CW32L012电压电流表设计思路

CW32L012C8T6 定位为电机控制、电源管理、智能仪表、工业传感器等领域的高性价比解决方案，尤其适合需要高精度模拟信号处理 + 复杂数字控制的混合信号系统，ARM Cortex-M0+ 内核：主频高达96MHz，提供高效运算能力，兼顾性能与功耗平衡。

单芯片完整混合信号处理能力，无需额外模拟芯片：

外设类型	核心规格	应用价值
双 12 位 ADC	2 路独立 ADC，支持多通道采样、序列扫描、外部触发	精准信号采集，适配传感器、计量等场景
双 12 位 DAC	2 路独立 DAC，输出精度高	模拟信号生成，用于闭环控制、信号调理
双路轨到轨 OPA	内置 2 路运算放大器，增益带宽高	简化信号调理电路，降低 BOM 成本
模拟比较器 (VC)	多通道比较，支持中断触发	过流 / 过压保护、阈值检测
电压检测 (LVD)	可编程电压阈值	电源监控，保障系统稳定运行

这篇文章以及系列文章就是介绍使用这款芯片的模拟外设，尽可能减少外围电路，使用少量的外围器件，以极低的成本设计出一款智能万用表，实现精度高，功能全，成本低 ，智能化的万用表。

首先我们来到电压电流表的第一部分，就是直流电压表的设计，整体采用“电压采集→信号调理→模数转换→数据处理→显示输出”的模块化架构，有核心功能均通过CW32L012C8T6的特设外设实现，无需外接复杂模拟电路。其中，信号调理依托芯片内置OPA，模数转换依靠双12位ADC，数据处理由Cortex-M0+内核配合硬件加速单元完成，显示输出通过芯片通信外设驱动，电源管理借助LVD电压检测与低功耗模式（如果有需要），因为我本次是使用的官方开发板来实验的，所以并未使用电源管理。这样形成完整的电压测量闭环，简化电路设计并降低BOM成本。

电压采集与信号调理模块（核心依托：双路轨到轨OPA），MCU电源供电采用的是3.3V，那么OPA的正向输入电压最高为3.3V，那么待测的电压就是0-3.3V，这显然是不符合电压表的测量量程的，电压表能测量大范围的电压其实是依靠电阻分压完成的，将大电压通过分压比合理分压到3.3V以内，再通过OPA的正向输入，在软件中通过分压比进行计算就能得到准确的电压，这就是大电压的测量，在这里将大电压已经合理分压到3.3V以内了，为什么还需要通过OPA的正向输入？这就需要给大家介绍OPA的三种模式了：

内部程控放大模式

原理：利用CW32L012C8T6 OPA内置的可编程增益放大器（PGA），无需外接反馈/输入电阻，通过芯片寄存器配置增益，输入信号接入OPA同相/反相端，输出经内部反馈回路形成闭环，实现信号放大，属于芯片内置增益调节模式。

优点：1. 无需外接电阻，简化硬件电路、降低BOM成本，缩小PCB体积；2. 增益通过寄存器程控配置，调节便捷，无需改动硬件；3. 依托芯片OPA校准功能，失调电压小，放大精度高；4. 适配芯片低功耗特性，程控调节时不增加额外功耗。

缺点：1. 增益范围受芯片PGA限制（如固定几档增益），无法实现任意增益调节；2. 仅支持放大功能，无法实现信号衰减；3. 对输入信号幅度有要求，超出范围易出现饱和失真，需提前预处理。

电压跟随器模式

原理：属于芯片OPA内置闭环模式，无需外接任何电阻，将OPA输出端直接反馈至反相输入端，同相输入端接入输入信号，闭环增益恒为1，仅实现信号的缓冲与隔离，无放大/衰减功能，是内部程控放大模式的特殊增益（增益=1）情况。

