自動(dòng)量程萬(wàn)用表設(shè)計(jì)方案

1、自動(dòng)量程萬(wàn)用表設(shè)計(jì)方案一、設(shè)計(jì)目標(biāo)：4 1/2萬(wàn)用表(19999), 最小分辨率6微伏，自動(dòng)選擇量程。二、功能設(shè)計(jì)要求（量程范圍）：直流電壓（DCV） 200 mV 2V 20V 200V 1000V交流電壓（ACV） 200mV 2V 20V 200V 700V直流電流（DCA） 2mA 20mA 200mA 20A交流電流（ACA）2mA 20mA 200mA電阻（OHM） 200 2K 20K 200K 2M20M三、主要芯片：MSP430FE42X四、操作方式：按鍵DCV按鍵，ACV按鍵，DCA按鍵，ACA按鍵，OHM按鍵五、原理框圖：五、測(cè)量原理：當(dāng)進(jìn)行AD測(cè)量時(shí)，MSP430FE4

2、2X可以選擇外部參考源，也可以選擇內(nèi)部參考源。這里在測(cè)量電壓和電流時(shí)，選擇內(nèi)部參考源1.25V，這樣，當(dāng)外部待測(cè)電壓為0.625V時(shí)，AD采樣值為65535，當(dāng)待測(cè)電壓為0.625時(shí)，AD采樣值為0。由于設(shè)計(jì)的最小量程為0.2V，故需要將其放大到0.625V，使其滿量程，然后根據(jù)顯示的位數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即020000對(duì)應(yīng)0-32767。實(shí)際的最小分辨率是0.2/32767V6微伏。當(dāng)待測(cè)電壓大于0.2V時(shí)，必須進(jìn)行分壓處理，一般采用10倍的分壓器，例如2V時(shí)降至0.2V等。電壓分壓器如圖1所示。圖1 電壓分壓器同樣，在測(cè)量電流時(shí)，也要進(jìn)行處理，使電流變?yōu)殡妷?，然后才能測(cè)量。電流的測(cè)量原理圖如圖2所示

3、。圖2 電流分壓器請(qǐng)注意，圖2中右邊的20A輸入是直接接入的，當(dāng)然也可以加上一個(gè)20A的保險(xiǎn)絲。以上是測(cè)量直流電壓或直流電流的情況，當(dāng)要測(cè)量交流電壓或交流電流時(shí)，必須進(jìn)行整流，整流電路如圖3所示。圖3 交流整流電路AC/DC轉(zhuǎn)換電路由同相放大器A1、整流管D2和D3、隔直電容C18和C19、平滑慮波器R22和C22等組成，R24是校準(zhǔn)電阻器。該電路可以得到輸入正弦波的有效值。D1用于減少非線性失真。 電阻的測(cè)量與電壓和電流的測(cè)量不同，原理圖如圖4所示。圖4電阻測(cè)量采用的是比例法，即當(dāng)流過(guò)待測(cè)電阻和參考電阻的電流相同時(shí)，Uin/Uref=Rx/Rref，根據(jù)FE42X的AD轉(zhuǎn)換特性，當(dāng)輸入電壓時(shí)

4、參考電壓的一半時(shí)滿量程，亦即當(dāng)待測(cè)電阻是參考電阻的一半時(shí)滿量程。故200歐姆檔的參考電阻是400歐姆，假設(shè)待測(cè)電阻是100歐姆，由于此時(shí)通過(guò)參考電阻和待測(cè)電阻的電壓是1.23V，所以參考電壓是1.23*（400/500）V，而輸入電壓是1.23*（100/500）,又當(dāng)輸入電壓是1.23*2/5時(shí)滿量程，故現(xiàn)在的AD值是滿量程的一半100歐姆。當(dāng)然，此時(shí)的AD是要經(jīng)過(guò)量程的轉(zhuǎn)換即020000對(duì)應(yīng)032767。 六、實(shí)際實(shí)現(xiàn)電路的簡(jiǎn)要分析：1、直流電壓測(cè)量：待測(cè)電壓通過(guò)分壓器，在各個(gè)分壓電阻上產(chǎn)生不同的電壓值，此時(shí)要根據(jù)待測(cè)電壓大小來(lái)確定輸入單片機(jī)的電壓，這里通過(guò)HC4051來(lái)對(duì)待測(cè)電壓進(jìn)行分壓

