周余銘 陳春有 梁東梅 韋翠連 黎小飛

摘 要

針對(duì)常用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量精度要定時(shí)檢測(cè)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一個(gè)基于LM399H高精度帶隙基準(zhǔn)源的誤差檢測(cè)裝置。本裝置通過(guò)LM399H穩(wěn)壓輸出，再經(jīng)過(guò)電阻分壓或運(yùn)算放大電路，可設(shè)計(jì)出1.5V、6.5V和10V三種檔位電壓。直流輸出電壓經(jīng)ADS1256采集，然后由STM32單片機(jī)處理，結(jié)果輸出顯示在TFT液晶屏。經(jīng)實(shí)際電路測(cè)試，該裝置可對(duì)4位半數(shù)字萬(wàn)用表直流電壓檔位檢測(cè)測(cè)量誤差。該裝置價(jià)格成本低，性能穩(wěn)定，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞

LM399H;電阻分壓;運(yùn)算放大;A/D采樣

中圖分類號(hào)： TB52 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.053

Abstract

To solve the problem that measurement accuracy of common digital multimeters needs to be measured regularly， an error detection device based on LM399H high-precision bandgap reference source is designed.This device through the LM399H voltage regulation output， and then through the resistance voltage or operation amplifier circuit， can design 1.5V， 6.5V and 10V gear voltage.The dc output voltage is collected by ADS1256 and processed by STM32 microcontroller. The output is displayed on the TFT LCD screen.Through actual circuit test， the device can detect and measure the error of dc voltage gear of 4 semi-digital multimeter.The device has low cost， stable performance and potential application value.

Key words

LM399H; Resistance partial pressure; Operation amplification; A/D sampling

0 引言

當(dāng)代科學(xué)技術(shù)日新月異，萬(wàn)用表的功能愈齊全，其在當(dāng)下是電子、電工、儀器、儀表和測(cè)量領(lǐng)域的一種工具，更是電子類學(xué)生的掌中寶。面對(duì)當(dāng)前常用數(shù)字萬(wàn)用表精度需定期檢查的問(wèn)題，必須借助高精度的儀器對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，確保其在合格的使用范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)出一款低成本、高精度的數(shù)字萬(wàn)用表檢測(cè)裝置，對(duì)數(shù)字萬(wàn)用表直流電壓檔位精度進(jìn)行檢測(cè)，從而減少測(cè)量誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中的影響。

本裝置是基于帶隙基準(zhǔn)電壓源，其在模擬信號(hào)電路、混合信號(hào)電路，用作電壓基準(zhǔn)參考的電壓源。它的穩(wěn)定性和抗噪聲性會(huì)影響整個(gè)電路系統(tǒng)的精度與性能。LM199、299、399是目前市場(chǎng)上電壓基準(zhǔn)芯片中溫度系數(shù)最低的集成“穩(wěn)壓管”[1]，其溫度系數(shù)最低可達(dá)2ppm/℃的級(jí)別，內(nèi)部有恒溫器件，可保持器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[2]。LM399價(jià)格適中，性能相對(duì)穩(wěn)定，故本裝置以它為主核心。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本裝置是基于LM399H為核心而設(shè)計(jì)的一款針對(duì)4位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)試誤差檢測(cè)的裝置。裝置整體有兩個(gè)大模塊：高精度穩(wěn)壓輸出模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊。電源采用R型變壓器將市電降壓，再經(jīng)三端穩(wěn)壓LM78XX系列芯片穩(wěn)壓供給整個(gè)裝置。裝置輸出直流電壓最終使用是德科技（KEYSIGHT）6的臺(tái)式萬(wàn)用表標(biāo)定。LM399H穩(wěn)定輸出7.063V經(jīng)繼電器選通電路分三路，兩路進(jìn)入電阻分壓網(wǎng)絡(luò)和緩沖當(dāng)大電路，分別輸出1.5002V和6.502V，另一路進(jìn)入運(yùn)算放大電路，輸出9.999V（1.5002V、6.502V和9.999V分別對(duì)應(yīng)1.5 V、6.5 V和10 V三種檔位的輸出電壓標(biāo)定值）。直流穩(wěn)壓信號(hào)輸入到ADS1256采壓模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)STM32F103單片機(jī)處理，并將采集結(jié)果顯示在液晶屏。待測(cè)的萬(wàn)用表調(diào)節(jié)合適電壓檔位測(cè)量裝置輸出端，將輸出電壓標(biāo)定值和萬(wàn)用表讀數(shù)值相比較，就可計(jì)算出該萬(wàn)用表的誤差值，進(jìn)而判斷萬(wàn)用表的測(cè)量精度是否可靠。裝置的整體框圖如圖1所示。

