使用立创开发板完成电压电流表制作同时添加一个oled屏幕作为示波器屏幕同时显示电压波形

讲解视频链接：

实物展示：

修改与改进：

1、电源部分红色LED放反了（已修改）

2、开发板供电5V网络名称不对5V->+5V（已修改）

  PCB layout：

3、PCB layout中ldo可以打几个过孔用来散热

4、R0电阻电压采样可以采用开尔文接法

一、设计背景

ADC（Analog-to-Digital Converter，即模拟-数字转换器)是电子系统中不可或缺的关键组件，它将连续的模拟信号转换为数字信号，为数字处理和分析提供了可能。ADC在信号转换、测量与数据采集、控制系统输入以及通信与信号处理等方面发挥着重要作用，其广泛的应用促进了各行业电子设备的智能化和精确控制，是推动现代科技进步的关键因素之一。
数字电压电流表结合了ADC的技术与电路测量原理，能够精确地将模拟的电压电流信号转换为数字显示，便于电子工程师直观读取和分析。这种设备不仅提高了电路测量的准确性和效率，还帮助工程师更好地理解电路行为，是进行电子设计和故障排查的得力助手，对电子工程师的工作具有重要的辅助作用。在产品应用上，数字电压电流表确保了电路设计的准确性和安全性，同时也为产品的质量控制和后期维护提供了有力支持。

二、硬件设计

1、供电电路

系统供电采用的是SE8550K2-HF这样的一款ldo线性稳压芯片，最大输入电压40V，可以满足绝大部分的供电电压，电路中D4是防止反接，R14是短路保护电阻。外部输入经过稳压器后输出5V并点亮指示灯。

2、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）

电压采集电路中，将外界的0-30V电压通过串联分压的方式，将电压缩小到单片机的输入范围（0-1.5V），并且可以通过换挡来提高对低电压测量的精度。该电路中D1是保护二极管，当电压大于芯片的最大输入电压5V是会被钳位在5V。

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

在使用板上模拟电流学习时，不要焊接R0电阻。

本项目设计的采样电流为3A，选择的采样电阻（R0）为100mΩ

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
5. 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。

电流采样电路中通过100mΩ的采样电阻来将电流转换为电压信号给ADC识别，这个采样后期可以通过选取更小的采样电阻+放大器来减小100欧姆电阻上的功率损耗。这里100欧姆电阻使用的是1/2W功率的电阻。

串联1K电阻（R0）的作用：

1. 保护ADC引脚：

• 在ADC引脚前串联电阻可以起到一定的限流作用，防止在特殊情况下（如高电压输入或短路）电流过大而损坏ADC引脚。
• 减少瞬态电流对ADC转换器性能的影响。

2. 滤波和降噪：

• 电阻与ADC引脚后端的电容可以构成一个RC低通滤波器，有助于减缓信号的快速边沿，降低高频噪声对ADC采样的影响。
• 在高精度应用中，这种滤波效果对于提高信噪比（SNR）和确保测量准确性至关重要。

4、OLED显示屏

本项目使用0.96英寸的IIC显示屏来显示获取电压的波形

5、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。

6、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。

（这里觉得暗可以换小一点的电阻）

7、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。

8、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。