直流微安电流表辩析.docx

摘要本次竞赛要求每位参赛者独立完成一个数字式直流微安电流表，在完成基本测试指标的基础上能由参赛者改进电流表。待测电流为微小电流，制作者必须对放大电路设计、干扰处理与原件选择都要有严格。报告作者完成的电流表经万用表标定测试达到基本要求，同时也在精确度、分辨力和量程方面有合理改进。理论分析电流表需要测试电路中的电流为0—200uA，所以电流表内部需有一个精密取样电阻串联进测试电路，将电路中电流转换成电压。然后再经由多级电压放大电路将取样得到的微小电压放大至合适的伏特级别。放大后的电压数据经AD转换后被单片机读取，单片机根据程序对读取的数据进行换算得到原始的电流数据，最后将电流显示在显示屏上。方案比较及软硬件设计一、硬件设计1.电源：通过USB接口为电流表提供5V工作电源。2.单片机：由于MSP430模块I/0口较少且占用空间较大，所以选择STC公司近年生产的STC12C5A60S2单片机。该款单片机为高速单片机，具有超过30个数字I/0口，并且内置10位AD转换功能，其P1口能作为AD输入端读取输入电压，参考电压为单片机的供电电压5V。能满足设计电路的要求。3.取样电阻：取样电阻要求对测试电路中的电流影响小，同时取样得到的电压不宜过小。选取2Ω精密电阻作为取样电阻，将测试电路中的电流转换成单片机可以读取的电压。4.运算放大器：取样得到的电压为微伏级别，所以对运放的失调电压、失调漂移电压和噪声电压有严格要求。故选取AD8628ARZ运算放大器，该运放能在5V单电源下正常工作，对电源要求低，最高能达到130dB增益，比需要双电源供电的运放使用方便，能简化电路、减少干扰。其失调电压低至1uA，失调电压漂移小于0.005 μV/°C,噪声仅为0.5μV峰峰值(0 Hz至10 Hz)，满足要求。5.显示部分：选用LCD1602作为显示屏幕。该LCD屏具有有8位并行数据输入口，最多显示32字符。6.电路设计：取样电阻两端的电压范围为0—400uV，所以设计放大电路能将取样电压放大10000倍。放大后电压范围为0—4V，符合单片机AD转换的电压范围。为了避免放大后的电压失真，采用二级放大电路，每级电压增益40dB（100倍）。因为输入为直流小信号，所以滤波电路采用普通接法即可，滤波电容均为0.1uF。放大电路如下：图3-1放大电路每一级放大电路电压放大倍数：=+1（为负反馈端电阻，为运放负输入端输入电阻）；选取=100kΩ，=1kΩ，两级同相放大电路将取样电阻两端的电压放大约10000倍整体电路图设计如下：图3-2整体电路除单片机最小系统外，放大后的电压输入单片机P1.0口。单片机P2口控制LCD1602的八位数据端。7.PCB设计采用单层布线，为了减少运放受到的干扰，运放单元的连线尽量与其他原件引脚避开，PCB图如下：图3-3 PCB二．软件设计1.参数计算：经万用表标定：●取样电阻： =2.1Ω；●一级放大电路： =100.6kΩ，=0.975kΩ，计算=+1=104.179●二级放大电路： =100.3kΩ，=0.973kΩ，计算=+1=104.083设需要测量电路中电流数值为I， 单位为 uA，则：●取样电阻两端电压： =2.1*I （uV）●输入单片机P1.0口电压：V== 22770.852*I（uV）=0.02277 *I（V）●单片机读入的电压模拟值经过10位AD转换后转换为数字量：AD_val= *1024AD_val数值可由单片机程序从P1.0口读入综上所述，需要显示的测试电路实际电流值：I=V/0.02277 （uA）其中：V= *5单片机参考电压为5V，经计算量程可扩大至220uA。2.程序设计程序对P1.0口转化得到的数字量AD_val进行十次求和再求平均，提高测量精确度。因为采用10位内置AD，故分辨力能达到200/1024=0.195 uA.在AD转换过程适当加入延时函数保证数据稳定。LCD显示部分函数每次只刷新电流值，每次刷新电流数据总共需要60ms。数据刷新率大于10Hz。具体程序见附录。实际测试数据记录：测试电路中电源采用使用过一段时间的干电池，电压如图：图4-1 测量电路输入压降电路中串联若干不同阻值电阻和调节电位器输出不同电流，测试结果如下表：测量次数万用表读数自制电流表读数1234567表 4-1 测量结果结果分析七组随机测试数据个位最大误差均在1%以内，自制电流表微安级别读数个位显示稳定且基本与万用表相同。满足要求。附录：#includeSTC12C5A60S2.H#includelcd.h#includeintrins.h#includestring.h#includestdio.h#includemath.h#define uint unsigned int #define uchar un