一、设计背景

  很高兴能在暑期里学习并熟悉一个国产开发板：立创·地文星CW32F030C8T6开发板。 此次的学习和实践方向是一个电压电流表。

  数字电压电流表结合了ADC的技术与电路测量原理，能够精确地将模拟的电压电流信号转换为数字显示，便于电子工程师直观读取和分析。这种设备不仅提高了电路测量的准确性和效率，还帮助工程师更好地理解电路行为，是进行电子设计和故障排查的得力助手，对电子工程师的工作具有重要的辅助作用。在产品应用上，数字电压电流表确保了电路设计的准确性和安全性，同时也为产品的质量控制和后期维护提供了有力支持。

ADC（Analog-to-Digital Converter）

  即【模拟-数字转换器】是电子系统中不可或缺的关键组件，它将连续的模拟信号转换为数字信号，为数字处理和分析提供了可能。ADC在信号转换、测量与数据采集、控制系统输入以及通信与信号处理等方面发挥着重要作用，其广泛的应用促进了各行业电子设备的智能化和精确控制，是推动现代科技进步的关键因素之一。

二、设计思路

   学习设计和制作一个数字电压电流表对于个人专业技能的提升是非常有益的。数字电压电流表项目涵盖了微控制器电路的设计与实现、信号采集与处理电路的设计、用户界面的开发与优化以及产品外观的设计等多个方面，融合了电子技术、微控制器编程、电路设计以及工业设计等多领域知识。该项目具备以下几个亮点：

• 采用核心板加扩展板设计理念，采用插件器件设计，让学习更能简单，让探索能更深入；
• 核心板选用国产武汉芯源半导体CW32为主控，同时兼容同类型其它款式开发板；但CW32在ADC采样方面更有优势。
• 项目综合程度高，实用性强，设计完成后可作为桌面日常仪表使用；
• 项目学习资料丰富，包括电路设计教学、PCB设计、代码编程的学习以及工程师调试能力的培养。

三、硬件设计

1. 供电电路

   本项目使用LDO作为电源，考虑到实际的电压表头产品多在24V或36V供电的工业场景中应用，并且整个核心电路无需太大的功耗，所以本项目选择了最高输入电压高达40V的SE8550K2-HF作为电源，采用SOT89封装的芯片能提供更好的散热，最高能提供250mA的电流。实际使用中应该注意供电电压不要高于40V。

   电路中还加入了D1肖特基二极管来防止输入电压反接以及保险电阻（R1/F1)来进行分压和限流的作用。LDO的电解电容和陶瓷电容采用前后顺序并联的方式设计，电解电容滤除低频干扰，而陶瓷电容滤除高频干扰，两者结合可以使得电路在高频和低频区域都具有较好的滤波作用。

2. 电路设计要点及规范

在电源电路绘制时，无论是原理图还是PCB，应当注意几点问题：

• 原理图规范性：GND朝下，电源在上，不要出现地朝天的情况。

• 电容器设计：无论原理图还是PCB，电解电容在前，陶瓷电容在后

• 地线设计：单点接地，当前电源的地，汇总到当前电源的主电解电容的GND上，各级电源的主电解电容，汇总到前级电源的主电解电容的GND上。

• 本电路数码管显示区域采用小板上联。另外引出了其它空余的引脚。计划采用LCD小板来升级。测量用的接口采用航模电池接口，稍突出外框，便于插接。

3. CW32在本项目中的重要优势

• 宽工作温度：-40 ~ 105℃的温度范围
• 宽工作电压：1.65V~5.5V （STM32仅支持3.3V系统）
• 超强抗干扰：HBM ESD 8KV 全部ESD可靠性达到国际标准最高等级（STM32 ESD2KV）
• 本项目重点-更好的ADC：12位高速ADC 可达到±1.0LSB INL 11.3ENOB
• 多种Vref参考电压... ...（STM32仅支持VDD=Vref）
• 稳定可靠的eFLASH工艺。（Flash0等待）

4. 电压采样电路

  本项目设计分压电阻为220K+10K，因此分压比例为22:1（ADC_IN11）
考虑到被测电源可能存在波动，在电路设计时，在低侧分压电阻上并联了10nF的滤波电容提高测量稳定性。
另外额外增加了一组电压采样电路。万用表想要测的更准确，往往设置了多个档位。通过对不同档位的调整，获得被测点位在相应量程下的最佳的测量精度。本项目实现此功能需要实现软硬件结合。当我们首先使用ADC_IN11通道测量30V以内电压时。若所测得电压在0~3V以内，则使用ADC_IN9通道测量。此时，由于分压比减小，测量精度大大提高。

分压电阻选型

  设计测量电压的最大值，出于安全考虑，本项目为30V（实际最大可显示99.9V或100V）；
ADC参考电压，本项目中为1.5V，该参考电压可以通过程序进行配置；
功耗，为了降低采样电路的功耗，通常根据经验值将低侧电阻（R7）选择为10K；
随后便可以通过以上参数计算出分压电阻的高侧电阻：

计算所需的分压比例：即ADC参考电压:设计输入电压，通过已知参数可以计算出1.5V/30V=0.05
计算高侧电阻：即低侧电阻/分压比例，通过已知参数可以计算出10K/0.05=200K
选择标准电阻：选择一颗略高于计算值的电阻，计算值为200K，通常我们选择E24系列电阻，因此本项目中选择大于200K且最接近的220K。
如果在实际使用中，需要测量的电压低于2/3的模块设计电压，即66V，则可以根据实际情况更换分压电阻并修改程序从而提升测量的精度，下面将进行案例说明：

