CW32L012C8T6 定位為電機(jī)控制、電源管理、智能儀表、工業(yè)傳感器等領(lǐng)域的高性價(jià)比解決方案，尤其適合需要高精度模擬信號(hào)處理 + 復(fù)雜數(shù)字控制的混合信號(hào)系統(tǒng)，ARM Cortex-M0+ 內(nèi)核：主頻高達(dá)96MHz，提供高效運(yùn)算能力，兼顧性能與功耗平衡。

單芯片完整混合信號(hào)處理能力，無(wú)需額外模擬芯片：

這篇文章以及系列文章就是介紹使用這款芯片的模擬外設(shè)，盡可能減少外圍電路，使用少量的外圍器件，以極低的成本設(shè)計(jì)出一款智能萬(wàn)用表，實(shí)現(xiàn)精度高，功能全，成本低 ，智能化的萬(wàn)用表。

首先我們來(lái)到電壓電流表的第一部分，就是直流電壓表的設(shè)計(jì)，整體采用“電壓采集→信號(hào)調(diào)理→模數(shù)轉(zhuǎn)換→數(shù)據(jù)處理→顯示輸出”的模塊化架構(gòu)，有核心功能均通過(guò)CW32L012C8T6的特設(shè)外設(shè)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需外接復(fù)雜模擬電路。其中，信號(hào)調(diào)理依托芯片內(nèi)置OPA，模數(shù)轉(zhuǎn)換依靠雙12位ADC，數(shù)據(jù)處理由Cortex-M0+內(nèi)核配合硬件加速單元完成，顯示輸出通過(guò)芯片通信外設(shè)驅(qū)動(dòng)，電源管理借助LVD電壓檢測(cè)與低功耗模式（如果有需要），因?yàn)槲冶敬问鞘褂玫墓俜介_(kāi)發(fā)板來(lái)實(shí)驗(yàn)的，所以并未使用電源管理。這樣形成完整的電壓測(cè)量閉環(huán)，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并降低BOM成本。

電壓采集與信號(hào)調(diào)理模塊（核心依托：雙路軌到軌OPA），MCU電源供電采用的是3.3V，那么OPA的正向輸入電壓最高為3.3V，那么待測(cè)的電壓就是0-3.3V，這顯然是不符合電壓表的測(cè)量量程的，電壓表能測(cè)量大范圍的電壓其實(shí)是依靠電阻分壓完成的，將大電壓通過(guò)分壓比合理分壓到3.3V以內(nèi)，再通過(guò)OPA的正向輸入，在軟件中通過(guò)分壓比進(jìn)行計(jì)算就能得到準(zhǔn)確的電壓，這就是大電壓的測(cè)量，在這里將大電壓已經(jīng)合理分壓到3.3V以內(nèi)了，為什么還需要通過(guò)OPA的正向輸入？這就需要給大家介紹OPA的三種模式了：

內(nèi)部程控放大模式

原理：利用CW32L012C8T6 OPA內(nèi)置的可編程增益放大器（PGA），無(wú)需外接反饋/輸入電阻，通過(guò)芯片寄存器配置增益，輸入信號(hào)接入OPA同相/反相端，輸出經(jīng)內(nèi)部反饋回路形成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大，屬于芯片內(nèi)置增益調(diào)節(jié)模式。

優(yōu)點(diǎn)：1. 無(wú)需外接電阻，簡(jiǎn)化硬件電路、降低BOM成本，縮小PCB體積；2. 增益通過(guò)寄存器程控配置，調(diào)節(jié)便捷，無(wú)需改動(dòng)硬件；3. 依托芯片OPA校準(zhǔn)功能，失調(diào)電壓小，放大精度高；4. 適配芯片低功耗特性，程控調(diào)節(jié)時(shí)不增加額外功耗。

缺點(diǎn)：1. 增益范圍受芯片PGA限制（如固定幾檔增益），無(wú)法實(shí)現(xiàn)任意增益調(diào)節(jié)；2. 僅支持放大功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信號(hào)衰減；3. 對(duì)輸入信號(hào)幅度有要求，超出范圍易出現(xiàn)飽和失真，需提前預(yù)處理。

電壓跟隨器模式

原理：屬于芯片OPA內(nèi)置閉環(huán)模式，無(wú)需外接任何電阻，將OPA輸出端直接反饋至反相輸入端，同相輸入端接入輸入信號(hào)，閉環(huán)增益恒為1，僅實(shí)現(xiàn)信號(hào)的緩沖與隔離，無(wú)放大/衰減功能，是內(nèi)部程控放大模式的特殊增益（增益=1）情況。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 電路最簡(jiǎn)單，無(wú)需外接任何元器件，最大程度簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)；

