多功能测试仪表的设计

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200 kS／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0 V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9 V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。

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0 Ω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0 V，同时峰值小于200 mV，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3．3 V的电源，又有5 V的电源提供给继电器，还有9 V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1／1 000比例分压，设定最高可测量电压为200 V，实际最高可测电压为330 V，当电压高于250 V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0．2 A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(ELECTROSTATIC DISCHARGE)保护模块。

3 软件的实现
    软件流程图见图2。

4 测试数据
    部分测试数据见表1～表3。

5 测试结论与误差分析
    通过以上测试数据可以看出，该仪表能够实现所有功能，并且其精度也较为理想，但在档位切换的临界值仍然存在明显误差，其原因是多方面造成的。
    (1)运放放大倍数不精确造成软件处理上的误差；
    (2)负电压输出不精确造成运放和AD736转换精度下降；
    (3)电阻档恒流源输出不精确造成电阻测量有误差。

6 结 语
    该系统由于采用了MSP430单片机作为A／D和控制中心，所以很轻松的实现了普通数字万用表的所有基本功能，以较低的成本实现了较强的功能，相比市场上的同类产品还是有很大优势的。