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摘要：本项目基于STM32设计了一种高精度、误差小、使用方便的数字多用表，系統功能模块包括直流电压测量、交流电压测量、电阻测量、电流测量、A/D转换模块、STM32嵌入式系统、按键模块、LCD显示八个部分。测试表明，系统测量值与实际值误差≤2%，电压精确到1mV，电流精确到0.1mA，可应用于对误差有一定要求场合。
关键词：仪器仪表;万用表;STM32;AD7705;
1 系统整体结构
本数字万用表整体设计框图如图1。直流电压测量、交流电压测量、电阻测量、电流测量四个功能模块为系统采集模块，负责采集相应的信号，采集后经过一定的信号转换电路，转换成A/D转换模块可以识别的电压值;A/D是系统的转换模块，负责将采集的数据进行AD转换，并传输到单片机;单片机是系统的数据处理和控制模块，其实现选档控制、数据处理、显示控制、AD控制等;LCD是系统的显示模块，实现测量结果的显示。
2 硬件设计
2.1 交流电压测量电路
将交流信号经过不同量程的放大电路之后，送入检波电路，检波后的直流信号输入A/D芯片进行直流电压的测量，获得直流信号电压值则可计算的交流信号电压有效值，其流程图如图2：
待测信号通过运算放大器（OPA2356）将被放大相应倍数，然后送入检波电路，把放大后的交流信号检波成直流信号，检波后的直流信号送入AD7705进行转换。图中不同电阻对应不同的放大倍数，而实际的放大倍数可能会因为检波二极管的性能有所调整。
2.2电阻测量电路
电阻测量电路如图4所示，待测电阻与标准精密电阻分压，检测待测电阻电压，则可根据欧姆定律计算电阻值。图中各个开关的断开与闭合用于量程选择，而实际设计中这些开关由单片机I/O控制MOS管开关驱动代替，实现对量程的自动选择。
2.3电流测量电路
INA282AIDR是一款电流检测芯片，其分压输入为-5～+18V，有单极性输出和双极性输出两种模式，电流测量电路设计如图5所示。电流测量思路与电阻测量相似，将电流转化为电压，然后送入A/D芯片。图中的R2为功率电阻，其作用便是接入待测电流信号，转化为电压信号，功率电阻参数为0.15Ω/5W，功率最好大一些，这样发热比较少，电阻不会很烫，防止烧坏，且精度可以保证。
2.4 STM32嵌入式系统
STM32系统需要实现SPI通信读取AD7705数据;LCD显示测量参数;按键切换测量模式和量程功能。系统需两个按键，采用中断监测，一个用于测量模式切换;另一个实现不同阻值电路通断，用作量程切换，按键连接如图6。另外，需要引出自有ADC通道和串口、I2C等其他拓展功能引脚。
2.6 AD转换电路
AD7705 是双通道全差分模拟输入，带有差分基准输入的16位AD芯片，其电路图如图7所示，J1排针为待测电压输入端，DOUT为电压输出端。AD7705有两个通道，可检测0～5V电压（单极性）和±2.5V电压（双极性），我们将一个通道设为单极性，一个通道设为双极性。
3 软件设计
3.1 AD7705模块设计
AD7705采用SPI通信方式读取数据，需要发送规定的指令来执行所对应的的动作，例如读取通道1的AD值，则需要写入字节“0x38 | 1”。在初始化AD7705完成后，可以利用图11函数，来读取指定通道的AD值，AD值为16位，需要循环读取16次，依次存入变量中。
3.2 测量模式和量程切换
本系统测量模式的切换使用按键切换，每次按键1被按下，则mode标志位加1，通过判断mode值从而选择不同的测量模式（如图12）。电压量程的切换使用按键2更改rank值，原理同上。而电阻量程的切换采用自动切换，从低档位依次计算判断，若计算后待测电阻值大于该档位值，则切换下一量程继续计算，直到不大于档位值为止。
每个测量模式和量程都有独立的AD/指标值对应的数学模型，进入不同的测量模式和量程后，则会调用不同的数学公式来计算出实际的指标值。
4 数据拟合曲线建立
