一 任務：設計並製作一臺兩線制直流電源電壓顯示錶。作爲典型的電池類電源電壓監視器，它使用兩根引線連接直流電源，它的電路直接從電源取電（禁止外部供電），同時測量並顯示電壓，電路系統結構如圖1所示。
二 要求：
- 設計如圖1中的兩線制電壓表，要求輸入的信號Ui範圍是0.9V—60V。在這個電壓範圍內，電壓表必須能夠正常工作，顯示器顯示要能夠跟隨輸入電壓變化而變化。
- 顯示分辨率不低於0.01V。
- 以0V作爲最小量程端，以60V作爲最大量程端，要求.0.9V—60V實際量程中任何一點測量值的滿量程相對誤差不大於0.2%。
- 方案論證
1.主控芯片的選擇
方案1：採用STM8L151K4T6，進行AD採樣，此方案主控芯片，爲8位CPU，12位ADC，主頻最高可達16MHZ，功耗極低
方案二：採用STM32F103C8T6，進行AD採樣，此方案主控芯片，爲32位CPU，12位ADC，主頻最高可達72MHZ，雖然數據運算速度較快，功耗較高。
綜上所述，考慮到功耗的原因，故選擇方案一。
2.顯示器的選擇
方案一：採用6位數碼管段式液晶，經過測試當液晶正常工作時，工作電流爲300uA，功耗極低。
方案二：採用0.96寸OLED，當OLED正常工作時，工作電流較大，功耗較高。
綜上所述，故選擇方案一。
3.總體方案描述
如下圖1所示，系統總體方案如下，輸入電壓經過線性穩壓電路後，給其他模塊供電，如何輸入電壓經過AD採樣電路處理以後，信號送至STM8L151K4T6當中處理，處理完成以後，通過液晶顯示。
- 電路與程序設計
1.線性穩壓電路
線性穩壓電路如下圖2所示，當輸入電壓爲1.2V—60V時，應保證線性穩壓電路的輸出爲2.5V，首先通過NPN三極管，PNP三極管，構成負反饋電路，使負反饋電路的輸出最低爲1.2V，然後再通過DC-DC升壓芯片，將1.2V升高至2.7V，2.7V電壓，通過穩壓管，轉換爲2.5V。NPN三極管和PNP三極管選擇需要注意，三極管的放大倍數較大，而且三極管的Vce至少大於60V。
工作原理分析：
（1） 當VCC上電時，三極管NPN2導通，三極管PNP1的基級電壓，被拉低。三極管PNP1被導通，導通以後，因爲二極管的鉗位作用，PNP1的發射級電壓Ve爲，二極管導通電壓之和。PNP1的發射級電壓Ve經過負反饋反饋到，三極管NPN1的基級上，導致三極管NPN1導通，NPN2的基級電壓被拉低，NPN2關閉。電容EC1放電，當電壓到降低，不能使NPN1導通時，NPN1關閉，NPN2導通，PNP1導通。EC1充電。線性穩壓電路重複上述過程。
（2） PNP1的發射級電壓Ve經過DC—DC升壓芯片以後，升高至2.7V，後接2.5V穩壓二極管，穩出2.5V電壓，給後續電路供電。
2.AD採樣電路
AD採樣電路通過電阻分壓的方式對輸入電壓，進行分壓，根據VCC輸入電源不同電壓不同，一共將AD採樣分爲4擋，如下表1所示。
|
檔數 |
VCC |
|
第一檔 |
0V≤VCC＜5V |
|
第二檔 |
5V≤VCC＜20V |
|
第三檔 |
20V≤VCC＜40V |
|
第四檔 |
40V≤VCC＜80V |
AD採樣電路如下圖3所示，電阻分壓以後，需要注意電容濾波，注意當VCC較大時，需要進行對運放的保護，可以採用二極管進行保護。
3.程序設計
程序開始對外設進行初始化，初始化完成以後，進行AD採樣，然後進行數字濾波，最後通過顯示屏顯示，具體如下圖4所示。
- 理論分析與計算
1.線性穩壓電路
因其NPN，PNP三極管需要滿足，集電極和發射級之間的耐壓值需要大於60V，故NPN三極管選擇TIP41C, PNP三極管選擇TIP42C.TIP41C和TIP42C的集電極和發射級之間的耐壓值爲100V，DC-DC升壓芯片，採用PT1301。
PT1301輸出電壓，可以如下公式計算。
（式1）
由式1可知，當Vout=2.7V，R2=1MΩ時，R1=1.16MΩ。
另外如圖2線性穩壓電路所示，2.5V穩壓電路中，電阻阻值計算公式如下。
（式2）
當Vout=2.7V，I=3mA時，R爲66Ω。
2.AD採樣電阻分壓電路
AD採樣電阻分壓電路如下圖5所示，當VCC電壓爲分檔臨界電壓時，考慮到留下餘量的原因，故輸出2.4即可，故用如下公式計算分壓電阻阻值。
（式3）
由公式3可得，不同檔位，電阻值如下表2所示。
|
檔數 |
VCC |
R1，R2電阻值 |
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第一檔 |
0V≤VCC＜5V |
R1=520K，R2=480K |
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第二檔 |
5V≤VCC＜20V |
R1=880K，R2=120K |
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第三檔 |
20V≤VC＜40V |
R1=940K，R2=60K |
|
第四檔 |
40V≤VC＜80V |
R1=970K，R2=30 |
運放採用mcp6002，爲保護運放芯片，需要在運放的電壓輸入端進行保護，可用二極管進行鉗位保護，二極管負極接2.5V電壓。
- 測試方案與測試結果
1.測試儀器
一臺五位半萬用表，型號DM3058，2臺電源箱，型號DP832。
2.測試方案
測試時，使用可調直流電源作爲電壓源。使用五位半表監測直流輸入電壓，然後通萬用表的值（真實值）和顯示器上的值（測量值），計算出滿量程相對誤差。滿量程相對誤差，下公式所示。
（式3）
3.測試結果
|
電源箱電壓/V |
真實值/V |
測量值/V |
絕對誤差/mV |
滿量程相對誤差 |
|
0.9 |
0.894 |
0.895 |
1.000 |
0.001% |
|
8.0 |
7.996 |
7.998 |
2.000 |
0.002% |
|
16.0 |
15.996 |
15.998 |
2.000 |
0.002% |
|
24.0 |
23.996 |
24.003 |
7.000 |
0.009% |
|
32.0 |
31.996 |
32.007 |
11.000 |
0.014% |
|
40.0 |
40.000 |
40.002 |
2.000 |
0.003% |
|
48.0 |
48.001 |
48.009 |
8.000 |
0.010% |
|
56.0 |
56.001 |
55.996 |
5.000 |
0.006% |
|
64.0 |
64.002 |
64.024 |
22.000 |
0.028% |
|
72.0 |
72.004 |
72.031 |
27.000 |
0.034% |
|
80.0 |
80.007 |
80.039 |
32.000 |
0.040% |
4.測試結果分析
通過對測試數據分析可知，當輸入電壓爲3V-36V時，電壓表可以正常工作，顯示器顯示要能夠跟隨輸入電壓變化而變化。顯示分辨率不低於0.01V，而且在此量程範圍內，任何一點測量值的滿量程相對誤差不大於0.3%。當輸入電壓爲1.2V—60V時，電壓表也能正常工作，任何一點測量值的滿量程相對誤差不大於0.2%，測試結果符合題目要求。此外在原有的基礎上，將輸入電壓擴充至0.9V—82V時，電壓表可以正常工作，且任何一點測量值的滿量程相對誤差不大於0.05%。
附錄：原理圖
