一种简易毫伏表的设计及应用

时间：2024-06-19

管湘芸

（无锡商业职业技术学院，江苏无锡 214053）

1 系统实现

一般的小信号量测量，先要经过信号放大，然后进行AD采样，再通过MCU对采样值进行处理，最后得到较为准确的读数。现在的MCU一般都集成10bit／12bit的ADC，所以无需采用专门的ADC芯片，而放大电路则需采用单独的运算放大器。

EM78P259N是台湾义隆公司生产的一款8位单片机，内含4路12位AD，1个比较／放大器，3个8位定时器和1个16位定时器。可选择外部晶振模式、外部RC振荡模式和内部RC振荡模式，赋予用户灵活的选择。该MCU基于义隆公司成熟的EM78系列内核，拥有良好的开发环境。

系统主控部分采用EM78P259N，供电电压为＋5V。该电源电压需要经过适当的滤波处理，被测量的信号接入以EM78P259N内部OP为核心的负反馈放大电路。放大后的直流信号经由MCU的管脚输出并直接接入EM78P259N的AD输入端进行ADC转换，所得数据经过一系列处理后被显示出来。

系统显示部分采用LCD1602液晶显示模块，显示“000mV－999mV”，如果所测电压大于999mV，则显示最大值“999mV”，系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 软硬件设计

2．1 电压放大

该系统所测信号为小于1V的直流电压信号，需要进行放大。在此利用EM78P259N内部集成的OP来搭建负反馈放大电路以实现信号调理功能。这样既节省了整个系统的成本，又因为采用了集成元件而提高了系统的抗干扰能力。

输入电压信号的负端直接接地，正端经电阻分压后输入放大器的同相端。R3和VR1构成电压串联负反馈，调整VR1阻值以获得一定的电压放大比，放大后的电压直接接入到芯片的ADC输入端，见图2。

2．2 AD转换处理

将放大后的直流信号输入到EM78P259N的AD中，经转换可以得到12bit的AD数值。但我们知道，单次AD转换得到的数据因受各种因素影响存在很大的误差，尤其是信号较小时，易受到噪声的干扰，需要多次采集数据并经过滤波处理才能得到一个相对准确的值。本系统的软件采用中值结合平均值滤波法。以下是数据采集流程图，见图3。

图2 电压放大电路

图3 数据采集流程图

不间断进行5次AD转换后，求得5次转换的中间值。将512个这样的中间值相加，然后再除以2048。如果每一个中间值都相等，则相当于单次值除以4。

2．3 校准及放大电路参数设置

根据放大电路结构，我们得到输出电压为Vout＝Vin＊R2／（R1＋R2）＊（1＋ VR1／R3）。当R2＞＞R1时，放大器正输入端电压接近于Vin，所以放大倍数仅取决于滑动变阻器VR1和R3的比值。同时，根据软件所用中值滤波法的处理，我们将AD平均值减小为理论值的1／4，所以，经过调整，最终VR1和R3的比值约为3左右。

同时，因为所用元器件性能存在一定的差异，每一个系统的放大倍数都不一致。所以，在实际应用中，我们使用5位半的电压表对该毫伏表进行校准。通过调整VR1的阻值来调整放大倍数，从而实现较为精确的电压测量和显示。