【導(dǎo)讀】在教學(xué)實(shí)習(xí)中，通過(guò)本次萬(wàn)用表的原理與安裝，要求學(xué)生了解萬(wàn)。用表的工作原理，掌握錫焊技術(shù)的工藝要領(lǐng)及萬(wàn)用表的使用與調(diào)試方法。用表準(zhǔn)確度更高。實(shí)訓(xùn)結(jié)束以后老師也要根據(jù)學(xué)生的制作情況來(lái)給學(xué)生打出成。在原有萬(wàn)用表校驗(yàn)儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，以便更好地為服務(wù)教學(xué)。證對(duì)比，最終選取較經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、實(shí)用的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了所需各項(xiàng)功能。對(duì)研究過(guò)程中的一些問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)后續(xù)功能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)提供了借鑒。

　　

【正文】 器在切換的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)同時(shí)斷開(kāi)或同時(shí)吸取的情況，引起的后果是要么采集電路斷開(kāi)，要么采集到的電壓 會(huì)過(guò)小?；谶@個(gè)問(wèn)題和情況，我們將繼電器電路的 50： 1 檔和 10:1 檔位的引線相互切換使 50:1的切換代碼變?yōu)?11，而 10:1 的切換代碼變?yōu)?10。如此四個(gè)檔位的切換代碼分別為： 00， 0 1 10 這是個(gè)格雷碼，相鄰之間的數(shù)字只有一個(gè)不同對(duì)應(yīng)繼電器基于 STM32的數(shù)字化萬(wàn)用表校驗(yàn)儀開(kāi)發(fā) 第 23 頁(yè) 也就是相鄰檔位切換過(guò)程中只有一個(gè)繼電器在切換。 然而，我們把以上的一切都做好后，現(xiàn)象仍然讓人失望。沒(méi)有任何大的改變，改變的是顯示中不會(huì)出現(xiàn)字母或 0000V 的現(xiàn)象了，這樣驗(yàn)證了上述推測(cè)，但最后的情況依然沒(méi)有大的突破。 經(jīng)過(guò)溝通、分析、總結(jié)，認(rèn)為問(wèn)題的根本可能來(lái)自?xún)蓚€(gè)方 面：一是電路中設(shè)置的電阻和焊在板子上的電阻出現(xiàn)了偏差，二是在試驗(yàn)中也有燒損壞電阻的可能。導(dǎo)致電路中實(shí)際測(cè)量的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)比理論值差小很多，這樣就導(dǎo)致在檔位自動(dòng)切換點(diǎn)出錯(cuò)誤判斷電壓值。通過(guò)采用軟件滯回比較的方法來(lái)減小以上干擾的發(fā)生，明晰了整個(gè)電路的調(diào)試思路，進(jìn)而問(wèn)題迎刃而解。 功放供電電源負(fù)電壓端斷路 ： 功放芯片接在電路上，當(dāng)硬件通電后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)給功放電路供電的負(fù)電源指示燈不亮了，并且負(fù)電源穩(wěn)壓塊發(fā)燙。 ： 。因?yàn)榫€性是在負(fù)電源 輸出端的電壓顯示為正電壓值。經(jīng)過(guò)拆卸檢測(cè)發(fā)現(xiàn)功放電路并未被燒毀，但是為了避免判斷失誤，所以就換了一塊兒新的芯片。但是換上之后仍然出現(xiàn)表現(xiàn)出以上問(wèn)題。經(jīng)過(guò)分析，問(wèn)題可能是電源地的接線頭由于不小心掉在二極管搭建的整流橋上導(dǎo)致整流器燒毀。由于換過(guò)之后沒(méi)有考慮到這個(gè)損毀是否影響到功放芯片，所以在換過(guò)二極管之后通電，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)功放芯片的三極管燒毀了。將電源斷開(kāi)，取下三極管后，再測(cè)電路發(fā)現(xiàn)電源負(fù)極已經(jīng)出現(xiàn)正電壓值了。 