开源6位半万用表硬件电路分析

开源6位半手持式万用表

  这里用的LM399H参考源,单片机是STM32L152,里面还用了MACHXO2-1200FPGA。
万用表由两块PCB组成。

硬件组成部分

电源管理电路

  1. 电源用的是6-10V,电源管理部分,首先用来一个ADP5070芯片(内部含有非同步整流boot和buck电路),其中buck电路用于负电压的升降压,其中经过boot升压(经过升压电感和分压电路),将0.8V的参考电压上升到19.8V,其中R14和R18串联部分没有必要,而且合起来的阻值过大。然后用buck电路,将其变成-19.8V。电路图如下:
    图1 ADP5070
  2. 19.8V电压经过C15低通滤波后输入到芯片ADP7142降压到18V(其中又用到了同样的串联分压电路)。ADP7142是一个LDO(线性稳压器)芯片,最高输入可以到40V,最大输出电流可以到200ma。压差最大是0.42V。同样将-19.8V变成-18V和-14V。
  3. 做电源部分一定要用到线性电源,因为其文波比开关电源小。
  4. 通过MCP1703-50,将输入降为为+5V,通过MCP1703-33将其降为3.3V,通过NDM2866F33将输入电压降为3.3V。电路图如下:在这里插入图片描述
    图2 MCP1703

参考电路

  1. 用了LM399H,它是一个参考源,对于参考源,最看重的一个指标是他的温度技术,就是温度变化的时候,他的阻值变化大不大。这个芯片用了个稳压二极管,搭配一个恒温电路。经过一个同相放大器稳定输出,对于这份同相比例运算放大器,要求就是Vos越小越好。其中电路图如下:在这里插入图片描述

    图3 LM399H

  2. 用了四个干簧管继电器,经过74HC锁存器芯片,进行引脚所存(这里是为了防止引脚不够用而设计的电路)

  3. 如果测电压,K2开关闭合,R3-R18进行分压,接下来K4闭合,通过R19,电感往右走,送到ADC进行采集。如果用欧姆档,K3闭合,K1闭合,K2和K4断开,待测电阻一边接到GND,另一边接到电流源,通过K1往右走,测量电压,根据电压除以电流得其电阻阻值,其中电流需要很小,不然电流会在待测电阻上发热导致电阻测量不稳。其电路图如下:在这里插入图片描述

    图4 电压和电阻测量电路

恒流源电路

  产生横流电压源,流过待测电阻,测量待测电阻上的电压除以恒流源的大小然后知道待测电阻的大小。电路图如下:在这里插入图片描述

图5 恒流源电路

FPGA电路

  用了40M的有源晶振。电路图如下:
在这里插入图片描述

图6 FPGA电路图

STM32单片机

  包含按键电路,还要驱动一个LCD。
电路图如下:
在这里插入图片描述

图7 STM32单片机电路

ADC采集电路

  用来一个积分器和一个电压比较器,其特点是精度比较高,但是采集速度比较慢。
电路图如下:
在这里插入图片描述

图8 ADC采集电路

  1. 积分型ADC:它由1个带有输入切换开关的模拟积分器,一个比较器和一个计数单元构成。第一步,将参考电压接好开关给电容充电。然后输入到电压比较器判断升到高电平的时间,然后给电容电放掉,输入电压接开关给电容充电,计算第二个时间,他们之间的时间差就可以知道输入电压是多少。电路图如下:在这里插入图片描述
    图9 ADC电路
其中用了DGND,AGND,GND,0V。

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