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全国大学生电子竞赛优秀获奖论文(山东赛区)
低功耗数字多功能表的设计制作摘要：本设计能够测量电阻、电容、晶体三极管β值、直流电压、交流电压，测量精度基本满足题目要求。系统由9V电池方供电，实现“自动关机”功能，实现了低功耗要求。以TPS54331、LM1117、MAX766调节供电电压；TL431与OP07组合的恒流源测量电阻；NE555定时器组成的多谐振荡器测量电容；AD637真有效值转换芯片将交流电压信号转换成直流电压测量；AD9850 DDS模块实现正弦波的输出；TLV2372组成的恒流源测量晶体三极管β值；自锁开关运用数模转换原理与AD配合实现硬件电路与软件程序的同步转换。 关键词：数字多功能表，MSP430G2553，低功耗 Abstract: This design can be used to measure the resistor, capacitor, crystal triode beta value, dc voltage and ac voltage, measurement precision meet the topic request. System consists of 9 v battery power supply, realize the automatic shutdown function, realized the low power requirements. The TL431 and OP07 combination of the constant current source
Using NE555 timer composed of many association oscillator m Using AD637 true effective value conversion chip will ac voltage signal into dc The AD9850 DDS module impleme With a constant current source combined by LM358 measuring crystal triode beta value. The latching switch use d/a conversion principle and AD fit to realize the hardware circuit and software program synchronous switching.Key words : Digital Multimeter，MSP430G2553，Low Power 1 一、 方案论证与比较1. 电源模块电源采用9V方电池供电。正电源电压调节采用TPS54331，其中产生的7v电源给运算放大器等外围电路供电，5v电源经LM1117降至3.3V后给单片机供电；负电源电压采用MAX766调节至-7V。器件满足低功耗要求。2．按键模块采用自锁开关。自锁开关可分布在测量电路中，控制方便，配合AD加以简单的电路，可以令单片机自动分辨，实现了硬件电路与软件程序转换的协调统一。机械开关无功耗，而且本设计中的自锁开关可以不占用IO口，因此采用此方法。3．显示模块采用12864液晶显示。可以支持串行输入，占口较少（2个）。部分12864也支持低电压（+3.3v）供电，功耗低，可以提供较好的人机交互界面。4．直流电压测量模块直流电压在一定范围内可以直接用AD测出。小信号放大、大信号缩小至AD可精确测量的范围即可。信号调幅电路采用常用的运算放大器电路。调幅后加电压跟随器，使信号可以被稳定地测量。5．交流电压测量模块交流整形电路法。采用AD637集成真有效值转换芯片，把交流电压信号转换为直流电压信号，再对直流电压进行测量。这种方案可以与直流信号共用一个调幅电路，简化了电路结构，AD637响应速度快，失真度小，工作稳定可靠。6．电阻测量模块方案一：恒流源测量法。以TL431与运算放大器组合成的恒流源电路结构简单，在本设计要求最大档为20K的情况下有较高的测量精度，可以满足设计要求。 方案二：内部比较器实现电阻测量。该方法结构简单，是本设计最初选择的方案。但是在实际的调试过程中我们发现，定时器的捕获值受程序自身结构的影响较大，影响了该方法的稳定性。综合考虑我们选择了方案一。7．电容测量模块采用555定时器构建的多谐振荡器测电容，根据测量出的周期根据公式即可计算出电容的大小。此方案原理简单，易于实现，且测量精度满足要求。8．晶体三极管β测量模块在三极管基极用恒流源输入恒定电流，在集电极处放置合适大小的电阻，根据其两端的电压可测出电流值，进而计算出β值。9．正弦波信号产生模块2 采用AD9850 DDS模块。该模块集成度很高，无需外围电路，只需几个接口就可做到输出频率的程序控制，操作简便，且精度较高。调节滑阻也能实现幅值调节，因此我们采用此法。二、 电路与程序设计1. 电路设计（1） 系统框图
图1 系统框图采用MSP430G2553做中央处理器，自锁开关的变化实时通过AD传输到单片机中，以调用与选中的硬件测量电路对应的软件测量程序。单片机还可以对采集的数据进行后期处理以减小测量误差，同时可以控制LCD12864的显示。低功耗模式下，单片机通过控制DC―DC芯片使能端可切断测量模块、显示模块的供电。（2）直流供电系统TPS54331电路原理图如下：
