND1000uFC2031000uFC2061122P2052PIN+IN1IN2VEE3out4VCC5U206GNDC220GND GND1uFC2221uFC224C225C223GNDGNDGNDC2215VQ202PUT5kR2275VG1K2A3Q201PUT5kR226GND+5V+REF REFGNDD26G24S23D25Q204B1uFC2261uFC22722KR2181MR2191KR22010KR22124KR22324KR224870R222870R22512KR2513KR252GNDDA202DA201D1333446655D307B1KR253D1412348U201A765U201B12348U202A765U202BQ20730R201` 图 6 信号可控放大电路基于 STM32的数字化万用表校验仪开发 第 13 页 关于 VCA810的压控放大器的说明  高增益的调整范围 : 177。 40dB  差分输入 /单端输出  输入噪声电压 : 稳定的增益带宽： 35MHz  高分贝增益线性 : 177。  增益控制带宽 : 25MHz  低产出的直流误差 : 177。 40mV  高输出电流：177。 60mA  低电源电流 :(最多温度范围 40℃到 + 85℃）  供给电压177。 5V、 VCA810 增益控制电压在 0V 时为 40dB，在 2V 为 + 40dB。 增 加地面控制电 压将衰减信号 80dB。 信号带宽和压摆率保持在整个增益调节范围内保持恒定。 这 40db/ V 增制在177。 （最高误差范围177。 ），让应用程序在一个 AGC 增益控制电压精确到作为接收信号强度指示器（ RSSI）的使用精度为177。  出色的共模抑制和两个高阻抗输入的共模输入范围允许 VCA810 提供一个增 益调节差分接收器的操作。 输出信号是相对于地面。 零差分输入电压提供了一个带有小的直流偏移误差 0V 输出。 低输入噪声电压，确保在最高增益设置好输出信噪比。  在应用脉冲边缘信息是至关重要的，正在使用的 VCA810 变信道损失，以平 衡，最小增益设置的变动将在留住优秀延迟脉冲的边缘信息。  一种改进的输出级提供了足够的输出电流来驱动最苛刻的负载。 而主要用于 驱动模拟到数字转换器（ ADC）或第二级放大器，177。 60mA 的输出电流将轻松驱动双端 50Ω或被动后在177。 的输出电压范围筛选阶段。 基于 STM32的数字化万用表校验仪开发 第 14 页 VCA810 输出幅频特性与电压增益控制关联图 VCA810 的输出电流最大只有 30mA，另外由于 VCA810 的开环增益是很大的受噪声影响也很明显，所以在输出端有一个 50 欧姆的电阻作为滤波用，如果将这个电阻去掉之后，电路不会正常工作的。 而另一方面由于输出电路过小导致其和后级功放电路连接的时候不能够驱动功放电路，所以我们做了一个电压跟随器来驱动功放电路。 现在看来，从 810 驱动功放（匹配问题） 更换电阻（本质问题不能解决 810 的驱动能力） 出现问题调试 2 个小时（调试功放、测试电路）换回电阻（记错电阻值） 增加跟随器（解决本质问题） 升压调试正常。 电压档测量电路 此电路包含直流电压档的整流滤波电路，和直流放电电路。 通过隔离器件切换交流电压档和直流电 压档，同时由同一电阻分压网络和缓冲器构成放电压采集电路。 直流电压采集直接通过 CPU 进行电压测量，交流电压测量则是通过 CPU跟随采集，获取最大值进而计算出有效值。 此电路的采集电路时可以改进的，比如交流档，如果采集交流电压时。