自动量程万用表设计方案.docx

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自动量程万用表设计方案

自动量程万用表设计方案

一、设计目标：

41/2万用表（19999）,最小分辨率6微伏，自动选择量程。

二、功能设计要求（量程范围）：

直流电压（DCV）――200mV2V20V200V1000V

交流电压（ACV）――200mV2V20V200V700V

直流电流（DCA）――2mA20mA200mA20A

交流电流（ACA）――2mA20mA200mA

电阻（OHM）―――2002K20K200K2M20M

三、主要芯片：

MSP430FE42X

四、操作方式：

按键――DCV按键，ACV按键，DCA按键，ACA按键，OHM按键

五、原理框图：

五、测量原理：

当进行AD测量时，MSP430FE42X可以选择外部参考源，也可以选择内部参考源。

这里在测量电压和电流时，选择内部参考源1.25V，这样，当外部待测电压为0.625V时，AD采样值为65535，当待测电压为－0.625时，AD采样值为0。

由于设计的最小量程为0.2V，故需要将其放大到0.625V，使其满量程，然后根据显示的位数进行转换即0－20000对应0-32767。

实际的最小分辨率是0.2/32767V＝6微伏。

当待测电压大于0.2V时，必须进行分压处理，一般采用10倍的分压器，例如2V时降至0.2V等。

电压分压器如图1所示。

图1电压分压器

同样，在测量电流时，也要进行处理，使电流变为电压，然后才能测量。

电流的测量原理图如图2所示。

图2电流分压器

请注意，图2中右边的20A输入是直接接入的，当然也可以加上一个20A的保险丝。

以上是测量直流电压或直流电流的情况，当要测量交流电压或交流电流时，必须进行整流，整流电路如图3所示。

图3交流整流电路

AC/DC转换电路由同相放大器A1、整流管D2和D3、隔直电容C18和C19、平滑虑波器R22和C22等组成，R24是校准电阻器。

该电路可以得到输入正弦波的有效值。

D1用于减少非线性失真。

电阻的测量与电压和电流的测量不同，原理图如图4所示。

图4

电阻测量采用的是比例法，即当流过待测电阻和参考电阻的电流相同时，Uin/Uref=Rx/Rref，根据FE42X的AD转换特性，当输入电压时参考电压的一半时满量程，亦即当待测电阻是参考电阻的一半时满量程。

故200欧姆档的参考电阻是400欧姆，假设待测电阻是100欧姆，由于此时通过参考电阻和待测电阻的电压是1.23V，所以参考电压是1.23*（400/500）V，而输入电压是1.23*（100/500）,又当输入电压是1.23*2/5时满量程，故现在的AD值是满量程的一半－100欧姆。

当然，此时的AD是要经过量程的转换即0－20000对应0－32767。

六、实际实现电路的简要分析：

1、直流电压测量：

待测电压通过分压器，在各个分压电阻上产生不同的电压值，此时要根据待测电压大小来确定输入单片机的电压，这里通过HC4051来对待测电压进行分压选择。

由于待测电压可能高达1000V，因此选择松下的PHOTORELAY（其输入高达1000V）作为分压的输入端。

当选择了合适的分压电压后，该电压由TLV2211组成的放大电路进行放大约3倍左右（使AD采样满量程），然后进行量程转换（0－20000对应0－32767），便可以得到待测电压值。

2、交流电压测量：

交流电压测量跟直流电压测量共用一个分压器，经过分压后，待测电压由TLV2211组成的交流整流电路整流后再进入放大电路进行测量。

3、直流电流测量：

由于待测电流高达200mA，一般的模拟开关可以通过的电流较小，故选用AQV201（40V时负载电流500mA）做电流选择，待测电流经分压后进入放大电路，然后再送入AD。

