电压电流表设计

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。

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。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。考虑到初学者的学习进度与知识吸收能力，我们特别推出了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。该项目具备以下几个亮点：

• 采用核心板加扩展板设计理念，采用插件器件设计，让学习更能简单，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，同时兼容同类型其他款式开发板；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。

  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。

该项目采用立创地文星CW32F030C8T6开发板和配合供电电路、电流电压模拟电路等扩展板进行的电压电流表设计制作的项目，芯原半导体李工进行了课程的详细讲解教学。项目采用立创EDA软件进行了原理图、PCB和外壳的设计。

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。

• 滤波作用 ：LDO外围的电容器，特别是输入电容，能够有效地滤除前级电源带来的纹波干扰。
• 改善负载瞬变响应 ：输出电容在改善负载瞬变响应方面起着重要作用。当负载电流急剧变化时，LDO存在调整时间，此时输出电容作为临时电源，为电路提供所需的电流，防止输出电压被拉得过低。较大的输出电容值可以进一步改善LDO对大负载电流变化的瞬态响应。

  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）

    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。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。无需使用外接电压。使用多圈可调电位器（R18）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H4，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H4
  • 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

  • 用来模拟电流的测量、测量的标定、和测量校准辅助电路

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    使用此功能时，请不要焊接R0采样电阻。不使用此功能，请断开JP2。

    电流采样的实质，是采集采样电阻流过电流时电阻两端的电压降，即采集电压值。该电路使用R17提供了一个在0~0.238V(5V÷210K*10K)范围内的电压值，经由I﹢网络，接入到芯片用于电流采样的引脚上。

    在实际使用时，I﹢处的电压，模拟成了不焊的那个100mΩ采样电阻的电压降，此时，模拟测得的电流值I测＝该电压值Vi+ ÷ 100mΩ 也正巧等于测得电压数值乘以10。即，提供了模拟出0~2.38A的电流测量。

    将万用表或高精度台式数字万用表调至电压测量端口，量程3V以内。将其表笔探头，黑色负极插入电压测量端子旁的T_GND接口，红色正极表笔插入电流测量的 TI+ 端口，即可测量I﹢的实际电压值。由此可见，该电路可以除了可以完成上述设计任务，也可以直观通过测试体验到MCU的ADC外设的精度。可以自行编写程序进行验证。

  • 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。

  • 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。
• 相位补偿 ：对于可调输出的LDO，并联在上电阻的电容器（称为反馈电容器CFB）提供超前相位补偿，增加振荡裕度并改善负载瞬态响应。CFB和R1归零，有助于环路稳定性。
• 防止振荡 ：适当的电容器配置可以帮助防止LDO电路中的振荡现象，确保电路的稳定运行。
• 纹波抑制 ：电容器在LDO中也有助于提高纹波抑制比（PSRR），即电源抑制比，减少电源噪声对电路性能的影响。
• 启动浪涌电流控制 ：输入电容在LDO启动过程中充当启动浪涌电流的临时电源，防止输入电压被拉低，影响前级电源稳定性。