XBLW/芯伯樂產(chǎn)品應(yīng)用在數(shù)字萬用表上的開發(fā)設(shè)計

一、方案概述

萬用表，又稱多用電表，是一種集電壓、電流、電阻等多種電氣參數(shù)測量功能于一體的便攜式電子測試儀器。它的核心功能包括測量直流和交流電壓、直流電流、電阻以及二極管的正反向特性。高級型號可能還具備電容測量、晶體管測試、頻率計數(shù)和溫度測量等附加功能。

萬用表的設(shè)計注重用戶操作的便捷性和測量的準(zhǔn)確性，通常配備有自動量程選擇、數(shù)據(jù)保持、背光顯示以及自動關(guān)機(jī)等智能特性。安全性能也是其設(shè)計重點(diǎn)，包括過載保護(hù)和絕緣測試，確保在高電壓環(huán)境下的安全使用。

用戶界面簡潔直觀，通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)選擇不同的測量模式和量程，顯示屏清晰展示測量結(jié)果。供電方式多樣，包括電池供電或USB充電。附件如測試引線和探針，便于連接和進(jìn)行精確測量。定期校準(zhǔn)是保持測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。部分萬用表還支持與電腦或智能手機(jī)的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和存儲。此外，一些型號具備防水防塵特性，適應(yīng)更多工作環(huán)境。

二、功能定義及性能指標(biāo)

電壓測量：能夠測量直流電壓（DCV）和交流電壓（ACV）。

電流測量：可以測量直流電流（DCA）和交流電流（ACA）。

電阻測量：測量電阻的阻值，范圍通常從幾歐姆到幾兆歐姆不等。

二極管測試：檢查二極管的正向壓降，判斷二極管是否正常。

晶體管測試：測量晶體管的hFE（電流增益），用于評估晶體管的性能。

電容測量：測量電容器的電容值，對于電子電路的調(diào)試和維修至關(guān)重要。

頻率測量：測量電路中信號的頻率，范圍通常從幾赫茲到幾兆赫茲不等。

溫度測量：使用熱電偶或熱敏電阻測量溫度，適用于多種工業(yè)和家庭應(yīng)用場景。

輸入保護(hù)：防止過電壓或過電流損壞萬用表的保護(hù)機(jī)制。

數(shù)據(jù)保持：能夠鎖定當(dāng)前顯示的讀數(shù)以便記錄。

待機(jī)模式：在不使用時自動關(guān)閉以節(jié)省電池。

三、數(shù)字萬用表的原理

萬用表是一種電子測量工具，其工作原理基于核心電子測量技術(shù)。它通過高阻抗放大器直接測量電壓，包括直流和交流電壓。對于交流電壓，萬用表內(nèi)部的整流器將其轉(zhuǎn)換為直流信號。在測量電流時，萬用表通過低阻抗的分流電阻串聯(lián)在電路中，測量由此產(chǎn)生的電壓降來計算電流值。

電阻測量則依據(jù)歐姆定律，萬用表提供已知電流并測量電壓降，從而計算電阻值。二極管通過測量正向電壓降來檢查其性能。晶體管測試則涉及測量hFE，即電流增益。電容測量利用交流信號源和測量電路確定電容器的充放電時間。頻率測量通過計數(shù)器電路計算周期數(shù)得到頻率值。溫度測量則依賴于熱電偶或熱敏電阻的電壓變化。

萬用表的自動量程切換和內(nèi)部微處理器使其能夠適應(yīng)不同的測量需求，精確計算并顯示結(jié)果。這些功能使得萬用表成為電子維修和測試中不可或缺的工具。

四、硬件設(shè)計

萬用表內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單易用，主要是為工程師測量電路的電流、電壓、電阻等信息，有些萬用表在此基礎(chǔ)上會額外增添二極管測量等其他信息測試，本部分主要介紹以下相關(guān)電路：電壓跟隨器（緩沖器）電路、電壓比較器電路、MOS管驅(qū)動電路、RS232通訊電路、LDO降壓電路。

1.電壓跟隨器（緩沖器）電路

在此電路中，XBLW-TL072運(yùn)算放大器扮演著電壓跟隨器的角色，其主要任務(wù)是提供一個穩(wěn)定的1.4V參考電壓。這個電壓是通過一個由34.8kΩ上拉電阻和15kΩ下拉電阻形成的分壓器產(chǎn)生的。XBLW-TL072的高輸入阻抗和低輸出阻抗特性使其成為理想的緩沖器，能夠保護(hù)前級電路不受負(fù)載效應(yīng)的影響，同時為后續(xù)電路提供穩(wěn)定的電壓源。