4、交流电流测量：

交流电流测量跟直流电流测量共用一个分压器，不同的是，分压后还要进入交流整流电路，然后再进入放大电路，最后送入AD。

5、电阻测量：

电阻测量电路选用内阻很小的MAX4638模拟开关来接入不同量程的参考电阻，从而测得待测电阻的阻值。

AD采用的是外部的参考电压，该参考电压通过减法运算电路得到参考电阻上的电压后送入参考端，而待测电阻上的电压则直接送入测量端。

6、最后：

由于MSP430FE42X的输入阻抗为500k，故在AD输入端外加一个跟随器，以提高它的输入阻抗

电流/电压转换芯片MAX472在电流检测器中的应用

摘要：

本文介绍一种在线智能检测电流电路，其中采用电流／电压转换芯片MAX472，可提高测量精度，同时采用AT89C2051单片机实现智能化检测。

关键词：

MAX472；在线检测；AT89C2051；A/D转换

引言

根据测试系统的要求，往往需要采集被测对象的各种参数，如过渡过程的电压U、电流I等，这些量的采集是至关重要的，它们直接影响到整个测试系统的测试精度。

很多场合需在被测系统工作时，对其电流进行在线检测，因此如何无须串入电流表，直接对被测器件进行电流检测就相当重要。

常规测量电流I的方法存在测量范围小、测量误差大等缺点。

本文介绍的在线电流检测器采用电流/电压转换芯片MAX472，克服了常规方法的缺点，实现了电流的高精度测量。

MAX472的工作原理

MAX472的工作原理如图１所示。

方框内的部分是该芯片的内部结构，其中A1和A2是两个运算放大器，构成差动输入，这样可以增强抗干扰能力，提高小电流信号的测量准确度；Q1和Q2是两个三极管；COMP是一比较器；Rsence是电流采样电阻，采用热稳定性好、漂移小的康铜丝制作。

方框外面的部分是用户可以根据自己的需要而改变的电路。

其工作原理详述如下：

假定电流是从左向右（如图１中Iload方向所示）流过电流采样电阻Rsence，通过一电阻Rout接地。

这样，运放A1工作，产生电流Iout从Q1的发射极流出。

而此时运放A2是截止的，没有电流从Q2流出。

A1的负输入端（-）电位为：

Vpower=Iload

×Rsence，A1的开环增益使其正输入端（+）与负输入端（-）有相同的电位。

故RG1的压降为：

Iload×Rsence，经过计算，电压/电流转换的比例P由下式给出：

P=Vout/Iload=Rsence×（Rout/RG1）

根据上式Rsence取较小的值。

通过（Rout/RG1）把比例Ｐ设置为一个合适的值。

对于小电流，可以获得较大的输出测量电压Vout，避免前述直接测量电流信号太小的缺点；对于较大的电流，又不会对电路的带载能力产生较大的影响。

在电路的具体应用中，电路各参数具体计算要满足该芯片技术条件要求：

OUT端的输出电压Vout<（VRG-1.5V）

OUT端的输出电流Iout≤1.5mA

系统构成

系统硬件构成框图如图2所示。

本检测器主要由电流检测电路、A/D转换电路、AT89C2051和键盘显示部分组成。

MAX472的SIGN端口与AT89C2051的P3.4相连，SIGN反映被测电流的方向。

SIGN为低电平时，传感器两端的电压为负。

MAX472在电流测量电路中的应用

由于电流不能直接由A/D转换器转换，因此必须先将其转变成电压信号，然后才能转换。

所以，电流/电压转换电路在测试器中占有很重要的地位。

常用的电流测量方法是在被测电路中串入精密电阻，通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。

这种方法的优点是测量简单方便。

但当被测电流较大而串入的电阻阻值又较大时，电阻的压降对电路的带载能力将产生较大的影响；当被测电流很小时，从电阻上直接取得的电压值又可能太小，影响测量准确度。

因而，这种直接测量的方法很难选择一合适的阻值，以适应电流变化范围较大的情况，尤其是较小电流的准确测量。

由于检测电流须在系统工作的情况下进行，所以上述的串电阻直接测量的方法不能满足本系统的要求。

本电路采用两探头触点并接到被测电流的电路上，达到测量的目的。

通过调研和实验，最后选用美国MAXIM公司最新生产的电流／电压转换器MAX472，其响应时间、线性度、漂移等指标均很理想，且能适应大范围大电流的测量，经过验证和测试，很好地满足了设计的要求。

