基于cw32的电压电流表

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。

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。
二、硬件设计

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。

封装选型

从数据手册截图的表格中，可以看出，同SOT23封装的280℃/W相比，SOT89封装的165℃/W有更好的散热能力（Thermal Resistance,Junction-to-Ambient）

几乎所有的LDO器件，在设计电路时的原理是基本一致的。所以这张图的参考意义，并不是很大，而往往不一样的考量，是C1、C2应当如何设计，如果你的LDO有EN（enable），还需额外考虑使能引脚的设计，保证芯片正常工作。此外，还有些LDO是可调输出的，他有一个专门的引脚（adj），需要配置相应的外围电阻器来实现输出指定的电压。

而LDO外围电路设计，最核心的是电容器的设计。

LDO外围的电容器在电路中扮演着关键的角色，其作用主要包括以下几个方面：

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。
相位补偿 ：对于可调输出的LDO，并联在上电阻（R1）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。
归纳：LDO外围的电容器在滤波、改善负载瞬变响应、相位补偿、防止振荡、纹波抑制和启动浪涌电流控制等方面都发挥着重要作用。通过合理配置这些电容器，可以确保LDO电路的稳定性和性能。

如果你认真的翻阅了数据手册，就会发现官方已经给了一些详细的建议和参考，还有Layout设计建议。这避免了工程师去做大量理论计算的复杂工作。

图 7

值得注意的是，我在电源设计中，使用电解电容和陶瓷电容前后顺序并联的方式设计。当电解电容和陶瓷电容并联时，它们能够“高低搭配”，使得电路在高频和低频区域都具有较好的滤波作用。电解电容滤除低频干扰，而陶瓷电容滤除高频干扰，两者结合可以获得更好的滤波效果。

在实际电子产品中，电解电容并联陶瓷电容的主要作用是通过两者的互补特性，实现高低频滤波和耦合作用，从而改善电路性能，提高稳定性和抗干扰能力。这种并联方式在电子设备中得到了广泛应用。

二极管防反接

考虑到高电压反接将会给模块带来不可逆的损坏，电压表头供电电路采用了串联二极管的方案进行防反接。

图 8

注：本项目使用串联二极管进行防反接考虑到了本设备供电电压通常高于5V的使用场景，二极管的0.7V压降将不会供电造成影响。当供电电压较低时，由于项目的总体功耗较低，实测供电电流较低（20mA）,由于肖特基二极管 D4(1N5819)独特的结构，相比于通用开关二极管等，VF更低，由下图可见，压降约为0.2V以内。

常规的电路设计中，使用反向并联二极管+串接保险丝的方案也可达成防反接和电路保护目的。

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：

原理图规范性：GND朝下，电源在上，不要出现地朝天的情况。

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

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
章节资料下载链接

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为了降低大家的学习成本，本项目使用立创·地文星CW32F030C8T6开发板(核心板)作为主控，但这并不意味着我们会对这一板块讲的更少。从培养工程师的角度来讲，正确的主控器件选型是十分重要的，这关系到项目的整体优势。

关于电压电流表，笔者用STM32/CW32和一些其他32做了一些调试和测试。在此仅与STM32F103C8T6做比对，作为学习器件选型的参考，主要以提供思路，改善认知为主。

不要盲目的选型

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。

明确自己的项目需求：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：-40105℃的温度范围
宽工作电压：1.65V5.5V （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）
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。

CW32的ADC主要特性

本项目需重点关注 4路参考电压源。内容来自《CW32x030 用户手册》

图 4

3、电压采样电路
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。

图 5

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（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：

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。

二极管钳位保证MCU安全

我在设计本项目的时候，额外在采样电路中增加了一个1N4148(D1等)作为钳位二极管。尽可能避免在学习和调试使用中由于接入不正确的电压，导致芯片引脚损坏。 二极管钳位是一种重要的电子电路设计技术，它的主要作用是通过限制电压的幅度来保护电路，避免信号过大或过小导致的损坏或故障。

钳位在电路中是指限制电压的意思，而二极管钳位特指利用二极管将电路中的某点电位进行限制的技术。

二极管钳位主要利用了二极管的单向导电性。当二极管的正极电压大于负极电压并且导通后，二极管两端的电压被限制在其管压降上，通常硅管的管压降约为0.7V。

钳位过程：通过二极管的钳位作用，将被钳位的电位强制拉向参考端，从而实现电位的限制。钳位并不改变原信号的波形，只是抬高或降低了信号的基准电位。

根据二极管连接方式的不同，钳位电路可分为正向钳位电路和负向钳位电路。本项目仅设计了正向钳位。

正向钳位电路：当二极管的正极接地时，为正向钳位电路。在正半周时，二极管截止；在负半周时，二极管导通，电容被充电至一定电压，使输出电压限制在一定范围内。
负向钳位电路：当二极管的负极接地时，为负向钳位电路。工作原理与正向钳位电路相反。
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

图 6
用来模拟电压的测量、测量的标定、和测量校准辅助电路

图 7
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。

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

学习时，请不要焊接R0！！！

图 8

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封装的金属绕线电阻
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。

电流采样是串联进被测电路的，设置两个接口是为了应对我们的调试（即开发板学习需求）。正常测量仅需接入CN1即可。当项目中需要串联进万用表等设备进行对比验证时，需要同时用CN2的1脚（红线-电流in）和CN1的2脚（黑线-电流OUT）

题外话：若觉得同时使用两个端子太麻烦，在电路设计时，请将CN2的2脚网路，由I+改为GND 。此时，正常测量仍仅需接入CN1即可，而当项目中需要串联进万用表等设备进行对比验证时，仅需要接入CN2。

用来模拟电流的测量、测量的标定、和测量校准的辅助电路

图 10
用来模拟电流的测量、测量的标定、和测量校准辅助电
电流测量的接线端子

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RP2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。

5、数码管驱动
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。

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。

图 14

图 15

由数据手册分析可知，CW32么得问题。（有些芯片是不行的）

数码管显示的限流电阻的选型

在立创商城找到所用数码管的数据手册，一般同类型数码管参数大致相近。

图 16

根据数据手册标示，限流电阻限制电流最大不超过直流顺电流 35mA,驱动电压大于2.9V（电流20mA）。 我们使用300Ω限流电阻将If做到11mA，由于CW32及CW32核心板可以使用5V系统，届时则为16mA，在保证正常显示的情况下，300Ω即可,若再小，则更亮，由于电流功耗减小，电源端LDO也可引入更低的输入电压。

6、指示灯
本项目额外设计了一个电源指示灯和IO工作指示灯。

图 17
LD_PWR为电源工作指示灯

图 18
IO工作指示灯

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。

以本项目所使用的插件F5白发白（白光）LED为例，下表是其电性参数，由表格参数可知，限流电阻的设置要保证电流在20mA以内。（欧姆定律算一下即可）

图 19

几个名词解释：

白发白LED：第一个白，即为白色或透明外壳，发白，LED发白光。此外还有 红发红 白发红等，白发红，即为白色或透明灯珠外壳的红光LED。
F5：φ5 灯珠外壳直径D=5mm。市面上绝大多数F3/F4/F5的LED，引脚间距是一致的，均为P=100mil（2.54mm）。
7、按键电路设计
图 20

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。

实物展示