【MCU方案】+基于MSP Launchpad的低功耗数字多功能表

只看该作者 · 2015-7-31 21:20

本设计以MSP430 G2553为核心控制器，搭建了低功耗数字多功能表系统。对于交流电压测量，用AD637真有效值转换芯片将交流信号转换为直流电压后测量；对于电阻测量，阻值较小电阻采用恒流源法测量，阻值电阻采用分压法测量；对于电容的测量，采用NE555震荡法；三极管放大倍数的测量，我们把β转换成电压值来求解；对与信号发生源，我们采用AD9850芯片产生。低功耗是该设计的核心思想。整个系统设计合理，测量精确，较完美地完成了设计要求。
一．系统方案的选择与论证
本设计主要完成直流电压、交流电压、电阻、电容以及三极管β参数的测量，并且能产生正弦波信号。为完成相应的功能，本系统可主要分为：电压测量模块、电阻测量模块、电容测量模块、三极管β参数测量模块、DDS 信号发生模块、核心控制模块、电源模块及显示模块。

1.1 电压测量方案的选择与论证
方案一：模拟运算法。利用交流信号有效值的定义，利用集成器件的乘法器、开方器等对被测交流信号依次进行平方、平均、开放等运算直接得到有效值。电路简单，但测量范围小、精度不高，对噪声影响反应大，不稳定。
方案二：交流整形电路。对交流信号先采用 TLV2372 进行放大或衰减，再通过 AD637（真有效值转换芯片）把交流信号转换为直流电压，然后进行测量。AD637转换精度非常高，最大失真误差 0.02%±2 个字运放电路几乎不失真，所以测量结果误差非常小，完全能达到题目要求±(1%+2 个字)的精度。但该电路复杂。综合上述方案优缺点，结合实际测量结果，方案二更好。故我们选择方案二。
1.2 电阻测量方案的选择与论证
方案一：直流电桥法。被测电阻接入用标准元器件搭建直流电桥电路中测量。精度高，但电桥对元器件精度要求十分苛刻，动手较多，操作繁琐，调节困难，单片机处理复杂。
方案二：测量小电阻（<2KΩ），采用恒流源法，将其接入恒流源电路，测量其两端电压差，计算得出；测量大电阻（>2KΩ），采用恒压源和标准电阻构成测量回路，然后采被测电阻压差，经过计算处理得出阻值。电路复杂，但恒流源、恒压源稳定，精度很高。误差极小。综合上述方案优缺点，结合实际测量结果，方案二更好。故我们选择方案二。
1.3 电容测量方案的选择与论证
方案一：采用 NE555 搭建振荡电路，通过测量电路振荡频率计算接入电路的待测电容的大小。电路简单易搭建，对较大电容测量精度理想；但受自身参数限制，对于 pF 级的很小电容测量的精度很低，误差较大。
方案二：采用传统分压法，将待测电容与标准电阻串联接入电路并加以一定频率的正弦交流信号，采样电路电位有效值求解待测电容大小。实际测量结果表明能达到题目要求精度，但该电路复杂，理论上无法测量有极性电容大小。综合上述方案，结合实际测量结果及题目测量范围、精度要求，采用 NE555简单震荡电路完全能满足要求。所以我们选择方案一。

二．理论分析与计算
2.1 直流供电系统 DC/DC 电路选择与参数计算
（1）DC-DC Buck 电路（图 2.1）中，调节 R6 和 R8 即可调整输出电压。R6=（R5*Vref）/(Vout-Vref)，为精确调节输出的电压，我们使 R6 为 10K 定值电阻，R8 采用 2K 滑阻精确调节。Vref=0.8V,经计算调节 R6 至 1.1K 时可得+7.5V 恒压源。

（2）DC-DC 反向电路（图 2.2），主要通过调节 R11 和 R12 来改变基准从而改变输出电压。 R11 为 150k 定值电阻 ,R12 为滑阻 , 根据公式R12=R11*|Vout/Vref|,Vref=1.5V，可调节滑阻 R12，使 Vout输出-7.5V。

2.2 电阻测量电路设计与参数计算
大电阻测量：由 TL431 产生 2.5V 恒压，被测电阻与 10KΩ标准电阻分压。RX=（10*VRx）/(2.5- VRx)；小电阻采用恒流源法，有 LF353 产生 1mA 恒流，在被测电阻上的电压进行跟随放大。200Ω档，Rx=(VADC/20)K;2KΩ档 Rx=(VADC)K。

2.3 电容测量电路设计与参数计算
用 NE555 搭建的振荡电路。上升沿时间：T1=（R1+R2）*Cx；下降沿时间：T2=R2*Cx；周期：T= T1+ T2=(R1+2*R2)/Cx。大电容，采集上升沿时间,Cx=T1/(R1+R2);小电容，采频率，Cx=1/[(R1+2*R2)]。