MAX472在测试器中的应用电路如图3所示。

如需测量流经印刷底板某铜箔线中的电流，可将探针A和探针B并联在铜箔线上，而毋须切断铜箔或断开器件间的焊点串入电流表，并利用图3中Rsence与数厘米长的铜箔线并联，这样由于铜箔线AB段电阻RAB远远大于探头的输入电阻，从而强制将流经铜箔的电流分流至探头。

经计算，Rsence=0.1mΩ。

设以1mm宽的印刷电路铜箔为例，测得其电阻率为2mΩ/cm，这样在AB探头并联在1cm铜箔线上时，流过铜箔线上的电流与探头电流之比为：

Iload/I铜箔=R铜箔/Rsence=20

因此，流过探头电流为铜箔线电流的20倍，检测误差为5%，若AB间距扩大到5cm，则检测误差为1%。

电流采样电阻Rsence的选择很重要，它决定了电压／电流的转换比例P。

对于较小的电流，Rsence的选择须使得Ｐ较大，才能使得转换得到的输出电压不至于太小而影响测量的准确度。

而图２所示的MAX472的应用电路，正是可以通过调整其中的RG1、RG2和Rout来调整P,从而获得较理想的P。

理想P的获得是一个试凑计算的过程。

为获得较宽的测量范围，在实际电路中，通过量程切换，改变输入电阻。

结语

在线电流检测器中，采用电流/电压转换芯片MAX472和AT89C2051单片机，可提高测量精度，并且实现智能化检测。

MAX472的应用电路中，调整合适的P，可获得较高的测量精度。

■

霍尔电流传感器

地面车用电源系统（以下简称电源系统）的输出电流的捡测与控制直接决定了电源系统工阼的稳定性和可靠性，影响车辆用电负载的运行；状况及车辆的可操作性，由于车用电源的负载常常因为车辆的复杂使用条件而导致负载变化较大，电源的输出功率也将发生较大变化，若对电源的输出电流不加限制．会造成电源因过载而发热，影响其功率输出，严重情况下会导致电源的永久失效。

闭环霍尔电流传感器（以下简称传感器）在车用电源系统中的应用实现了对电源系统输出电流的隔离测量．即传感器的输出信号与电源的输出电流完全电气隔离，有利于传感器输出信号的调整处理，通过调整和设定该信号，反馈控制电源系统的输出电流，当电源的输出电流接近电源系统的设计功率输出时，电源输出电流将不再增加，从而限制了电源系统的输出功率，保护电源系统不会围用电负载的变化而损坏。

2闭环霍尔传感器的工作原理

1879年，美国物理学家EdwimHerbertHall发现了霍尔效应，此后，霍尔技术越来越多地应用于工业控制的各个领域。

进入20世纪80年代，随着电子元器件制造技术的发展，霍尔电流／电压传感器的'眭能有很大提高，特别是闭环霍尔电流／电压传感器的研制成功，大大扩展了该产品的应用领域。

2．1霍尔效应与霍尔器件

霍尔效应是霍尔器件的理论基础。

如图1所示，当把通有小电流的半导体薄片置于磁场中时，半导体内的载流子受洛伦兹力的作用而发生偏转，使半导体两侧产生电势差，该电势差即为霍尔电压VH，这个VH电压与磁感应强度B及控制电流IC成正比，经过理论推算得到如下等式关系：

VH=（RH/d）×B×IC

（1）

式中，VH为霍尔电压；B为磁感应强度；IC为控制电流；RH为霍尔系数：

d为半导体片的厚度。

在式

（1）中：

若保持控制电流IC不变，在一定条件下。

可通过测量霍尔电压推算出磁感应强度的大小，由此建立了磁场与电压信号的联系；根据这一关系式。

人们研制了用于测量磁场的半导体器件即霍尔器件。

2．2闭环霍尔电流传感器的工作原理

闭环霍尔电流传感器是用霍尔器件作为核心敏感元件、用于隔离检测电流的模块化产品，其工作原理是霍尔磁平衡式的（或称霍尔磁补偿式、霍尔零磁通式）。

众所周知，当电流流过一根长的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流的大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线性关系，因此，可以用测得的输出信号，直接反应导线中电流的大小，即I∝B∝VH

