周余铭 陈春有 梁东梅 韦翠连 黎小飞
摘 要
针对常用数字万用表测量精度要定时检测的问题，设计一个基于LM399H高精度带隙基准源的误差检测装置。本装置通过LM399H稳压输出，再经过电阻分压或运算放大电路，可设计出1.5V、6.5V和10V三种档位电压。直流输出电压经ADS1256采集，然后由STM32单片机处理，结果输出显示在TFT液晶屏。经实际电路测试，该装置可对4位半数字万用表直流电压档位检测测量误差。该装置价格成本低，性能稳定，具有潜在的应用价值。
关键词
LM399H;电阻分压;运算放大;A/D采样
中图分类号： TB52 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.09.053
Abstract
To solve the problem that measurement accuracy of common digital multimeters needs to be measured regularly， an error detection device based on LM399H high-precision bandgap reference source is designed.This device through the LM399H voltage regulation output， and then through the resistance voltage or operation amplifier circuit， can design 1.5V， 6.5V and 10V gear voltage.The dc output voltage is collected by ADS1256 and processed by STM32 microcontroller. The output is displayed on the TFT LCD screen.Through actual circuit test， the device can detect and measure the error of dc voltage gear of 4 semi-digital multimeter.The device has low cost， stable performance and potential application value.
Key words
LM399H; Resistance partial pressure; Operation amplification; A/D sampling
0 引言
当代科学技术日新月异，万用表的功能愈齐全，其在当下是电子、电工、仪器、仪表和测量领域的一种工具，更是电子类学生的掌中宝。面对当前常用数字万用表精度需定期检查的问题，必须借助高精度的仪器对其进行标定，确保其在合格的使用范围内。本设计旨在设计出一款低成本、高精度的数字万用表检测装置，对数字万用表直流电压档位精度进行检测，从而减少测量误差对实验数据处理过程中的影响。
本装置是基于带隙基准电压源，其在模拟信号电路、混合信号电路，用作电压基准参考的电压源。它的稳定性和抗噪声性会影响整个电路系统的精度与性能。LM199、299、399是目前市场上电压基准芯片中温度系数最低的集成“稳压管”[1]，其温度系数最低可达2ppm/℃的级别，内部有恒温器件，可保持器件的长期稳定性[2]。LM399价格适中，性能相对稳定，故本装置以它为主核心。
1 系统整体方案设计
本装置是基于LM399H为核心而设计的一款针对4位半数字万用表测试误差检测的装置。装置整体有两个大模块：高精度稳压输出模块和A/D转换模块。电源采用R型变压器将市电降压，再经三端稳压LM78XX系列芯片稳压供给整个装置。装置输出直流电压最终使用是德科技（KEYSIGHT）6的台式万用表标定。LM399H稳定输出7.063V经继电器选通电路分三路，两路进入电阻分压网络和缓冲当大电路，分别输出1.5002V和6.502V，另一路进入运算放大电路，输出9.999V（1.5002V、6.502V和9.999V分别对应1.5 V、6.5 V和10 V三种档位的输出电压标定值）。直流稳压信号输入到ADS1256采压模块进行A/D转换，经STM32F103单片机处理，并将采集结果显示在液晶屏。待测的万用表调节合适电压档位测量装置输出端，将输出电压标定值和万用表读数值相比较，就可计算出该万用表的误差值，进而判断万用表的测量精度是否可靠。装置的整体框图如图1所示。
2 硬件主要电路设计
2.1 电源电压电路
稳压电源从调整管的工作状态来分可以分为线性电源和开关电源两大类别。两者相比，线性电源的主要优点是可以达到较高的质量指标，它的稳定度和纹波可达到10-6～10-7[3]。本系统采用线性稳压电源，220V交流电经R型变压器降压，经LM7815第一次稳压，供给LM399H基准源和LT1001运算放大电路，15V電压进入LM7812第二次稳压，供给OPA2241缓冲放大电路，12V继续输入到LM7805三端稳压输入端，+5V电压供给继电器电路、STM32单片机、ADS1256采压模块。R型变压器的卷绕式铁芯磁路封闭，磁场分布均匀，能减小磁阻，在重量和漏磁性能方面明显优于EI型变压器，其空载损耗和噪声都很低[4]，特别是过载波动小，能够有效防止市电电网波动影响电路。电容滤波电路结构简单，且电容具有维持其两端电压不变的特性，电容与负载相连，可得到电压波形比较平滑[5]，电路含交流电成分就越少。UA78XX系列以低噪声的特性得到广泛使用，内置稳压电流和热开关功能，使电路处于免过载状态。与此同时，该芯片也能够达到大幅度减小电网波动的效果。电源原理图如图2所示。