電源整流器損壞導(dǎo)致功放芯片受損，燒了開(kāi)關(guān)三極管（穩(wěn)壓管還沒(méi)有燒壞），拆下功放芯片，換上新的片子 問(wèn)題依然存在，又一次拆了管子是發(fā)現(xiàn)其中功放芯片 7265 的引腳 6和 1連接的那根線應(yīng)該是在第一次拆下功放芯片時(shí)給扯斷了，再換上新芯片后也沒(méi)有測(cè)量判斷，導(dǎo)致功放芯片呈現(xiàn)出正負(fù)電源斷路的線性。 6（均接負(fù)電源）連接上后，一切正常了。 基于 STM32的數(shù)字化萬(wàn)用表校驗(yàn)儀開(kāi)發(fā) 第 24 頁(yè) 關(guān)于電路中遇到的運(yùn)放偏置設(shè)置問(wèn)題 （輸入信號(hào)不含有固定的直流偏置電壓）。 運(yùn)放的單電源供電工作時(shí)，由于一端（ A）輸入是以地為參考點(diǎn)。另一端（ B）則需要設(shè)置合適的偏置電壓來(lái)補(bǔ)償由于單電源造成的輸出 “ 失調(diào) ” 。其中需要考慮的不僅僅是 B 端設(shè)置 的偏置電壓是多少，還需要考慮 A端信號(hào)的增益大小，然而這還不夠，還不能夠被忽視的就是輸入端偏置的設(shè)置和電源供電電壓的極性。 就好比三極管的極性和電路參數(shù)的設(shè)置，道理是簡(jiǎn)單的，但是道理都又是有針對(duì)性的。 NPN 的管子，在設(shè)置工作點(diǎn)的時(shí)候，無(wú)論什么時(shí)候什么情況下基級(jí)的電位都要比發(fā)射級(jí)的高（除去數(shù)字電路中個(gè)別 “ 反向放大區(qū) ” 的情況），因?yàn)檫@樣 NPN 的管子內(nèi)部空穴和電子才能正常的 “ 出入 ” 。如果在同樣的電路里直接用 pnp 管代替 NPN 管（電路形式完全一樣），是行不通的，通常的解釋都是 “ 特性曲線約束 ” 。其實(shí)用 PNP 管子代替 NPN 管子也是有很多種方法的，但是本質(zhì)上就兩種，一種電腦 NPN 管電路中的偏置參數(shù)，其他保留；另一種是直接將電源改為輸出相等極性相反的供電電壓就可以了；（注，這里只說(shuō) NPN、 PNP正常工作的工作點(diǎn)對(duì)比，不考慮電路輸入輸出極性）。 實(shí)際上，三級(jí)管的例子是為了說(shuō)明考慮運(yùn)放電源供電時(shí)需要考慮那些因素的原因。 OP AMP 和運(yùn)放相比沒(méi)有軌道的那個(gè)端口必須必那個(gè)端口電壓高，但是卻有極性的對(duì)比。因此才考慮工作點(diǎn)的時(shí)候，電壓極性的考慮就顯得重要了；如題，輸入信號(hào)僅僅以一個(gè)以零電平為參考點(diǎn)，這里我們可以忽略輸入信號(hào)的極性（就行 NPN 與 PNP 的對(duì)比中不考慮輸入輸出的極性）。但是在設(shè)置偏置時(shí)，只要清楚， +端輸入輸出極性相同（這里的極性是針對(duì)直流電壓來(lái)說(shuō)的，也就是都以零電位為參考。 +極性即輸入正，輸出幾位正電壓，輸出入負(fù)電壓輸出就為負(fù)電壓）， 端輸入輸出極性相反。無(wú)論電源供電極性為正還是為負(fù)，在設(shè)偏置時(shí)偏置電壓和電源電壓極性相同，就把偏置設(shè)在正相端，如果偏置電壓極性與電源電壓極性相反，就把偏置設(shè)在反相端。這樣做從根本上保證偏置電路參數(shù)的前提是正確的。（誤區(qū)，單電源供電電路中如果存在偏置電壓與供電電壓極性相反，運(yùn)放是不能夠正常工作的。所 以，通常只用 +端作為偏置）。 基于 STM32的數(shù)字化萬(wàn)用表校驗(yàn)儀開(kāi)發(fā) 第 25 頁(yè) 除了考慮偏置應(yīng)該設(shè)立 OP AMP 的哪一端之外，還要考慮增益的作用。對(duì)于我們出學(xué)者，經(jīng)常會(huì)任務(wù)，雙電源供電時(shí)，參考點(diǎn)為零電平是正負(fù)電源壓差的1/2，所以我們經(jīng)常好不思索的將偏置設(shè)為單電源供電電壓的 1/2，這樣到底對(duì)不對(duì)呢？雙電源供電時(shí)的情況是， OP 的 +/輸入端均是以零電位為參考點(diǎn)，而單電源供電時(shí)，我們盲目設(shè)置的 1/2UCC 在正相輸入端，而如題，反相輸入端則是以零點(diǎn)位為參考點(diǎn)輸入；這樣一對(duì)比就很明顯了，我們的單電源供電電路中，正反相輸入端之間不僅僅存在信號(hào)電壓還存在偏置電壓， 這樣， 1/2vcc 經(jīng)過(guò)一定增益后（大于等于 2），就足夠使輸出削頂或削底。所以，將輸出信號(hào)參考點(diǎn)設(shè)置在 1/2vcc 是正確的，而推到輸入，就需要縮小增益倍了。