（2）

式中，I为通过导线中的电流；B为导线通电流后产生的磁感应强度；VH为霍尔器件在磁场中产生的霍尔电压。

选择适当的比例系数，上述关系可表示为等式。

对于霍尔输出电压VH的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类：

一类为开环（或称直测式、直检式）霍尔电流传感器；另一类为闭环（或称零磁通式、磁平衡式）霍尔电流传感器。

针对霍尔传感器的电路形式，人们最容易想到的是将霍尔元件的输出电压用运算放大器直接放大，得到所需要的信号电压，由此电压值来标定原边被测电流的大小，这种形式的霍尔传感器通常称为开环霍尔电流传感器。

开环霍尔传感器的优点是电路形式简单、成本相对较低；其缺点是精度和线性度较差，响应时间较慢，温度漂移较大。

为克服开环传感器的缺点，20世纪80年代末期，国外出现了闭环霍尔电流传感器。

1989年，北京701厂引进国外技术率先在国内开展闭环霍尔电流传感器的研制和生产。

经过十几年的努力，这种传感器逐渐为国内广大用户了解和应用。

闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的．如图2所示．即原边电流（IN）所产生的磁场通过一个副边线圈的电流（IM）所产生的磁场进行补偿．使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。

当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时。

式（3）成立。

N×IN=n×IM（3）

式中．IN为原边电流；N为原边线圈的匝；：

IM为副边补偿电流；n为副边线圈的匝数。

由式（3）看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流IM的大小，即可推算匠边电流IN的值，从而实现原边电流的隔离测量。

3闭环霍尔电流传感器的主要性能

闭环霍尔电流传感器是近十年来出现的高技术模块化产品，其性能大大优于开环霍尔电流传感器，同时，与传统的分流器或互感器的电流测量方法相比亦有许多优点。

闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：

1）可以同时测量任意波形的电流，如直流、交流、脉冲电流；

2）副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV～2kV；

3）电流测量范围宽（1mA～50kA）；

4）跟踪速度（di/dt）高于50A／μs；

5）线性度优于0．1％IN；

6）响应时间小于1μs；

7）频率响应范围为0kHz～100kHz。

4在车用电源系统中的应用

闭环霍尔电流传感器的应用范围很广。

目前，已成功地应用于逆变焊机、发电及输变电设备、电气传动、数控机床等。

下面以额定电流为300A的CHB-300S型霍尔电流传感器为例说明这种传感器的应用。

CHB-300S型闭环霍尔电流传感器的额定电流为300A，输出电流为150mA，表1给出CHB-300S型传感器的主要性能参数。

在某型号地面车辆中装备了一套独立的大功率发电系统，在滚车辆的发电系统中选用了CHB-300S型闭环霍尔电流传感器作为系统电流检测部件，传感器的主要作用是隔离检测发电系统的输出电流，通过对传感器的输出信号进行处理，设定限流工作点，确保发电系统的输出功率不高于发电机的额定功率。

应用闭环霍尔电流传感器CHB-300S很好地实现了上述应用目的。

如图3所示，发电机D1输出正端母线电流排穿过CHB-300S／SP1的原边电流穿孔，由传感器CHB-300S／SPl检测发电机D1的输出电流，传感器的输出端IM1与发电机控制盒相连，它们的输出信号电流为150mA，对应300A原边额定输入电流，依据此信号，由发电机控制盒设定发电机的输出电流控制点，实现对发电机D1的输出电流的检测。

通过设置CHB-300S／SP1的输出信号，对发电机D1的输出电流加以限制，避免发电机的输出功率过高而发生故障或损坏，保证发电系统的正常工作。

经过测试证明，该传感器的性能能够满足车用发电系统对电流检测的需要，该产品已在多套地面车辆的发电系统中应用，并按相关标准进行了实验测试，测试结果受到专家的肯定。

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