图2 TPS54331电路原理图实际电路中，调节R5、R6即可调整输出电压。调节R5至10k,R6=（R5*Vref）/(Vout-Vref).(Vref=0.8V),经计算分别调节R6至2k与1.3K，可得+5V与+7V恒压源。（为使输出电压更精确，可采用5K滑阻调节） MAX766电路原理图如下： 3 图3 MAX766电路原理图4口Vref=1.5v，令R2=150k,R1=700k,可调节Vout至-7V。（3）交流电压测量电路设计交流电压测量真有效值的转换电路是测量交流电压的关键部分，在本次设计中我们通过选择采用AD637来实现交流信号到直流量的转变，电路如下图所示。
图4 AD637转换电路图（4）其他测量电路电容、电阻、三极管、直流电压的测量电路由于结构、原理简单，不再赘述。 正弦波采用DDS模块，因此无需外围电路。（5）自锁开关AD检测电路自锁开关具有两路相互独立的引脚，每路3个。我们利用其中一路控制测量电路的开关、换挡，利用另一路按照下图的原理构建。如图，由于R2、R3、R4等电阻阻值不同，当有不同的按键按下时，电阻两端的分压会不同，下端作为电压值的输出用AD采集即可实现硬件测量电路与软件测量程序的同步转换。4
图5 自锁开关电路2. 软件设计主程序流程图如图所示：
图6 程序流程图自动关机程序与低功耗的实现：1 分钟内若无任何键按下，则系统进入低功耗状态。1 分钟定时是通过定时器中断计数实现的，计数器变量是全局变量。当用户按下任一自锁开关后，在主程序中对该计数器清零使系统维持在正常模式。结合本设计思路，在低功耗模式下仍然需要给测量自锁开关模块电压的AD供电，并未做到完全的“关机”，可看作“休眠”状态。本设计另设“Hold”键，与常用的万用表“Hold”键功能相同，且按下可暂时关闭测量模块供电系统。“Hold”键还可以调节正弦波频率。三、 系统测试1. 测试工具手持电桥，3 1/2位便携式数字万用表，安捷伦示波器，函数发生器。2. 测试结果及分析5
表1 直流电压测量数据
表2 交流电压测量数据
表3 电阻测量数据 表4 电容测量数据
表5 晶体三极管β值测量数据
误差分析：所有的结果均依靠AD的测量，因此AD的精度是误差来源之一。另外环境温度的改变也会对AD造成一定的影响。电压跟随器以及其他的运放均受限于电路中标准电阻的精度，会产生误差。从电阻测量的数据中我们看出，当6 测量阻值接近档位量程时误差较大，说明本设计采用的恒流源电路会受到在负载端的电压值的影响。晶体三极管β值误差较大，可能跟三极管的性能、恒流源的准确性有关。小电容较难测准，可能与线与线之间的电容效应有关。改进措施：采用高精度的AD与运放；将基准电阻换为电阻与滑阻的组合以补偿误差；调节参数使器件工作在线性区；对于有明显规律的误差（如测试结果有同一个偏移量），可以采取后期软件补偿的方法。四、 总结本设计结构简明，性能良好，各项测量指标基本达到题目要求。灵活地运用自锁开关使得操作更加方便。换挡全部以更改基准电阻的形式实现，简化了电路结构。尽可能的使用了低功耗器件，并实现了“自动关机”功能，做到了低功耗的要求。7
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ad637有效值检测电路
来源：网络整理 作者：日 10:38
[导读] 检测交流信号的有效值并以直流信号输出。设计要求尽量提高精确度，减小频率的影响。工作电压为正负5V的双电源，能够实现各种波形的真有效值检测，但高频率信号和小信号（小于20mv）的检测没能实现。当输入频率低于1KHz的正弦波时输出的还是正弦波而不是一条直线，且输出波形的频率为信号源的两倍！
　　有效值检测设计总结
　　一、模块设计要求：
　　检测交流信号的有效值并以直流信号输出。设计要求尽量提高精确度，减小频率的影响。
　　二、模块完成情况：
　　工作电压为正负5V的双电源，能够实现各种波形的真有效值检测，但高频率信号和小信号（小于20mv）的检测没能实现。当输入频率低于1KHz的正弦波时输出的还是正弦波而不是一条直线，且输出波形的频率为信号源的两倍！
　　三、模块涉及的理论知识：
　　根据有效值的定义，在一个信号周期内，通过某纯阻负载所产生的热最与一个直流电压在同一负载上产生的热量相等时，该直流电压的数值就是交流电压的有效值。数学表达式如下所示：
　　式中的T是交流信号的周期，u（t）为电压。根据定义它是被测量的均方根值。一般对有效值的测量时利用二极管的单向导电性，构成整流电路，如半波整流、全波整流、桥式整流等，将交流信号整流成直流信号，再通过电容或电感滤波，最终得到的是平均值形式，根据平均值与有效值确定的系数关系，通过平均值将有效值表示出来。（系数关系如下表）
　　事实上无论是半波整流、全波整流、还是桥式整流，他们的整流精度都不高所转换后的有效值误差很大。因为而二级管的非线性回产生很大的误差，而当小信号的时候，因输入信号小于二极管的门槛电压，电流基本过不去，其转换误差更严重。而当输入信号不是标准波形而是有失真的信号时也会产生误差。
　　检波电路
　　图为检波电路。差动变压器将位移量转换成电压信号，测量信号幅值或有效值再进行数据处理，便可得到相应的位移值。对于有效值的检测，选用真有效值测量芯片AD637实现。平均电容C1设定平均时间常数，并决定低频准确度，输出纹波大小和稳定时间。信号经放大后输入到AD637进行有效值检波，两电位器分别进行调零和调幅，以使AD637的输出更准确。
　　有效值检测模块
　　采用高精度、高带宽的真有效值检测器件AD637。输出直流约有0．1 V的波纹．对小信号的测量存在很大误差。系统有效值检测模块后接一级截止频率为10 Hz的低通滤波器，滤除直流信号的波纹。即使在最小的有效值，检测几乎没有误差。如图所示。
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