2.2 装置输出电压电路
LM399H是一款最小温漂达2ppm/℃的高精度基准源芯片，有效保障输出电压值的稳定性。LM399H管脚1上的电阻起限制电流的作用。单片机控制继电器，三个支路通过继电器的吸合或断开作用，实现与LM399H输出端连接或断开的功能。OPA2241是双路运放芯片，支持单电源供电范围宽，在1.5V和6.5V档输出端起缓冲放大作用。LT1001是一款低噪声、低温漂的芯片，将基准输出电压7.063V同向放大至9.999V。装置输出电压原理图如图3所示。
2.3 A/D采压模块
ADS1256是一款24位A/D芯片，它支持SPI的通信方式。考虑到电路实际情况和线路布局的问题，8个通道只使用AIN0、AIN2和AIN4这3个通道。AIN4采集1.5V档电压，而AIN0、AIN2分别采集10V档和6.5档V，因超出正电压值5V，必须在其输入端采用电阻分压方式降压。芯片模拟地和数字地最终用零欧电阻共在一起。AIN0、AIN2输入端的电阻不统一，取决于前级电路的输出功率，本电路使用的集成运放芯片输出功率带不起太小的负载。A/D采压模块原理图如图4所示。
3 软件电路设计
设计采用的核心主控是STM32F103，这是一款性价比较高的单片机。ST公司推出的STM32凭借其产品线的多样化、极高的性价比、简单易用的库开发方式，迅速在众多的Cortex-M3 MCU中脱颖而出，成为最闪亮的一颗新星[6]。它具有一流的外设：1μs的双12位ADC，18兆位/秒的SPI，利用其SPI与ADS1256进行通信，把数据传到MUC里面处理，就是利用STM32的多外设和高速的运算和灵活性。三个档位的电压切换方式通过按下开发板3个按键Key0或Key1或Key2，控制引脚输出高电平的方式，使继电器吸合，从而产生对应档位的电压进入到A/D模块完成数据转化过程。程序流程图如图5所示。
4 测试结果与数据分析
4.1 测试方法及台表测量装置输出电压值
高精度的仪器必须得预热，采集数据才相对稳定。为保障本测试的科学性与合理性，KEYSIGHT 6台式万用表开机预热30分钟，本装置上电工作10分钟后，每个档位电压用台式万用表持续测试15分钟，间隔1分钟记录数据。三个档位电压测试结果如表格1所示。
将表格1的数据转换成折线图如图6所示。
由图6可明显看出1.5V、6.5V、10V三个档位的电压在15Min测试中，输出电压波动幅度曲线近乎趋为直线，再由最大误差值可得，三档位电压精度都在0.05%以下（优利德UT56万用表直流电压档位基本精度为±（0.05%+3）），由此推断出装置的实际效果满足设计要求。
4.4 本装置功能性效果
以型号为UT56的优利德4位半数字万用表为例，调节到合适的电压档位，万用表红黑表笔直接测装置电压输出端口，采集到的结果如图7、图8、图9所示。
通过图7、图8和图9实测数值和输出电压标定值相对比，实验数据对比结果如表格2所示。
由表格2的数据分析显示，万用表直流电压档位2V/20V分别测量1.5002V、6.502V、9.999V时出现的误差相对较小，而且表头性能仍保持在出厂设计的误差范围内，由此可证实万用表性能较好，使用测量电压这一功能无多大影响。
5 误差分析
（1）三端稳压芯片在工作时容易发烫，散发的热量稍微改变电路板附近环境温度的变化，对温度敏感的电子元件有影响;（2）受0805封装电阻温漂的影响，测试时输出值有漂移，但维持在允许误差范围内。
6 总结
本设计以LM399H为核心的基準电压源和ADS1256采压模块组合的装置，对型号为UT56的4位半数字万用表的直流电压档位精度进行误差检测，经过实测证明，本装置性能稳定，操作简单，适用于实验室初步检测万用表的精准度，方便电子爱好者检测手中的数字万用表，是具有超强实际应用的装置。虽然本装置只能对4位半数字万用表电压档位检测，但是根据万用表测量电阻、电流和电压原理可知，万用表液晶屏显示的数据是基于采集电压为基础，经过欧姆定理公式U=I*R换算而来的，即直流电压档位误差小，亦可证明测量电阻和电流两个档位自然也在允许误差范围之内，这是本装置功能特性的拓展之处。
参考文献
[1]杨霖.LM199/299/399精密电压基准[J].电子制作，2001（08）：40-41.
[2]李绍敏.精密基准电压源LM399系列[J].国外电子元器件，1996（08）：31-32.
[3]陈太洪.基于LM399的高精密度稳压电源[J].工矿自动化，2006（02）：42-44.
[4]毛兴武，张乃国.电子元件知识讲座（八） R型变压器[J].电子元器件应用，2011，13（11）：50-53.
[5]杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2006.5.397-400.
[6]刘火良，杨森.STM32库开发实战指南：基于STM32F103 （第2版）[M].北京：机械工业出版社，2017.5.17-18.
