CW32数字电压电流表训练营项目

本项目使用立创·地文星CW32F030C8T6开发板(核心板)作为主控。

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
• 稳定可靠的eFLASH工艺。（Flash0等待）

关于优势的详细解读，我会放在有关ADC采样的章节和拓展章节中详解。

一、硬件设计

项目原理图​

本项目电路图采用模块化绘制，下面将分模块对电路图进行分析。

 

二、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。

2、电压采样电路​

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本项目采用分压电路实现高电压采集，设计可采集电压100V，当前配置采集电压为0-30V。

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

增加一组电压采样电路实现换挡

在本项目中，额外增加了一组电压采样电路，因此，我们可以探讨一下换挡对于提高测量精度的意义。万用表想要测的更准确，往往设置了多个档位。通过对不同档位的调整，获得被测点位在相应量程下的最佳的测量精度。

本项目实现此功能需要实现软硬件结合。当我们首先使用前文所讲的ADC_IN11通道测量30V以内电压时。若所测得电压在0~3V以内，则使用ADC_IN9通道测量。此时，由于分压比减小，测量精度大大提高。

实现换挡的思路有很多种，开发板的设计给大家提供了更多设计的可能。

用来模拟电压的测量、测量的标定、和测量校准辅助的电路

用来模拟电压的测量、测量的标定、和测量校准辅助电路  电压测量的接线端子

 

旁边标注为：T_V、T_GND的器件为开发板上的2mm香蕉座接口，用来连接万用表表笔。可插入万用表或高精度台式数字万用表的表笔探头验证开发板测量是否准确。也可插入2mm香蕉头的万用表表笔，代替CH1端口，进行手持式测量。

VP引脚为开发板供电引脚，在使用DC端口时，不接。在没有使用DC端口供电，且测量值大于5V小于30V时，可接入被测电源，也可由此独立供电。

在学习相应电路测量原理时，考虑到用户可能无法便捷的搭建测试和调试的外围电路，本着开发板易于开发的原则，特设置用来模拟电压的测量、测量的标定、和测量校准辅助电路。无需使用CH1外接电压。使用多圈可调电位器（RP1）对开发板电源电压进行分压，通过开发板内部电路连接入+V网络。此时注意，需要短接JP1，使用跳线帽即可，推荐使用长柄跳线帽。不使用此功能，请勿短接JP1。

 

3、电流采样电路

本项目采用低侧电流采样电路进行电流检测，采样电路的低侧与开发板表头接口共地
学习时，请不要焊接R0！！！

设计分析

本项目设计的采样电流为3A，选择的采样电阻（R0）为100mΩ
采样选型主要需要参考以下几个方面：

1. 预设计测量电流的最大值，本项目中为3A
2. 检流电阻带来的压差，一般不建议超过0.5V
3. 检流电阻的功耗，应当根据该参数选择合适的封装，本项目考虑到大电流时的功耗（温度）问题，选择了1W封装的金属绕线电阻
4. 检流电阻上电压的放大倍数：本项目中没有使用运放搭建放大电路，因此倍率为1

随后便可以通过以上参数计算出检流的阻值选择：

1. 由于本项目没有使用放大电路，因此需要选择更大的采样电阻获得更高的被测电压以便于进行测量
2. 考虑到更大的电阻会带来更大的压差、更高的功耗，因此也不能无限制的选择更大的电阻
3. 本项目选用了1W封装的电阻，对应的温升功率为1W

综合以上数据，本项目选择了100mΩ的检流电阻，根据公式可以计算出3A*100mΩ=300mV,900mW

如需应对不同的使用环境，尤其是电流较大的场景，可以将R0电阻更换为康铜丝或者分流器，可以更具实际使用场景，选择替代。出于安全和学习用途考虑，本项目对超出3A量程不做过多探讨，但原理一致。

4、数码管显示

本项目采用了数码管作为显示单元。

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。

5、LED指示灯

由于芯片I/O往往灌电流的能力大于拉电流的能力，所以，LED1设计为I/O低电平有效（亮）。

出于减少LED对电流的消耗的考量，放弃部分LED亮度，减少器件参数类型，将LED的限流电阻选择为10K。

6、按键电路设计

按键控制电路有多种设计方式，得益于CW32的I/O口内部可以配置上下拉电阻，在芯片外围的按键控制电路则无需配置。按键一端接入MCU的I/O上，另一端接地。按键按下，I/O被拉低。

7、用于电压测量校准的TL431电路设计

本项目额外增加了一个TL431电路用来提供一个2.5V的基准电压，可用于给芯片一个用于校准AD的外部电压基准，从产品设计角度来讲，由于CW32本身的ADC性能优势，可以不需要此电路。在开发板上设计此电路，用于学习相关应用原理。

TL431算是一个比较“老”的器件了，很经典，应用很广泛，现在在很多电子产品中仍然有其身影。

可能很多新手初次接触此器件，我们简单的讲讲此产品的原理，方便大家更好的应用TL431。

TI从名称上，将其定义为：精密可编程基准，我们在参考文献的第一页上，可以重点关注几个特性。

精密：精密，说明其输出电压非常准。我使用的为±0.5%精度的TL431，在室温下，板上实测2.495V。相较于常见的稳压二极管，精度天差地别。在应用电路图中，TL431内部以一个稳压管的符号做示意。

可调输出电压：可调输出电压在Vref到36V之间，我们在项目中使用输出Vref电压。Vref电压约为2.5V。所以我们在描述中用2.5V，实际是约等于的。

灌电流能力：也就是输出电压的引脚可以提供多少电流，这与在应用电路中的电阻（R13）的阻值有很大关系。不能低于1mA。如果没有灌电流的需求，则不要将电流设计过大，造成不必要的功耗影响。

 

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