2 硬件主要電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電壓電路

穩(wěn)壓電源從調(diào)整管的工作狀態(tài)來(lái)分可以分為線性電源和開關(guān)電源兩大類別。兩者相比，線性電源的主要優(yōu)點(diǎn)是可以達(dá)到較高的質(zhì)量指標(biāo)，它的穩(wěn)定度和紋波可達(dá)到10-6～10-7[3]。本系統(tǒng)采用線性穩(wěn)壓電源，220V交流電經(jīng)R型變壓器降壓，經(jīng)LM7815第一次穩(wěn)壓，供給LM399H基準(zhǔn)源和LT1001運(yùn)算放大電路，15V電壓進(jìn)入LM7812第二次穩(wěn)壓，供給OPA2241緩沖放大電路，12V繼續(xù)輸入到LM7805三端穩(wěn)壓輸入端，+5V電壓供給繼電器電路、STM32單片機(jī)、ADS1256采壓模塊。R型變壓器的卷繞式鐵芯磁路封閉，磁場(chǎng)分布均勻，能減小磁阻，在重量和漏磁性能方面明顯優(yōu)于EI型變壓器，其空載損耗和噪聲都很低[4]，特別是過(guò)載波動(dòng)小，能夠有效防止市電電網(wǎng)波動(dòng)影響電路。電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且電容具有維持其兩端電壓不變的特性，電容與負(fù)載相連，可得到電壓波形比較平滑[5]，電路含交流電成分就越少。UA78XX系列以低噪聲的特性得到廣泛使用，內(nèi)置穩(wěn)壓電流和熱開關(guān)功能，使電路處于免過(guò)載狀態(tài)。與此同時(shí)，該芯片也能夠達(dá)到大幅度減小電網(wǎng)波動(dòng)的效果。電源原理圖如圖2所示。

2.2 裝置輸出電壓電路

LM399H是一款最小溫漂達(dá)2ppm/℃的高精度基準(zhǔn)源芯片，有效保障輸出電壓值的穩(wěn)定性。LM399H管腳1上的電阻起限制電流的作用。單片機(jī)控制繼電器，三個(gè)支路通過(guò)繼電器的吸合或斷開作用，實(shí)現(xiàn)與LM399H輸出端連接或斷開的功能。OPA2241是雙路運(yùn)放芯片，支持單電源供電范圍寬，在1.5V和6.5V檔輸出端起緩沖放大作用。LT1001是一款低噪聲、低溫漂的芯片，將基準(zhǔn)輸出電壓7.063V同向放大至9.999V。裝置輸出電壓原理圖如圖3所示。

2.3 A/D采壓模塊

ADS1256是一款24位A/D芯片，它支持SPI的通信方式?？紤]到電路實(shí)際情況和線路布局的問(wèn)題，8個(gè)通道只使用AIN0、AIN2和AIN4這3個(gè)通道。AIN4采集1.5V檔電壓，而AIN0、AIN2分別采集10V檔和6.5檔V，因超出正電壓值5V，必須在其輸入端采用電阻分壓方式降壓。芯片模擬地和數(shù)字地最終用零歐電阻共在一起。AIN0、AIN2輸入端的電阻不統(tǒng)一，取決于前級(jí)電路的輸出功率，本電路使用的集成運(yùn)放芯片輸出功率帶不起太小的負(fù)載。A/D采壓模塊原理圖如圖4所示。