优点：

1. 电路最简单，无需外接任何元器件，最大程度简化设计；

2. 输入阻抗极高（MΩ~TΩ级），输出阻抗极低，有效隔离前级与后级，避免后级负载影响前级信号；

3. 信号无相位失真、无幅度失真，传输延迟小，响应速度快；

4. 适配芯片轨到轨输入输出特性，信号幅度可接近电源电压范围。

缺点：

1. 无任何放大/衰减能力，仅能做信号缓冲，无法调理信号幅度；

2. 抗干扰能力弱，无增益带来的干扰抑制效果，易受环境噪声影响；

3. 输出电压完全跟随输入电压，无法拓展信号动态范围。

外部独立运放模式

原理：将芯片OPA作为独立运放使用，脱离内置PGA，通过外接输入电阻、反馈电阻等元器件，自主配置成同相放大、反相放大等组态，增益、反馈方式完全由外部电路决定，芯片仅提供OPA核心放大单元。

优点：

1. 灵活性极高，可根据需求配置任意增益（放大/衰减）、任意反馈组态；

2. 不受芯片PGA增益范围限制，适配不同幅度、不同类型的信号调理需求；

3. 可通过外接高精度电阻、滤波元器件，进一步提升信号调理精度和抗干扰能力；

4. 适配复杂场景，可与外部电路联动，实现定制化信号处理。

缺点：

1. 需外接电阻、电容等元器件，增加硬件复杂度和BOM成本；

2. 调试难度增加，需匹配外部元器件参数，避免自激、失真；

3. 外接元器件的精度、温漂会影响OPA整体性能，需选用高品质元器件；

4. 相比内部模式，功耗略有增加（受外接电路影响）。

其实这就是用到了电压跟随器模式，做前后级隔离，减少干扰的。

如果是特别小的电压，比如只有几个mV的电压，直接使用ADC进行测量是测量不到这么微小的电压的，那么我们就需要将微弱的电压放大到ADC可以测量的范围，再通过软件计算除以相应的放大的倍数，就可以测量到这个微弱电压，这款OPA可以放大的倍数为2，4，8，16，32，我使用的是低于10mV的电压就放大8倍进行测量，10mV以上的电压就通过软件切换到电压跟随器模式。

模数转换模块（核心依托：双12位ADC），正常的配置是选用其中一路ADC作为主采样通道，另一路选用参考电压芯片内置1.2V基准源（BGR1p2），配置为双通道连续采样模式，主采样通道接入OPA输出，这样就能获得OPA调理以后的数据，我一开始也是这样设计的，但是经过实验使用BGR作为参考电压是会放大误差的，因为BGR内部电压会有噪声波动，ADC采集数据也会有2个单位左右的波动，参考源加上ADC的双重波动，在测量mV级电压误差极大，而且这种误差是随机的，不可控，所以我们需要固定的参考源，最好是一个固定的参考源，这就需要引入对ADC进行标定的概念，我们用外出电压表测量出准确的接入芯片的电源电压，比如我测到的电源电压为3.296V，那么在软件中12位ADC的4095个单位，对应的参考值就是一个固定的3.296V，ADC的配置也只需要配置为单通道连续采样了，这样我们就获得了一个稳定的参考源，但是这种方法的弊端就是，采用不同的电压管理就需要对芯片的电源进行标定一次，记录到芯片的FLASH中，接着可以在软件中使用取极值平均滤波尽可能的消除ADC的抖动，这样可以获得一个较稳定的原始数据，通过对原始数据的转换，获得了一个准确的电压值，最后通过大量的数据验证，使用我们这款芯片测量电压，和使用准确的电压表测量电压，通过表格做一个数据的对比，找到ADC的偏差值，这个误差是系统误差，可以消除。

数据处理模块（核心依托：Cortex-M0+内核+硬件加速单元），利用EAU扩展算术运算单元，优化除法、乘法等数学运算，减轻CPU负担，提升数据处理速度；如果电压表不能实现自动切换挡位，就不能叫智能电压表，在软件中，默认时刻都需要切换到最大量程的范围，最大分压比得到的电压太小就切换到更小的分压比，通过软件判断测量值的大小，逐步切换到不使用分压比，极小的电压信号就切换到OPA的程控放大模式，这样就实现的挡位的自动切换，最后将测量到的数据通过I2C,SPI通讯发生到显示屏上显示。

审核编辑 黄宇