這樣，電路就正常了，其實(shí)從輸出來(lái)推到輸入進(jìn)行設(shè)置是很方便的。 。 輸入信號(hào)中含有直流成分，如上所述，這個(gè)直流成分的極性當(dāng)然要和電源供電的極性相同或轉(zhuǎn)換之后相同。當(dāng)直流量作為信號(hào)存在時(shí)，我們就像上述方法設(shè)置偏置。如果直流量不是信號(hào)成分，那么我們就要以另一種思路去設(shè)置了。上面也提到，雙電源供電時(shí)運(yùn)放輸入?yún)⒖键c(diǎn)是零電位，單電源的供 電時(shí)運(yùn)放輸入?yún)⒖键c(diǎn)卻不是 1/2VCC，是因?yàn)椋?fù)輸入?yún)⒖键c(diǎn)不同罷了。但是當(dāng)輸入端以信號(hào)中含有的直流電位為參考點(diǎn)事，偏置又該怎么設(shè)置，很簡(jiǎn)單的一種方法就是，正反向輸入都以輸入信號(hào)端的直流電位為參考點(diǎn)。這樣，這樣就保證了兩個(gè)輸入端的參考電位一致了，就像雙電源供電時(shí)的零電位一樣度兩個(gè)輸入端來(lái)說(shuō)都是 “ 公平 ” 的，當(dāng)然直流量的電位是多少輸出端的參考點(diǎn)就是多少 ， 這時(shí)候輸入輸出的參考點(diǎn)都是一致的均為信號(hào)中所含直流電位。 還有另外情況，如果輸入信號(hào)中的直流量很小，不足以作為偏置怎么辦。那么接近辦法就是根據(jù)文章開(kāi)頭的第一種 情況進(jìn)行處理，僅僅不同的是，在設(shè)置正相輸入端偏置時(shí)要把反向輸入端的直流電壓考慮進(jìn)去，因?yàn)檫@一部分也存在增益的作用。 基于 STM32的數(shù)字化萬(wàn)用表校驗(yàn)儀開(kāi)發(fā) 第 26 頁(yè) 新舊版本萬(wàn)用表校驗(yàn)儀功能及參數(shù)對(duì)比 萬(wàn)用表校驗(yàn)儀的特點(diǎn) 。 （ 1）處理器采用 32位的 STM32 控制（原有處理器是 51 單片機(jī)），系統(tǒng)運(yùn)行基于 STM32的數(shù)字化萬(wàn)用表校驗(yàn)儀開(kāi)發(fā) 第 27 頁(yè) 速度更快，更穩(wěn)定。 （ 2）內(nèi)部逆變交流工頻信號(hào)，輸出功率有限制。保證使用人員的人身安全。 （ 3）新版校驗(yàn)儀具有輸出過(guò)壓保護(hù)、輸出過(guò)載保護(hù)、輸入過(guò)壓保護(hù)、以及安全操作提醒。 校驗(yàn)點(diǎn)輸出和自定義輸出兩種操作模式可供選擇，簡(jiǎn) 化校驗(yàn)過(guò)程，提高校驗(yàn)效率。 調(diào)節(jié)方式采用 PID 閉環(huán)算法（數(shù)字化閉環(huán)）控制 ,(即： 在過(guò)程控制中，按偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）進(jìn)行控制的 PID 控制器 。 PID調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法 。 具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn) )，確保輸出準(zhǔn)確、穩(wěn)定。 開(kāi)機(jī)自校驗(yàn)，使輸出的電壓或電流更準(zhǔn)確。 5 寸彩色觸摸液晶屏作為人機(jī)交互通道，頁(yè)面顯示清晰大氣，觸摸操作更直觀，科技感十足。 圖 14 彩色觸摸液晶屏 基于 STM32的數(shù)字化萬(wàn)用表校驗(yàn)儀開(kāi)發(fā) 第 28 頁(yè) 除了使用彩色觸摸屏作為交互界面之外，依然保留原版按鍵操作方式，以保障設(shè)備在多種情況下設(shè)備均可正常使用。 充分的使用 STM32 自帶資源，優(yōu)化硬件電路結(jié)構(gòu)，提高集成度，降低成本。 本校驗(yàn)儀針對(duì)理工類(lèi)院校和小型萬(wàn)用表生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)，考慮特殊使用功能。如打分、分類(lèi)等 。 基于針對(duì)性使用的方向進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)降低成本，同時(shí)保證產(chǎn)品特性。 后續(xù)改進(jìn)思路上的建議 接地問(wèn) 題 控制電源地向各電路之間引接的長(zhǎng)度，并嚴(yán)格控制“點(diǎn)”接入的原則?？