由于硬件因素，测量数据相比较于理论值会存在一定的误差，所以我们需要进行数据的拟合，优化数据模型，减小测量误差。
4.1 交流电压数据拟合曲线
交流电压测量需对不同量程分段拟合，这样在不同量程下，就能用不同的计算公式，防止因放大和检波的因素，不同电压可能对应同一个AD值问题。我们在不同的量程，分别按一定间隔输入规律增加的交流电压，测得其AD值，然后建立AD值与输入的交流电压的数学模型，如下图14。
4.2 直流电流、电阻拟合曲线
直流电流不需要分档、放大和检波，且功率电阻和转换芯片对于电流范围支持较大，所以可通过理论建立模型直接计算。此处多次测量实际电流值和理论计算电流值，进行数据拟合即可。
我们采用精密电阻测试，通过测试得到的电阻值与真实电阻值进行数据拟合。电阻值测量分为了多个量程，以不同阻值精密电阻为参考电阻。我们以2KΩ量程为例，得到下图的拟合模型。
4.3 数据模型拟合的测量结果
电流测试：真实电流8.03mA，系统测得8.0mA，万用表测得7.88mA。
电压测试：示波器输出283mV交流（有效值100mV），系统测得100mV。
5结语
本系统设计了能够测量交/直流电压值、电流值以及电阻值。直流电压、电流、电阻测量可以自动换挡，交流电流测量为手动换挡。经过测试后，所有功能均运行正常，误差稳定≤2%，交流/直流电压精确到1mV，电流精确到0.1mA，达到预期效果。本设计使用方便，可供对精度和误差要求高的场合使用。
参考文献
[1]丁元杰. 单片微机原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2015.
[2]梁森，黄杭美. 自动检测与转换技术[M]. 北京：机械工业出版社，2012：42-50.
[3]全国大学生电子设计竞赛组委会. 智能数字万用表[J]. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编， 2015（01）：10-21.
[4]刘亚旭. 多用表测量电路优化及精度提高技术的研究[D].电子科技大学，2017
[5]张孟忠.差分电路双端输出交流电压测量方法分析[J].电气电子教学学报，2016，38（04）：138-139.
关键词：仪器仪表;万用表;STM32;AD7705;
1 系统整体结构
本数字万用表整体设计框图如图1。直流电压测量、交流电压测量、电阻测量、电流测量四个功能模块为系统采集模块，负责采集相应的信号，采集后经过一定的信号转换电路，转换成A/D转换模块可以识别的电压值;A/D是系统的转换模块，负责将采集的数据进行AD转换，并传输到单片机;单片机是系统的数据处理和控制模块，其实现选档控制、数据处理、显示控制、AD控制等;LCD是系统的显示模块，实现测量结果的显示。
2 硬件设计
2.1 交流电压测量电路
将交流信号经过不同量程的放大电路之后，送入检波电路，检波后的直流信号输入A/D芯片进行直流电压的测量，获得直流信号电压值则可计算的交流信号电压有效值，其流程图如图2：
待测信号通过运算放大器（OPA2356）将被放大相应倍数，然后送入检波电路，把放大后的交流信号检波成直流信号，检波后的直流信号送入AD7705进行转换。图中不同电阻对应不同的放大倍数，而实际的放大倍数可能会因为检波二极管的性能有所调整。
2.2电阻测量电路
电阻测量电路如图4所示，待测电阻与标准精密电阻分压，检测待测电阻电压，则可根据欧姆定律计算电阻值。图中各个开关的断开与闭合用于量程选择，而实际设计中这些开关由单片机I/O控制MOS管开关驱动代替，实现对量程的自动选择。
2.3电流测量电路
INA282AIDR是一款电流检测芯片，其分压输入为-5～+18V，有单极性输出和双极性输出两种模式，电流测量电路设计如图5所示。电流测量思路与电阻测量相似，将电流转化为电压，然后送入A/D芯片。图中的R2为功率电阻，其作用便是接入待测电流信号，转化为电压信号，功率电阻参数为0.15Ω/5W，功率最好大一些，这样发热比较少，电阻不会很烫，防止烧坏，且精度可以保证。