5、選擇。由于待測(cè)電壓可能高達(dá)1000V，因此選擇松下的PHOTORELAY（其輸入高達(dá)1000V）作為分壓的輸入端。當(dāng)選擇了合適的分壓電壓后，該電壓由TLV2211組成的放大電路進(jìn)行放大約3倍左右（使AD采樣滿量程），然后進(jìn)行量程轉(zhuǎn)換（020000對(duì)應(yīng)032767），便可以得到待測(cè)電壓值。2、交流電壓測(cè)量：交流電壓測(cè)量跟直流電壓測(cè)量共用一個(gè)分壓器，經(jīng)過(guò)分壓后，待測(cè)電壓由TLV2211組成的交流整流電路整流后再進(jìn)入放大電路進(jìn)行測(cè)量。3、直流電流測(cè)量：由于待測(cè)電流高達(dá)200mA，一般的模擬開(kāi)關(guān)可以通過(guò)的電流較小，故選用AQV201（40V時(shí)負(fù)載電流500mA）做電流選擇，待測(cè)電流經(jīng)分壓后進(jìn)入放大電路

6、，然后再送入AD。4、交流電流測(cè)量：交流電流測(cè)量跟直流電流測(cè)量共用一個(gè)分壓器，不同的是，分壓后還要進(jìn)入交流整流電路，然后再進(jìn)入放大電路，最后送入AD。5、電阻測(cè)量：電阻測(cè)量電路選用內(nèi)阻很小的MAX4638模擬開(kāi)關(guān)來(lái)接入不同量程的參考電阻，從而測(cè)得待測(cè)電阻的阻值。AD采用的是外部的參考電壓，該參考電壓通過(guò)減法運(yùn)算電路得到參考電阻上的電壓后送入?yún)⒖级?，而待測(cè)電阻上的電壓則直接送入測(cè)量端。6、最后：由于MSP430FE42X的輸入阻抗為500k，故在AD輸入端外加一個(gè)跟隨器，以提高它的輸入阻抗電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472在電流檢測(cè)器中的應(yīng)用摘 要： 本文介紹一種在線智能檢測(cè)電流電路，其中采用電流電

7、壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472，可提高測(cè)量精度，同時(shí)采用AT89C2051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)。關(guān)鍵詞： MAX472；在線檢測(cè)；AT89C2051；A/D轉(zhuǎn)換 引言根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)的要求，往往需要采集被測(cè)對(duì)象的各種參數(shù)，如過(guò)渡過(guò)程的電壓U、電流I等，這些量的采集是至關(guān)重要的，它們直接影響到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度。 很多場(chǎng)合需在被測(cè)系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)其電流進(jìn)行在線檢測(cè)，因此如何無(wú)須串入電流表，直接對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行電流檢測(cè)就相當(dāng)重要。常規(guī)測(cè)量電流I的方法存在測(cè)量范圍小、測(cè)量誤差大等缺點(diǎn)。本文介紹的在線電流檢測(cè)器采用電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472，克服了常規(guī)方法的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了電流的高精度測(cè)量。MAX472的工作原理

8、MAX 472的工作原理如圖所示。方框內(nèi)的部分是該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中A1和A2是兩個(gè)運(yùn)算放大器，構(gòu)成差動(dòng)輸入，這樣可以增強(qiáng)抗干擾能力，提高小電流信號(hào)的測(cè)量準(zhǔn)確度；Q1和Q2是兩個(gè)三極管；COMP是一比較器；Rsence是電流采樣電阻，采用熱穩(wěn)定性好、漂移小的康銅絲制作。方框外面的部分是用戶可以根據(jù)自己的需要而改變的電路。其工作原理詳述如下： 假定電流是從左向右(如圖中Iload方向所示)流過(guò)電流采樣電阻Rsence，通過(guò)一電阻Rout接地。這樣，運(yùn)放A1工作，產(chǎn)生電流Iout從Q1的發(fā)射極流出。而此時(shí)運(yùn)放A2是截止的，沒(méi)有電流從Q2流出。A1的負(fù)輸入端(-)電位為：Vpower=Iload&