梢詤⒖紝⒏鳈n位電路分割開(kāi)來(lái)設(shè)計(jì) PCB，或者靈活組合方式也可，只要能夠滿足接地穩(wěn)定。 將電源地接入機(jī)殼。參考 EMI 接地問(wèn)題。 直流電壓檔 采用高耐壓值的晶體管，及高耐壓電路方案來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電壓放大電路。電路參考基本共設(shè)放大電路或晶體管電源電路。 原電路中的 VCA810 可以更換為 AD603，實(shí)現(xiàn)功能相同。不存在頻帶問(wèn)題，且后者的價(jià)格優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)優(yōu)于前者，所以建議換掉。 電壓采集電路 交流電壓檔的采集通過(guò)整流之后再接入模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路?；蛘卟捎谜嬗行е敌酒杉?。 基于 STM32的數(shù)字化萬(wàn)用表校驗(yàn)儀開(kāi)發(fā) 第 29 頁(yè) 繼電器驅(qū)動(dòng)端口管理 在不妨礙硬件電路邏輯性的前提下，采用 7459 7413 74254 等數(shù)字邏輯芯片來(lái)管理繼電器控制端口。減少對(duì)主控芯片端口的應(yīng)用，減少出錯(cuò)率。 保護(hù)電路 主要針對(duì)浪涌。在電源輸入端口接入 TVS 管、穩(wěn)壓管、自恢復(fù)保險(xiǎn)、磁珠等EMC 元件來(lái)保證電路免受市網(wǎng)電壓沖擊的影響。 基于 STM32的數(shù)字化萬(wàn)用表校驗(yàn)儀開(kāi)發(fā) 第 30 頁(yè) 6 結(jié)論 基于 STM32 的數(shù)字化 萬(wàn)用表檢驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)緊貼實(shí)際應(yīng)用，選材也本著選擇性?xún)r(jià)比較高的元器件的原則。在萬(wàn)用表實(shí)訓(xùn)過(guò)程中萬(wàn)用表校驗(yàn)儀很好的發(fā)揮了其自身價(jià)值，大大的 節(jié)約了同學(xué)在制作過(guò)程中和老師在評(píng)分過(guò)程中的時(shí)間，也提高了同學(xué)們的實(shí)訓(xùn)的質(zhì)量，很好的解決了“校表難”這一問(wèn)題。 開(kāi)發(fā)基于 STM32 的數(shù)字化萬(wàn)用表校驗(yàn)儀 著眼于解決教學(xué)實(shí)際問(wèn)題， 通過(guò)本項(xiàng)目的 實(shí)施 過(guò)程， 項(xiàng)目組成員相互協(xié)作，既解決了教學(xué)中的實(shí)際問(wèn)題， 提高 了 老師的工作效率 ，還為學(xué)校減少因購(gòu)置類(lèi)似設(shè)備而進(jìn)行的必要的教學(xué)開(kāi)支，同時(shí) 還鍛煉教師科研實(shí)踐能力，促進(jìn)教師教學(xué)水平，對(duì)實(shí)踐教師隊(duì)伍素質(zhì)提高具 有現(xiàn)實(shí)意義。 總之，我們通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，為今后學(xué)校進(jìn)行相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)儀器設(shè)備的自主開(kāi)發(fā)進(jìn)行有益的探索，鍛煉了一批教師，培養(yǎng)了一批 學(xué)生，實(shí)現(xiàn)各方面的共贏。 基于 STM32的數(shù)字化萬(wàn)用表校驗(yàn)儀開(kāi)發(fā) 第 31 頁(yè) 參考文獻(xiàn) [1] 胡曉華 . 淺談 MF47型萬(wàn)用表的調(diào)試與制作 [J]. 湖南農(nóng)機(jī)， 2020， (7) [2] 徐愛(ài)鈞 .智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì) [M].北京： 北京航空航天大學(xué)出版社， 2020 [3] 吳懷選．指針式萬(wàn)用表保護(hù)電路的改進(jìn) [J]．長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版 ),2020,(2). 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