（复刻学习）简易电压电流表

一、设计背景

学习设计和制作一个数字电压电流表对于个人专业技能的提升是非常有益的。简易数字电压电流表项目涵盖了微控制器电路的设计与实现、信号采集与处理电路的设计、用户界面的开发与优化以及产品外观的设计等多个方面，融合了电子技术、微控制器编程、电路设计以及工业设计等多领域知识。这一入门级的数字电压电流表项目，非常适合电子技术的初学者以及想要深入学习微控制器应用的人群。本项目在立创、芯源工程师和微信群里各位大佬的指导下制造一个简易数字电压电流表，在此对各位大佬表示衷心地感谢。该项目具备以下几个亮点：

采用核心板加扩展板设计理念，让学习能更简单，让探索能更深入；

核心板选用国产武汉芯源半导体CW32为主控，同时兼容同类型其它款式开发板；但CW32更有优势。

项目综合程度高，实用性强，设计完成后可作为桌面日常仪表使用；

项目学习资料丰富，包括电路设计教学、PCB设计、代码编程的学习以及工程师调试能力的培养。

二、选型

1、MCU的选型分析

为了降低学习成本，本项目使用立创·地文星CW32F030C8Tx开发板(核心板)作为主控。在对本项目进行MCU（微控制器单元）选型时，需要综合考虑多个方面以确保选择的MCU能够满足项目需求。

明确项目需求：清晰地了解项目需要多少计算能力，包括时钟速度、处理器核心的类型、是否需要浮点运算单元等。

明确项目所需的I/O端口和重要外设，如ADC外设。由于本项目为开发板项目，主要目的为调试学习，在硬件上，对I/O数量不做严格限制：即不考虑此带来的成本等问题。

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。

2、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。

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

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）；

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；

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（R13）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：

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

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

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：

假设被测电压不高于24V，其他参数不变

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：

假设被测电压为160V，选择提升电压基准的方案扩大量程

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。

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。若所测的电压在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。

4、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

注意：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：

预设计测量电流的最大值，本项目中为3A

检流电阻带来的压差，一般不建议超过0.5V

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封装的电阻

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：

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

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

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。

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0.36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，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。

推算一下数码管所需电流

本项目实际采用动态扫描显示驱动数码管，因而在同一时刻，最多仅有8个段的数码管（或理解为LED）被点亮，或者说有某一位被点亮。根据设计，所需驱动电流即为IO口高电平电压3.3V÷300Ω≈11mA。

此时应注意选型的MCU是否有足够的拉电流/灌电流的能力。

由数据手册分析可知，CW32可以选用。

6、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。

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。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（R16）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。

三、优化与调试

1. 精度优化：可选择合适的电阻、电容等元件，以及优化ADC的采样率和分辨率，来提高电压和电流的测量精度。
2. 稳定性优化：可对电源管理电路和防反接电路进行优化设计，确保系统在各种工作环境下都能稳定运行。
3. 软件调试：通过调试工具对软件进行调试和优化，确保数据采集、处理和显示等功能的正确性和稳定性。
4. 数据分析：在特殊应用场合，可根据实际信号的干扰情况进行算法的改过或选择。