外观
电路原理分析
简易万用表项目电路整体由9部分组成,
- MCU主控电路
- 下载接口电路
- 外设电路
- 电源电路
- COM端口控制电路
- 电压电阻切换电路
- 电压测量电路
- 电流测量电路
- 电阻测量电路
市面上常见的万用表大多采用专用芯片+处理电路的形式组成,简易万用表仅是实现基础功能,各电路均有优化提升空间,若想真正设计一个优秀的万用表,还需要增加大量的电路以及调试,这里也欢迎大家积极思考电路知识,改良该项目。
注
交流电测量有危险,不建议新手小白或对电路并不熟悉的同学去做
MCU主控电路
使用CH32V208RBT6作为主控芯片,CH32V系列是基于青稞 32 位 RISC-V 设计的工业级通用微控制器,支持144Mhz主频零等待运行,集成2Mbps低功耗蓝牙BLE通讯模块,10M以太网MAC+PHY模块、USB2.0全速设备+主机/设备接口。
在主控电路中,将芯片所需引脚进行引出,这里注意芯片主晶振微32Mhz,且带有BLE蓝牙,需要放置蓝牙天线,在简易万用表上使用的是板载天线,天线封装是原厂提供的,后续大家需要绘制的话,可以直接前往该开源工程中复刻,或使用贴片陶瓷天线进行替代。
注
此处蓝牙天线的Π型滤波是预留出来的,如果真追求信号质量,需要专门调整的,并且建议32Mhz晶振使用有源晶振,防止晶振频偏过高导致射频有误。
注
该芯片的VDDA和VDD内部是连接在一起的,没办法单独供电。
下载接口电路
芯片支持多种下载方式,这里使用SWD下载+USB下载,当使用SWD下载时,需要使用专门的WCH-Link,否则无法烧录Risc-V内核芯片,USB下载需要上电,然后按住boot键,然后按一下复位,此时进入USB下载模式然后配合烧录软件才可进行USB下载。
外设电路
简易万用表上并无太多外设,使用一个有源蜂鸣器来进行蜂鸣档/开机/关机提示;使用LED灯来简单测试芯片功能或作为指示灯使用;使用1.8寸TFT显示屏来进行数据显示;这里TFT显示屏是SPI驱动,在引脚分配时尽量分配到对应的SPI引脚上,使用硬件spi来进行驱动。
电源电路
简易万用表项目使用16Pin-Typec接口进行供电,5V输入后,进入LDO降压输出3.3V,需要注意的是,这里LDO的EN引脚进行了处理,默认是下拉,也就是不输出的,只有当EC11旋转编码器按下时,此时DE引脚导通,EN引脚为高电平,系统有3.3V供电,单片机开始正常工作。
当DE引脚到导通时,此时下方Q2Mos管也是处于导通状态的,mos管上方的判断引脚为被拉低,可以通过判断这个引脚来判断此时按键是不是按下来进行短按操作。
当单片机开始正常工作时,此时单片机引脚通过Power_CON来输出高电平,就算此时不在按下ec11,系统也不会断电,且可以通过该引脚来控制整个系统断电关机。
剩余ec11两个引脚,是用来进行挡位切换的,并没有控制电源,在电源电路中,并没有使用电池,若有需要电池供电的也可以加入一个,不过该LDO最大输入电压是5.5V,若使用两节电池或9V电池,需要更换芯片。
COM端口控制电路
在简易万用表项目中,有三个输入,分别是COM端、电压/电阻/通断端、电流端;在这三个输入中,COM是公用的,但是不同测量过程中,COM端的状态是不一样的,当测量电压时,考虑到不可能一定红表笔接VCC,黑表笔接GND,此时COM端是没有连接GND的,但是在电阻/通断测量时,是需要一端接GND来进行测量的;电流测量时红黑表笔是串联在电路中的也不需要接GND,这里COM端口的变化是由于我后级的测量电路决定的。
考虑到这些因素,这里通过一个mos管来进行通断控制,且只有当电阻测量 黑表笔控制引脚同时打开时,黑表笔才会接入GND,防止在测量电压、电流时误操作导致系统损坏。
电压电阻切换电路
电压和电阻测量在一个表笔上,当使用电压测量时,电压相关通路打开,此时进入电压测量电路中,若使用电阻测量时,对应电阻通路打开,进入电阻测量电路中,这里之所以要分开,是因为我的电压和电阻测量电路会互相干扰,当电压测量时,最高36V电压输入会导致电阻测量电路那边损坏,当电阻测量时,电压测量的分压电阻也会影响相关的精度,所以这里要使用固态继电器进行隔离。
电压测量电路
万用表电压测量时,红黑表笔是可以反序测量的,此处为了实现这个功能,加入差分放大电路进行检测,该电路可拆分为三部分;第一部分是两端输入,分别来自红表笔和黑表笔,此时经过分压电阻,可以分压到0~3.3的范围内;后续分别经过电压跟随器,进入差分放大电路,得到输出。此处的VREF是为了防止输入电压高于3.3V,并抬升差分放大电压值。
相关计算公式较为复杂,这里直接给出最终公式=22*(两端输入差)/492+VREF;
相关参考链接
电流测量电路
万用表电流测量时,红黑表笔是串联在电路中的,这里同样采用差分测量的方式,只不过使用的是差分电流检测芯片TP181A1,通过检测R28采样电阻两端的电压来测量电流,VREF同样是启动抬升电压以及反序测量的作用,唯一需要注意的是,此处的芯片,不同的后缀有不同的电压放大倍数,在代码中根据电压反推电流时需要使用该放大倍数的,目前使用的放大倍数是A1-50倍。
电阻测量电路
万用表电阻测量相对来说较为简单,红黑表笔连接外部电阻,与内部串联的电阻组成分压电路,单片机通过采集电压从而换算得到电阻值。这里通过4个mos管来实现不同的串联电阻值切换,这样可以更加精确的测量外部电阻值,不过需注意不可同时打开两个mos,否则计算难度会大很多,且进行电阻测量时,外部需断电测量,带电测量一旦超过运放承受值,会损坏电路。
TIP
后续蜂鸣档、二极管档其实都可以在电阻测量电路中进行实现,详细实现不做说明,这里留出一点思考;
目前该万用表电路仍有较大改进空间,若你看完该简易万用表组成后,发现有好的优化思路,欢迎与我联系。qq:3375174314