3 軟件電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用的核心主控是STM32F103，這是一款性價(jià)比較高的單片機(jī)。ST公司推出的STM32憑借其產(chǎn)品線的多樣化、極高的性價(jià)比、簡(jiǎn)單易用的庫(kù)開發(fā)方式，迅速在眾多的Cortex-M3 MCU中脫穎而出，成為最閃亮的一顆新星[6]。它具有一流的外設(shè)：1μs的雙12位ADC，18兆位/秒的SPI，利用其SPI與ADS1256進(jìn)行通信，把數(shù)據(jù)傳到MUC里面處理，就是利用STM32的多外設(shè)和高速的運(yùn)算和靈活性。三個(gè)檔位的電壓切換方式通過(guò)按下開發(fā)板3個(gè)按鍵Key0或Key1或Key2，控制引腳輸出高電平的方式，使繼電器吸合，從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)檔位的電壓進(jìn)入到A/D模塊完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化過(guò)程。程序流程圖如圖5所示。

4 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

4.1 測(cè)試方法及臺(tái)表測(cè)量裝置輸出電壓值

高精度的儀器必須得預(yù)熱，采集數(shù)據(jù)才相對(duì)穩(wěn)定。為保障本測(cè)試的科學(xué)性與合理性，KEYSIGHT 6臺(tái)式萬(wàn)用表開機(jī)預(yù)熱30分鐘，本裝置上電工作10分鐘后，每個(gè)檔位電壓用臺(tái)式萬(wàn)用表持續(xù)測(cè)試15分鐘，間隔1分鐘記錄數(shù)據(jù)。三個(gè)檔位電壓測(cè)試結(jié)果如表格1所示。

將表格1的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成折線圖如圖6所示。

由圖6可明顯看出1.5V、6.5V、10V三個(gè)檔位的電壓在15Min測(cè)試中，輸出電壓波動(dòng)幅度曲線近乎趨為直線，再由最大誤差值可得，三檔位電壓精度都在0.05%以下（優(yōu)利德UT56萬(wàn)用表直流電壓檔位基本精度為±（0.05%+3）），由此推斷出裝置的實(shí)際效果滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 本裝置功能性效果

以型號(hào)為UT56的優(yōu)利德4位半數(shù)字萬(wàn)用表為例，調(diào)節(jié)到合適的電壓檔位，萬(wàn)用表紅黑表筆直接測(cè)裝置電壓輸出端口，采集到的結(jié)果如圖7、圖8、圖9所示。

通過(guò)圖7、圖8和圖9實(shí)測(cè)數(shù)值和輸出電壓標(biāo)定值相對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表格2所示。

由表格2的數(shù)據(jù)分析顯示，萬(wàn)用表直流電壓檔位2V/20V分別測(cè)量1.5002V、6.502V、9.999V時(shí)出現(xiàn)的誤差相對(duì)較小，而且表頭性能仍保持在出廠設(shè)計(jì)的誤差范圍內(nèi)，由此可證實(shí)萬(wàn)用表性能較好，使用測(cè)量電壓這一功能無(wú)多大影響。

5 誤差分析

（1）三端穩(wěn)壓芯片在工作時(shí)容易發(fā)燙，散發(fā)的熱量稍微改變電路板附近環(huán)境溫度的變化，對(duì)溫度敏感的電子元件有影響;（2）受0805封裝電阻溫漂的影響，測(cè)試時(shí)輸出值有漂移，但維持在允許誤差范圍內(nèi)。

6 總結(jié)

本設(shè)計(jì)以LM399H為核心的基準(zhǔn)電壓源和ADS1256采壓模塊組合的裝置，對(duì)型號(hào)為UT56的4位半數(shù)字萬(wàn)用表的直流電壓檔位精度進(jìn)行誤差檢測(cè)，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)證明，本裝置性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，適用于實(shí)驗(yàn)室初步檢測(cè)萬(wàn)用表的精準(zhǔn)度，方便電子愛好者檢測(cè)手中的數(shù)字萬(wàn)用表，是具有超強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用的裝置。雖然本裝置只能對(duì)4位半數(shù)字萬(wàn)用表電壓檔位檢測(cè)，但是根據(jù)萬(wàn)用表測(cè)量電阻、電流和電壓原理可知，萬(wàn)用表液晶屏顯示的數(shù)據(jù)是基于采集電壓為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)歐姆定理公式U=I*R換算而來(lái)的，即直流電壓檔位誤差小，亦可證明測(cè)量電阻和電流兩個(gè)檔位自然也在允許誤差范圍之內(nèi)，這是本裝置功能特性的拓展之處。

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