9、#215;Rsence，A1的開(kāi)環(huán)增益使其正輸入端(+)與負(fù)輸入端(-)有相同的電位。故RG1的壓降為：Iload×Rsence，經(jīng)過(guò)計(jì)算，電壓/電流轉(zhuǎn)換的比例P由下式給出：P=Vout/Iload=Rsence×(Rout/RG1)根據(jù)上式Rsence取較小的值。通過(guò)(Rout/RG1)把比例設(shè)置為一個(gè)合適的值。對(duì)于小電流，可以獲得較大的輸出測(cè)量電壓Vout，避免前述直接測(cè)量電流信號(hào)太小的缺點(diǎn)；對(duì)于較大的電流，又不會(huì)對(duì)電路的帶載能力產(chǎn)生較大的影響。在電路的具體應(yīng)用中，電路各參數(shù)具體計(jì)算要滿足該芯片技術(shù)條件要求： OUT端的輸出電壓Vout<(VRG-1.5V)OUT

10、端的輸出電流Iout1.5mA系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖2所示。本檢測(cè)器主要由電流檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、AT89C2051和鍵盤(pán)顯示部分組成。MAX472的SIGN端口與AT89C2051的P3.4相連，SIGN反映被測(cè)電流的方向。SIGN為低電平時(shí)，傳感器兩端的電壓為負(fù)。MAX472在電流測(cè)量電路中的應(yīng)用由于電流不能直接由A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，因此必須先將其轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，然后才能轉(zhuǎn)換。所以，電流/電壓轉(zhuǎn)換電路在測(cè)試器中占有很重要的地位。 常用的電流測(cè)量方法是在被測(cè)電路中串入精密電阻，通過(guò)直接采集電阻兩端的電壓來(lái)獲得電流。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)單方便。但當(dāng)被測(cè)電流較大而串入的電阻阻值又較

11、大時(shí)，電阻的壓降對(duì)電路的帶載能力將產(chǎn)生較大的影響；當(dāng)被測(cè)電流很小時(shí)，從電阻上直接取得的電壓值又可能太小，影響測(cè)量準(zhǔn)確度。因而，這種直接測(cè)量的方法很難選擇一合適的阻值，以適應(yīng)電流變化范圍較大的情況，尤其是較小電流的準(zhǔn)確測(cè)量。由于檢測(cè)電流須在系統(tǒng)工作的情況下進(jìn)行，所以上述的串電阻直接測(cè)量的方法不能滿足本系統(tǒng)的要求。本電路采用兩探頭觸點(diǎn)并接到被測(cè)電流的電路上，達(dá)到測(cè)量的目的。 通過(guò)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，最后選用美國(guó)MAXIM公司最新生產(chǎn)的電流電壓轉(zhuǎn)換器MAX472，其響應(yīng)時(shí)間、線性度、漂移等指標(biāo)均很理想，且能適應(yīng)大范圍大電流的測(cè)量，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和測(cè)試，很好地滿足了設(shè)計(jì)的要求。MAX472在測(cè)試器中的應(yīng)用電路如圖3

12、所示。如需測(cè)量流經(jīng)印刷底板某銅箔線中的電流，可將探針A和探針B并聯(lián)在銅箔線上，而毋須切斷銅箔或斷開(kāi)器件間的焊點(diǎn)串入電流表，并利用圖3中Rsence與數(shù)厘米長(zhǎng)的銅箔線并聯(lián)，這樣由于銅箔線AB段電阻RAB遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探頭的輸入電阻，從而強(qiáng)制將流經(jīng)銅箔的電流分流至探頭。經(jīng)計(jì)算，Rsence =0.1 m。設(shè)以1mm寬的印刷電路銅箔為例，測(cè)得其電阻率為2m/cm，這樣在AB探頭并聯(lián)在1cm銅箔線上時(shí)，流過(guò)銅箔線上的電流與探頭電流之比為：Iload / I銅箔=R銅箔/Rsence=20因此，流過(guò)探頭電流為銅箔線電流的20倍，檢測(cè)誤差為5%，若AB間距擴(kuò)大到5cm，則檢測(cè)誤差為1%。電流采樣電阻Rsence