2.4 STM32嵌入式系统
STM32系统需要实现SPI通信读取AD7705数据;LCD显示测量参数;按键切换测量模式和量程功能。系统需两个按键，采用中断监测，一个用于测量模式切换;另一个实现不同阻值电路通断，用作量程切换，按键连接如图6。另外，需要引出自有ADC通道和串口、I2C等其他拓展功能引脚。
2.6 AD转换电路
AD7705 是双通道全差分模拟输入，带有差分基准输入的16位AD芯片，其电路图如图7所示，J1排针为待测电压输入端，DOUT为电压输出端。AD7705有两个通道，可检测0～5V电压（单极性）和±2.5V电压（双极性），我们将一个通道设为单极性，一个通道设为双极性。
3 软件设计
3.1 AD7705模块设计
AD7705采用SPI通信方式读取数据，需要发送规定的指令来执行所对应的的动作，例如读取通道1的AD值，则需要写入字节“0x38 | 1”。在初始化AD7705完成后，可以利用图11函数，来读取指定通道的AD值，AD值为16位，需要循环读取16次，依次存入变量中。
3.2 测量模式和量程切换
本系统测量模式的切换使用按键切换，每次按键1被按下，则mode标志位加1，通过判断mode值从而选择不同的测量模式（如图12）。电压量程的切换使用按键2更改rank值，原理同上。而电阻量程的切换采用自动切换，从低档位依次计算判断，若计算后待测电阻值大于该档位值，则切换下一量程继续计算，直到不大于档位值为止。
每个测量模式和量程都有独立的AD/指标值对应的数学模型，进入不同的测量模式和量程后，则会调用不同的数学公式来计算出实际的指标值。
4 数据拟合曲线建立
由于硬件因素，测量数据相比较于理论值会存在一定的误差，所以我们需要进行数据的拟合，优化数据模型，减小测量误差。
4.1 交流电压数据拟合曲线
交流电压测量需对不同量程分段拟合，这样在不同量程下，就能用不同的计算公式，防止因放大和检波的因素，不同电压可能对应同一个AD值问题。我们在不同的量程，分别按一定间隔输入规律增加的交流电压，测得其AD值，然后建立AD值与输入的交流电压的数学模型，如下图14。
4.2 直流电流、电阻拟合曲线
直流电流不需要分档、放大和检波，且功率电阻和转换芯片对于电流范围支持较大，所以可通过理论建立模型直接计算。此处多次测量实际电流值和理论计算电流值，进行数据拟合即可。
我们采用精密电阻测试，通过测试得到的电阻值与真实电阻值进行数据拟合。电阻值测量分为了多个量程，以不同阻值精密电阻为参考电阻。我们以2KΩ量程为例，得到下图的拟合模型。
4.3 数据模型拟合的测量结果
电流测试：真实电流8.03mA，系统测得8.0mA，万用表测得7.88mA。
电压测试：示波器输出283mV交流（有效值100mV），系统测得100mV。
5结语
本系统设计了能够测量交/直流电压值、电流值以及电阻值。直流电压、电流、电阻测量可以自动换挡，交流电流测量为手动换挡。经过测试后，所有功能均运行正常，误差稳定≤2%，交流/直流电压精确到1mV，电流精确到0.1mA，达到预期效果。本设计使用方便，可供对精度和误差要求高的场合使用。
参考文献
[1]丁元杰. 单片微机原理及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2015.
[2]梁森，黄杭美. 自动检测与转换技术[M]. 北京：机械工业出版社，2012：42-50.
[3]全国大学生电子设计竞赛组委会. 智能数字万用表[J]. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编， 2015（01）：10-21.
[4]刘亚旭. 多用表测量电路优化及精度提高技术的研究[D].电子科技大学，2017
[5]张孟忠.差分电路双端输出交流电压测量方法分析[J].电气电子教学学报，2016，38（04）：138-139.