一种高精度电压测量表设计

摘要：提出了一种高精度的电压测量表的设计方案。高精度电压测量的关键在于数/模转换部分，它直接影响系统测量的精度和分辨率。文中使用分立元件构成多斜式积分型数/模转换器，并以ARM芯片STM32F103为核心微控制器，采用软硬件结合的方式实现10ppm的高精度的直流电压测量表的设计。设计的电压表可以实现量程自动切换，最大测量直流电压为10V。电压表同时具备和上位机串口通信的功能。

关键词：电压测量 积分型模数转换器 高精度 STM32

中图分类号：TQ2；TP301 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）05-0158-02

1 系统整体设计

1.1 工程背景

电压测量是电子测试领域不可缺少的一部分，随着电子技术和测量技术的快速发展，我们对电压测量的精度和功能的要求也越来越高[1-3]。传统的电压测量分为两类：高精度（低量程）和普通型（高量程）[4]，其中高精度电压测量具有设计成本高和技术难度相对较大的特点。目前市场上的高精度电压测量表多为安捷伦、泰克[5]等国外公司设计和生产，而国内的产品则相对较少。而随着电子技术的发展，以及高性能微控制器和超大规模的集成电路的面世，使得低成本、高精度电压测量成为可能。本文基于ARM微处理器为核心，同时利用分离元器件设计了多斜式积分型模/数（A/D）转换器，在此基础上充分利用软硬件结合的技术，设计了一种高精度、低成本的电压测量表。

1.2 系统总体设计

系统的整体结构框图如（图1）所示。系统由输入信号通道选择模块，量程自动切换控制模块，积分器模块，过压保护模块，基准电压模块，微控制器模块，指示模块，时钟复位模块，程序下载接口模块和通信接口模块等若干功能模块组成。其中基准参考电压模块，积分器模块，过压保护模块和微控制器中内置A/D构成本系统中的A/D转换模块。为达到设计要求，本研究不采用集成的专用IC而是通过独立元器件的方式来设计多斜式积分电路，从而达到高精度电压测量的要求。

2 系统硬件设计

本设计以STM32F103以下简称STM32）微控制器为控制核心，电路图如图2所示。系统具有零校准功能，输入通道选择模块由LF356M，电阻网络和双4通道高性能CMOS模拟多路复用器DG409DY构成。STM32控制DG409DY的选择端来控制开关相应的通路，它含有有零校准通道，预充电通道，待测电压通道三部分。量程自动切换模块是由精密电阻，仪用放大器OP140AID和双4通道高性能CMOS模拟多路复用器DG409DY构成，同样由STM32控制DG409DY，进而来选择相应的的增益，从而实现档位的切换。三通道档位依次为10V、1V和100mV档。A/D转换模块是由多斜式积分器和STM32内置的12位逐次逼近型A/D转换器，参考电压模块以及一些保护电路组成。多斜式积分器是本A/D转换模块的核心部分，它是由高精度电阻网络和三单刀双掷CMOS开关ADG733BRU构成，其中参考电压模块是由高稳定型LM399H，高精密运放OP07D和电阻网路构成，来提供±10V左右的参考电压（此部分的电压需要用高精度的仪器来测量和校准），STM32控制开关芯片ADG733BRU一次选正负参考电压开关，使其交替地对积分电容进行充放电。利用电荷平衡原理，控制开关的导通时间，使积分器输出电压控制一个可接受的正常的电压范围内，这样可以使得其不至于饱和导致而电压测量不准确。通信模块是由4-PIN接插件，2个光耦芯片6N137，1个反相器SN74LV1G14DBV芯片和电阻组成。此部分巧妙地去除了串口芯片而使用USB通信接口，方便实现了和上位机的串口通信。本系统中的电源部分采用外部稳定电压源，±18V，用于运放供电，5V通过SGM2007-3.3XN5芯片产生3.3V用于STM32和一些数字芯片供电。

3 系统软件设计

本研究的软件设计方案分为两部分，一部分是上位机软件设计，用于接收下位机发送的电压测量结果并显示。另一部分是下位机嵌入式软件设计，是本设计的核心部分，它负责整个系统的运行控制、数据处理和A/D转换功能等。下位机软件采用C语言编程，主要由主程序，量程自动切换子程序，外部中断子程序，AD转换完成中断子程序，串口接收中断子程序和PWM调整子程序等组成。

主程序流程图如（图3）所示，主程序中采用软件滤波，算法采用均值算法，从而保证测量结果的准确性。系统上电后默认在零电压通道和100mV量程档。主程序测量完成后主动进行数据初始化，这样避免了因为程序出错而引起的测量错误。

量程自动切换流程图如图4所示，此模块设计的指导思路是首先根据档位进行电压比较，进而选择最佳的量程。为了避免待测电压微小的变化而引起的档位的频繁切换，量程划分原则如下：不低于该量程最低电压的105%和不超过该量程最高电压的120%，本系统共有10V、1V、100mV档，其中10V判断范围为1.05V～12V，1V档的判断范围为0.105V～1.2V，100mV判断范围为不超过0.12V，量程划分允许有重叠部分，这样可以有效的防止由于待测电压微小变化而引起的量程频繁切换。

PWM调整子程序的工作原理及过程如（图5）所示，PWM调整子程序的主要作用是PWM占空比调整，进而起到调整积分器输出电压波形的目的。由PWM输出信号经过反相器触发外部中断，从而控制STM的A/D的开始转换功能。A/D转换结束后中断函数的主要功能是负责读取A/D转换值和PWM占空比值，和为下次的A/D转换作PWM调整（通过调用PWM子程序），使得积分器输出电压在可接受的电压范围内波动，不超出上下积分电压范围以及引起通道开关的切换。

4 工程测试结果

在完成系统软硬件调试和校准的情况下，对本设计的高精度电压测量表进行了测试。测试温度为室温，湿度为60%，实验室常用直流稳压电源输出电压作为测试对象，安捷伦34410A被作为测试的参考标准。测试结果如（表1）所示。

从测试结果的对比中可以看出，本文中设计的电压表可以到达高精度测试结果。

5 结语

本论文采用软硬结合的方案，硬件部分以STM32为控制核心，配合多斜式积分器，达到对被测量电压的10ppm精度的测量。设计的电压测量表具有量程自动切换功能，测量的结果可以通过USB转串口线发送至PC机上位机。与传统的电路相比，本设计没有采用专用的高精度A/D转换器，而是通过设计电路来构成A/D转换电路来达到高精度的电压测量，这样可以大大地降低成本，增加产品的设计灵活性和市场竞争力。

参考文献

[1]林玉池.测量控制与仪器仪表前沿技术及发展趋势[M].天津：天津大学出版社，2005.

[2]唐慧强，黄惟一，刘少强.7-1/2位A/D转换器的研制[J].仪器仪表学报，2003，24（6）：601-604.

[3]王伟，刘晓平.高精度数字电压表方案设计[J].仪表技术，2007（4）： 36-38.

[4]秦益霖，宋依青.基于FPGA的高精度全量程电压测量系统设计及实现.常州信息职业技术学院学报，2010年10月，第9卷第5期，16-19.

[5]刘璇.安捷伦推出全新源_测量单元B2900A系列_具备卓越的性能和宽电压-电流范围[J].国外电子测量技术，2011年30卷第5期，85-88.