13、的選擇很重要，它決定了電壓電流的轉(zhuǎn)換比例P。對(duì)于較小的電流，Rsence的選擇須使得較大，才能使得轉(zhuǎn)換得到的輸出電壓不至于太小而影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。而圖所示的MAX472的應(yīng)用電路，正是可以通過(guò)調(diào)整其中的RG1、RG2和Rout來(lái)調(diào)整P,從而獲得較理想的P。理想P的獲得是一個(gè)試湊計(jì)算的過(guò)程。 為獲得較寬的測(cè)量范圍，在實(shí)際電路中，通過(guò)量程切換，改變輸入電阻。結(jié)語(yǔ)在線電流檢測(cè)器中，采用電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX472和AT89C2051單片機(jī)，可提高測(cè)量精度，并且實(shí)現(xiàn)智能化檢測(cè)。MAX472的應(yīng)用電路中，調(diào)整合適的P，可獲得較高的測(cè)量精度。霍爾電流傳感器地面車用電源系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱電源系統(tǒng))的輸出電流的

14、撿測(cè)與控制直接決定了電源系統(tǒng)工阼的穩(wěn)定性和可靠性，影響車輛用電負(fù)載的運(yùn)行；狀況及車輛的可操作性，由于車用電源的負(fù)載常常因?yàn)檐囕v的復(fù)雜使用條件而導(dǎo)致負(fù)載變化較大，電源的輸出功率也將發(fā)生較大變化，若對(duì)電源的輸出電流不加限制會(huì)造成電源因過(guò)載而發(fā)熱，影響其功率輸出，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致電源的永久失效。閉環(huán)霍爾電流傳感器(以下簡(jiǎn)稱傳感器)在車用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源系統(tǒng)輸出電流的隔離測(cè)量即傳感器的輸出信號(hào)與電源的輸出電流完全電氣隔離，有利于傳感器輸出信號(hào)的調(diào)整處理，通過(guò)調(diào)整和設(shè)定該信號(hào)，反饋控制電源系統(tǒng)的輸出電流，當(dāng)電源的輸出電流接近電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功率輸出時(shí)，電源輸出電流將不再增加，從而限制了電源系統(tǒng)

15、的輸出功率，保護(hù)電源系統(tǒng)不會(huì)圍用電負(fù)載的變化而損壞。2 閉環(huán)霍爾傳感器的工作原理1879年，美國(guó)物理學(xué)家Edwim Herbert Hall發(fā)現(xiàn)了霍爾效應(yīng)，此后，霍爾技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，隨著電子元器件制造技術(shù)的發(fā)展，霍爾電流電壓傳感器的'眭能有很大提高，特別是閉環(huán)霍爾電流電壓傳感器的研制成功，大大擴(kuò)展了該產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。21 霍爾效應(yīng)與霍爾器件霍爾效應(yīng)是霍爾器件的理論基礎(chǔ)。如圖1所示，當(dāng)把通有小電流的半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子受洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使半導(dǎo)體兩側(cè)產(chǎn)生電勢(shì)差，該電勢(shì)差即為霍爾電壓VH，這個(gè)VH電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度B及

