基于STM32的自动量程电压表的设计方案

　　方案中的整个系统可以用一块9V电池供电，实现了低功耗和便携功能。交流测量是用AD637真有效值转换芯片将交流信号转换成直流电压后测量；用带钳位保护的反向放大器进行输入电压转换，实现了10MΩ的输入阻抗和高安全性。电路中关键器件采用TI公司的精密运算放大器OPA07和仪表放大器INA128，实现了高精度的测量；ADC采用STM32f103ZET6片内自带的12位AD，实现了低功耗，量程自动切换功能。

　　0 引言

　　在智能仪器中，常常用到自动量程转换技术，这使得仪器在很短的时间内自动选取最合适的量程实现高精度的测量。自动量程的实现一般通过控制输入信号的衰减放大倍数实现，就电压表来说其输入测量电压会大于其AD 转换器的输入范围，所以它的量程切换基本上是信号衰减倍数切换的过程。

　　1.系统整体方案与工作原理

　　系统功能框图如图1所示。STM32F103ZET6处理器是本系统的核心器件，负责控制整个系统的正常工作，包括读取AD 转换后的结果及200mV 与2V 档位的控制；按键输入动作响应；段式液晶的驱动；量程自动转换控制等。

　　

　　输入的电压信号经过量程转换模块，变成可供ADC模拟输入端能正常进行采样的电压。交流电压测量模块的功能是将被测的交流电压转换成相应的RMS 值。按键输入的功能是切换各种不同的测量模式以及计算相对误差时进行数值输入。

　　2.系统硬件结构

　　（1）电源管理硬件电路

　　本系统具有低功耗模式，即在一定的时间内没有操作，系统在单片机的控制下自动切断一部分电路的工作电源。电源管理电路原理图如图2所示。

　　

　　电池的正极分成两路，第一路是直接接入到SPX1117的输入端，SPX1117是三端集成稳压芯片，其输出端输出恒定的3.3V，作单片机系统电源。另一路是经过三极管9012可以开关控制，本设计中在系统处于正常工作状态时，单片机控制口输出高电平，9011处于饱和状态，9012的基极电压与地电压相近，9012饱和，即处于导通状态。9V叠层电池的正极电压到达78L05 三端集成稳压芯片的输入端，其输出端输出稳定的+5V电压。-5V由负压电荷泵7660S 产生。当系统处于“低功耗”状态时，单片机控制口输出为低电平。9011处于截止状态，9012的基极电压为9V，也处于截止状态，模拟部分电源电压为零。而单片机将一直处于不同模式的工作状态。

　　（2）交流电压转换电路

　　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，其设计的好坏直接影响到交流电压信号的测量精度，在本次设计中我们通过比较选择采用AD637来实现交流信号到直流量的转变，电路如图3所示。

　　

　　AC_IN是交流电压输入端，DC_OUT端输出的是直流电压信号。输出直流电压的值是输入交流电压的真有效值。此电路完成了交流到直流的转换，实验测试时发现对于5000Hz 交流信号转换效果仍良好。

　　（3）量程转换电路

　　本系统量程转换采用单片机控制模拟开关和继电器实现，原理框图如图4所示。