假设被测电压不高于24V，其他参数不变
通过计算可以得到1.5V/24V=0.0625，10K/0.0625=160K，160K为标准E24电阻可以直接选用，或适当留出冗余量选择更高阻值的180K
如果在实际使用中，需要测量的电压若高于模块99V的设计电压，可以选择更换分压电阻或通过修改基准电压来实现更大量程的电压测量范围，下面将进行案例说明：

假设被测电压为160V，选择提升电压基准的方案扩大量程
已知选用电阻的分压比例为0.0145，通过公式反推，我们可以计算出160V*0.0145=2.32V，因此我们可以选择2.5V的电压基准来实现量程的提升（扩大量程将会降低精度）

5. 电流采样电路

  本项目采用低侧电流采样电路进行电流检测，采样电路的低侧与开发板表头接口共地设计，所以在做表头内部实验标定测试时，不要焊接采电阻R10 ！待做完测试后正式使用再焊接到PCB上。

本项目设计的采样电流为3A，选择的采样电阻（R0）为100mΩ

设计分析

  采样选型主要需要参考以下几个方面：

• 预设计测量电流的最大值，本项目中为3A
• 检流电阻带来的压差，一般不建议超过0.5V
• 检流电阻的功耗，应当根据该参数选择合适的封装，本项目考虑到大电流时的功耗（温度）问题，选择了1W封装的金属绕线电阻
• 检流电阻上电压的放大倍数：本项目中没有使用运放搭建放大电路，因此倍率为1
  
  随后便可以通过以上参数计算出检流的阻值选择：

  由于本项目没有使用放大电路，因此需要选择更大的采样电阻获得更高的被测电压以便于进行测量，考虑到更大的电阻会带来更大的压差、更高的功耗，因此也不能无限制的选择更大的电阻。本项目选用了1W封装的电阻，对应的温升功率为1W。

  综合以上数据，本项目选择了100mΩ的检流电阻，根据公式可以计算出3A*100mΩ=300mV,900mW

  如需应对不同的使用环境，尤其是电流较大的场景，可以将R0电阻更换为康铜丝或者分流器，可以更具实际使用场景，选择替代。出于安全和学习用途考虑，本项目对超出3A量程不做过多探讨，但原理一致。

6. 数码管显示

  在本项目中使用了两颗0.28寸的三位共阴数码管作为显示器件，相较于显示屏，数码管在复杂环境中拥有更好的识别度，可以根据实际使用环境的需求，改为更小的限流电阻实现更高的数码管亮度；在另一方面，数码管拥有较好的机械性能，不会像显示屏一样容易被外力损坏。在工业等有稳定可靠性应用中，多被采用。从开发版学习的角度来看，更易有目的的学习电子测量原理相关开发。
在本项目中，经过实际测试，数码管的限流电阻（R1~R6）被配置为300Ω，对应的亮度无论是红色还是蓝色数码管，均具有较好的识别度，且亮度柔和不刺眼。

本设计数码采用上接小板设计，实物图如下：

在软件上本项目实际采用动态扫描显示驱动数码管。因而在同一时刻，最多仅有8个段的数码管（或理解为LED）被点亮，或者说有某一位被点亮。根据设计，所需驱动电流即为IO口高电平电压3.3V÷300Ω≈11mA。而CW32的MCU它的单个I/O的拉/灌电流能力可以达到25mA(参见官方数据手册）。所以可以这样设计。

7. LED指示灯

  本项目额外设计了一个电源指示灯和IO工作指示灯。
一个是PWR_LED，一个是I/O_LED,分别在电路图上已经标出。出于减少LED对电流的消耗的考量，放弃部分LED亮度，减少器件参数类型，将LED的限流电阻选择为10K。实际使用中证明可行。

8. 按键电路设计

  按键控制电路有多种设计方式，得益于CW32的I/O口内部可以配置上下拉电阻，在芯片外围的按键控制电路则无需配置。按键一端接入MCU的I/O上，另一端接地。按键按下，I/O被拉低。

9. 用于电压测量校准的TL431电路设计

  本项目额外增加了一个TL431电路用来提供一个2.5V的基准电压，可用于给芯片一个用于校准AD的外部电压基准，从产品设计角度来讲，由于CW32本身的ADC性能优势，可以不需要此电路。在开发板上设计此电路，用于学习相关应用原理。

10. 其它功能

  本电路还留有用于lcd连接的小板电路，计划后期实现LCD显示电压和电流。电路板右侧也有用于连接 KT6368A 蓝牙透传小板的接口，后期可以使用手机或电脑来远程查看电压和电流的显示和数据采集。

11.使用方法简介

电路板上三个大的开头，K1用来切换显示模式，k2用来设置对应模式下的参考值并保存，K3则用来返回到正常模式。
模式0：正常使用模式，显示测量到的电压和电流值。
模式1：电压5v标定值，上排数码管显示5.05,下排显示当前测得的电压值，此时用高位万用表测量，调节电压电位器，直到显示5v,按动K2后写入当前标定值。
模式2：电压15v标定值，上排数码管显示5.15,按5V相同的方法校正,按动K2后写入当前标定值。
模式3：电流0.5A标定值，上排数码管显示A.0.5，下面显示当前测得的电流值，此时用高位万用表测量，调节外部电流值为0.5A,按动K2后写入当前标定值。
模式4：电流1.5A标定值，上排数码管显示A.1.5，下排显示当前测得的电流值，此时用高位万用表测量，调节外部电流值为1.5A,按动K2后写入当前标定值。