16、控制電流IC成正比，經(jīng)過(guò)理論推算得到如下等式關(guān)系：VH=（RH/d）×B×IC (1)式中，VH為霍爾電壓；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；IC為控制電流；RH為霍爾系數(shù)：d為半導(dǎo)體片的厚度。在式(1)中：若保持控制電流IC不變，在一定條件下?？赏ㄟ^(guò)測(cè)量霍爾電壓推算出磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小，由此建立了磁場(chǎng)與電壓信號(hào)的聯(lián)系；根據(jù)這一關(guān)系式。人們研制了用于測(cè)量磁場(chǎng)的半導(dǎo)體器件即霍爾器件。22 閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理閉環(huán)霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測(cè)電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的(或稱霍爾磁補(bǔ)償式、霍爾零磁通式)。眾所周知，當(dāng)電流流過(guò)一根長(zhǎng)的直導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)

17、線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過(guò)導(dǎo)線的電流的大小成正比，這一磁場(chǎng)可以通過(guò)軟磁材料來(lái)聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測(cè)，由于磁場(chǎng)的變化與霍爾器件的輸出電壓信號(hào)有良好的線性關(guān)系，因此，可以用測(cè)得的輸出信號(hào)，直接反應(yīng)導(dǎo)線中電流的大小，即 IBVH (2)式中，I為通過(guò)導(dǎo)線中的電流；B為導(dǎo)線通電流后產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度；VH為霍爾器件在磁場(chǎng)中產(chǎn)生的霍爾電壓。選擇適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，上述關(guān)系可表示為等式。對(duì)于霍爾輸出電壓VH的處理，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多種電路，但總體來(lái)講可分為兩類：一類為開(kāi)環(huán)(或稱直測(cè)式、直檢式)霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)(或稱零磁通式、磁平衡式)霍爾電流傳感器。針對(duì)霍爾傳感器的電路形式，人們最容易想到的

18、是將霍爾元件的輸出電壓用運(yùn)算放大器直接放大，得到所需要的信號(hào)電壓，由此電壓值來(lái)標(biāo)定原邊被測(cè)電流的大小，這種形式的霍爾傳感器通常稱為開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器。開(kāi)環(huán)霍爾傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單、成本相對(duì)較低；其缺點(diǎn)是精度和線性度較差，響應(yīng)時(shí)間較慢，溫度漂移較大。為克服開(kāi)環(huán)傳感器的缺點(diǎn)，20世紀(jì)80年代末期，國(guó)外出現(xiàn)了閉環(huán)霍爾電流傳感器。1989年，北京701廠引進(jìn)國(guó)外技術(shù)率先在國(guó)內(nèi)開(kāi)展閉環(huán)霍爾電流傳感器的研制和生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)十幾年的努力，這種傳感器逐漸為國(guó)內(nèi)廣大用戶了解和應(yīng)用。閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的如圖2所示即原邊電流(IN)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)副邊線圈的電流(IM)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償

19、使霍爾器件始終處于檢測(cè)零磁通的工作狀態(tài)。當(dāng)原副邊補(bǔ)償電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)在磁芯中達(dá)到平衡時(shí)。式(3)成立。N×IN =n×IM (3)式中IN為原邊電流；N為原邊線圈的匝；：IM為副邊補(bǔ)償電流；n為副邊線圈的匝數(shù)。由式(3)看出，當(dāng)已知傳感器原邊和副邊線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)測(cè)量副邊補(bǔ)償電流IM的大小，即可推算匠邊電流IN的值，從而實(shí)現(xiàn)原邊電流的隔離測(cè)量。3 閉環(huán)霍爾電流傳感器的主要性能閉環(huán)霍爾電流傳感器是近十年來(lái)出現(xiàn)的高技術(shù)模塊化產(chǎn)品，其性能大大優(yōu)于開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器，同時(shí)，與傳統(tǒng)的分流器或互感器的電流測(cè)量方法相比亦有許多優(yōu)點(diǎn)。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn)：1)可以同時(shí)測(cè)量任意波形的電流，如直流、交流、脈沖電流；2)副邊測(cè)量電流與原邊被測(cè)電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV2kV；3)電流測(cè)量范圍寬(1 mA50kA)；4)跟蹤速度(di/dt)高于50As；5)線性度優(yōu)于01IN；6)響應(yīng)時(shí)間小于1s；7)頻率響應(yīng)范圍為0 kHz100kHz。4 在車用電