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CW32电压电流表

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简介

学习cw32单片机、ADC模数转换电路,实现一款可以测量电流和电压的电流电压表。

简介:学习cw32单片机、ADC模数转换电路,实现一款可以测量电流和电压的电流电压表。
电压电流表训练营【立创开发板&CW32】

开源协议

GPL 3.0

创建时间:2024-07-16 13:37:38更新时间:2024-08-22 01:20:23

描述

一、项目背景

学习cw32单片机、ADC模数转换电路,实现一款可以测量电流和电压的电流电压表。

二、硬件设计

1. 原理图

2.电路分析

1.供电电路

LDO(低压差线性稳压器)选型

本项目使用LDO作为电源,考虑到实际的电压表头产品多在24V或36V供电的工业场景中应用,本项目选择了最高输入电压高达40V的SE8550K2作为电源。本项目没有使用DCDC降压电路来应对大压差的主要原因为避免设计过程中引入DCDC的纹波干扰,次要原因为降低项目成本

串联小电阻(10Ω)的作用

本项目额外使用了串联小电阻(10Ω)来进行分压操作,一方面减少在高电压情况下LDO由于较大的压差导致发热严重的问题。另一方面,利用了串联的10欧姆小功率电阻过电流小的原理,充当低阻值保险丝,具有电路过流保护或者短路保护作用。(电阻做保险丝这个点,因为电阻在过流状态,处于发热状态,99%都是开路,它基本不会短路。它的故障分析就决定了它基本上以开路为主。也就是烧断掉,不会短在一起。)

串联的小电阻(10Ω)还可降低上电冲击的峰值,避免冲击过高损坏LDO。

如果没有使用电解电容,串联的小电阻(10Ω)也可避免热插拔的时候,导线电感和陶瓷电容形成谐振,因为陶瓷电容具有非常小的ESR,导致LC网络中的阻尼很少,谐振点的增益会很高,加入外部电阻提供阻尼后就可以抑制谐振点的增益。

 

电路设计要点及规范

在电源电路绘制时,无论是原理图还是PCB,应当注意几点问题:

  1. 原理图规范性:GND朝下,电源在上,不要出现地朝天的情况。

  2. 电容器设计:无论原理图还是PCB,电解电容在前,陶瓷电容在后

  3. 地线设计:单点接地,当前电源的地,汇总到当前电源的主电解电容的GND上,各级电源的主电解电容,汇总到前级电源的主电解电容的GND上。

2、MCU的选型分析

为了降低学习成本,本项目使用立创·地文星CW32F030C8T6开发板(核心板)作为主控,资料下载:立创开发板官网就能搜到

CW32在本项目中的重要优势

  • 宽工作温度:-40~105℃的温度范围
  • 宽工作电压:1.65V~5.5V (STM32仅支持3.3V系统)
  • 超强抗干扰:HBM ESD 8KV 全部ESD可靠性达到国际标准最高等级(STM32 ESD2KV)
  • 本项目重点-更好的ADC:12位高速ADC 可达到±1.0LSB INL 11.3ENOB 多种Vref参考电压... ...(STM32仅支持VDD=Vref)
  • 稳定可靠的eFLASH工艺。(Flash0等待)

3、电压采样电路

本项目设计分压电阻为220K+10K,因此分压比例为22:1(ADC_IN11)

分压电阻选型

  1. 设计测量电压的最大值,出于安全考虑,本项目为30V(实际最大可显示99.9V或100V);

  2. ADC参考电压,本项目中为1.5V,该参考电压可以通过程序进行配置;

  3. 功耗,为了降低采样电路的功耗,通常根据经验值将低侧电阻(R7)选择为10K;

随后便可以通过以上参数计算出分压电阻的高侧电阻:

  1. 计算所需的分压比例:即ADC参考电压:设计输入电压,通过已知参数可以计算出1.5V/30V=0.05

  2. 计算高侧电阻:即低侧电阻/分压比例,通过已知参数可以计算出10K/0.05=200K

  3. 选择标准电阻:选择一颗略高于计算值的电阻,计算值为200K,通常我们选择E24系列电阻,因此本项目中选择大于200K且最接近的220K。

如果在实际使用中,需要测量的电压低于2/3的模块设计电压,即66V,则可以根据实际情况更换分压电阻并修改程序从而提升测量的精度,下面将进行案例说明:

  1. 假设被测电压不高于24V,其他参数不变

  2. 通过计算可以得到1.5V/24V=0.0625,10K/0.0625=160K,160K为标准E24电阻可以直接选用,或适当留出冗余量选择更高阻值的180K

如果在实际使用中,需要测量的电压若高于模块99V的设计电压,可以选择更换分压电阻或通过修改基准电压来实现更大量程的电压测量范围,下面将进行案例说明:

  1. 假设被测电压为160V,选择提升电压基准的方案扩大量程

  2. 已知选用电阻的分压比例为0.0145,通过公式反推,我们可以计算出160V*0.0145=2.32V,因此我们可以选择2.5V的电压基准来实现量程的提升(扩大量程将会降低精度)

考虑到被测电源可能存在波动,在电路设计时,在低侧分压电阻上并联了10nF的滤波电容提高测量稳定性。

5、数码管驱动

在本项目中使用了两颗0.28寸的三位共阴数码管作为显示器件,相较于显示屏,数码管在复杂环境中拥有更好的识别度,可以根据实际使用环境的需求,改为更小的限流电阻实现更高的数码管亮度;在另一方面,数码管拥有较好的机械性能,不会像显示屏一样容易被外力损坏。在工业等有稳定可靠性应用中,多被采用。从开发版学习的角度来看,更易有目的的学习电子测量原理相关开发。

在本项目中,经过实际测试,数码管的限流电阻(R1~R6)被配置为300Ω,对应的亮度无论是红色还是蓝色数码管,均具有较好的识别度,且亮度柔和不刺眼。

严格来讲,限流电阻应该加在段上,加在位上,会影响显示效果。我们实际设计加在位上,省几个电阻,但对显示影响并不突出。所以还是加在位上,图个方便。

设计图

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