OP27運(yùn)算放大器則配置為放大器，用于放大XBLW-TL072提供的1.4V參考電壓與P_TRACKING信號之間的電壓差。P_TRACKING信號通過一個20kΩ電阻連接到OP27的反相輸入端，而OP27的正相輸入端接收來自XBLW-TL072的1.4V電壓。OP27的輸出端通過一個20kΩ電阻反饋到其反相輸入端，形成負(fù)反饋回路。

整個電路的設(shè)計注重于提供高精度和高穩(wěn)定性的測量結(jié)果，這是萬用表在電子測量中的核心要求。通過這種精心設(shè)計的運(yùn)算放大器電路，萬用表能夠在不同的測量任務(wù)中提供可靠和準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.電壓比較器電路

在本電路設(shè)計中，采用了XBLW-LM393雙路電壓比較器，其主要功能是對SWITCH16和SWITCH17兩個輸入信號進(jìn)行電壓水平的精確比較。該比較器的反相輸入端配置了一個2V的參考電壓，專門用于識別輸入信號電壓是否超過2V閾值，從而觸發(fā)輸出信號，確保輸出的準(zhǔn)確性。

XBLW-LM393比較器的設(shè)計考慮了功耗效率，具有2mV的偏移電壓和0.4mA的靜態(tài)電流，這些特性共同作用，顯著降低了整體電路的能耗。此外，該比較器采用雙電源供電模式，這種設(shè)計選擇極大地提升了測量的精確度和電路對外部干擾的抵抗能力。雙電源供電允許比較器在更寬的電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，有效降低了電源噪聲對測量精度的影響，確保了信號處理的準(zhǔn)確性。

3.MOS管驅(qū)動電路

本電路設(shè)計采用了單通道高速J-FET輸入運(yùn)算放大器XBLW-TL071，構(gòu)建了一個電壓跟隨器模塊。XBLW-TL071的正相輸入端通過一個10kΩ的上拉電阻連接至2.5V的穩(wěn)定電壓源，確保了輸入端的高阻抗特性，同時為電路提供了一個明確的參考電壓點(diǎn)。

在XBLW-TL071的配置中，反相輸入端與輸出端短接，充分利用了運(yùn)算放大器的虛短特性，實(shí)現(xiàn)了電壓跟隨器的功能。這種配置下，XBLW-TL071的輸出電壓穩(wěn)定地跟隨正相輸入端，即輸出電壓維持在2.5V，為后續(xù)電路提供了一個穩(wěn)定可靠的電壓。該電路的輸出端進(jìn)一步連接至電壓比較器，進(jìn)而驅(qū)動后級的MOSFET，實(shí)現(xiàn)對負(fù)載的精確控制。

4.RS232通訊電路

此電路是一個集成了XBLW RS-232電平轉(zhuǎn)換和信號處理功能的混合電路。電平轉(zhuǎn)換部分采用XBLW-MAX3232芯片，通過電容穩(wěn)定電壓，實(shí)現(xiàn)TTL與RS-232電平的轉(zhuǎn)換，并通過DB9連接器與外部設(shè)備進(jìn)行串行通信，連接到微控制器的USART1_TX和USART1_RX引腳。信號處理部分則由運(yùn)算放大器構(gòu)成，配合限流和偏置電阻以及電壓鉗位齊納二極管，用于對輸入信號進(jìn)行放大或濾波處理。整個電路設(shè)計旨在通過RS-232接口實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的串行數(shù)據(jù)傳輸，同時提供信號的輸入輸出接口（INPUT_EXT和OUTPUT_EXT），用于多種串行通信和信號處理應(yīng)用。

5.LDO降壓電路

該電路設(shè)計采用LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電壓的多級降壓，以滿足不同器件的電壓需求。其中，XBL1117穩(wěn)壓器負(fù)責(zé)將輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.2V、2.5V和3.3V，以供給不同電壓要求的器件，其最大負(fù)載電流可達(dá)1A，且由于外圍電路簡單，有助于節(jié)省PCB空間和降低成本。同時，XBLW-78M05穩(wěn)壓器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為5V，為其他器件供電，其輸出電流能力為700mA，并內(nèi)置了熱過載保護(hù)和斷路保護(hù)等多種安全特性，這些保護(hù)功能顯著提高了整個電路的穩(wěn)定性和可靠性。通過這種設(shè)計，電路能夠?yàn)楦鞣N電子設(shè)備提供穩(wěn)定且適應(yīng)不同電壓需求的電源，同時保持了設(shè)計的簡潔性和成本效益。

五、邏輯框圖

六、本方案重要器件推薦