2. 輸入阻抗極高（MΩ~TΩ級(jí)），輸出阻抗極低，有效隔離前級(jí)與后級(jí)，避免后級(jí)負(fù)載影響前級(jí)信號(hào)；

3. 信號(hào)無(wú)相位失真、無(wú)幅度失真，傳輸延遲小，響應(yīng)速度快；

4. 適配芯片軌到軌輸入輸出特性，信號(hào)幅度可接近電源電壓范圍。

缺點(diǎn)：

1. 無(wú)任何放大/衰減能力，僅能做信號(hào)緩沖，無(wú)法調(diào)理信號(hào)幅度；

2. 抗干擾能力弱，無(wú)增益帶來(lái)的干擾抑制效果，易受環(huán)境噪聲影響；

3. 輸出電壓完全跟隨輸入電壓，無(wú)法拓展信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。

外部獨(dú)立運(yùn)放模式

原理：將芯片OPA作為獨(dú)立運(yùn)放使用，脫離內(nèi)置PGA，通過(guò)外接輸入電阻、反饋電阻等元器件，自主配置成同相放大、反相放大等組態(tài)，增益、反饋方式完全由外部電路決定，芯片僅提供OPA核心放大單元。

優(yōu)點(diǎn)：

1. 靈活性極高，可根據(jù)需求配置任意增益（放大/衰減）、任意反饋組態(tài)；

2. 不受芯片PGA增益范圍限制，適配不同幅度、不同類(lèi)型的信號(hào)調(diào)理需求；

3. 可通過(guò)外接高精度電阻、濾波元器件，進(jìn)一步提升信號(hào)調(diào)理精度和抗干擾能力；

4. 適配復(fù)雜場(chǎng)景，可與外部電路聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定制化信號(hào)處理。

缺點(diǎn)：

1. 需外接電阻、電容等元器件，增加硬件復(fù)雜度和BOM成本；

2. 調(diào)試難度增加，需匹配外部元器件參數(shù)，避免自激、失真；

3. 外接元器件的精度、溫漂會(huì)影響OPA整體性能，需選用高品質(zhì)元器件；

4. 相比內(nèi)部模式，功耗略有增加（受外接電路影響）。

其實(shí)這就是用到了電壓跟隨器模式，做前后級(jí)隔離，減少干擾的。

如果是特別小的電壓，比如只有幾個(gè)mV的電壓，直接使用ADC進(jìn)行測(cè)量是測(cè)量不到這么微小的電壓的，那么我們就需要將微弱的電壓放大到ADC可以測(cè)量的范圍，再通過(guò)軟件計(jì)算除以相應(yīng)的放大的倍數(shù)，就可以測(cè)量到這個(gè)微弱電壓，這款OPA可以放大的倍數(shù)為2，4，8，16，32，我使用的是低于10mV的電壓就放大8倍進(jìn)行測(cè)量，10mV以上的電壓就通過(guò)軟件切換到電壓跟隨器模式。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（核心依托：雙12位ADC），正常的配置是選用其中一路ADC作為主采樣通道，另一路選用參考電壓芯片內(nèi)置1.2V基準(zhǔn)源（BGR1p2），配置為雙通道連續(xù)采樣模式，主采樣通道接入OPA輸出，這樣就能獲得OPA調(diào)理以后的數(shù)據(jù)，我一開(kāi)始也是這樣設(shè)計(jì)的，但是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)使用BGR作為參考電壓是會(huì)放大誤差的，因?yàn)锽GR內(nèi)部電壓會(huì)有噪聲波動(dòng)，ADC采集數(shù)據(jù)也會(huì)有2個(gè)單位左右的波動(dòng)，參考源加上ADC的雙重波動(dòng)，在測(cè)量mV級(jí)電壓誤差極大，而且這種誤差是隨機(jī)的，不可控，所以我們需要固定的參考源，最好是一個(gè)固定的參考源，這就需要引入對(duì)ADC進(jìn)行標(biāo)定的概念，我們用外出電壓表測(cè)量出準(zhǔn)確的接入芯片的電源電壓，比如我測(cè)到的電源電壓為3.296V，那么在軟件中12位ADC的4095個(gè)單位，對(duì)應(yīng)的參考值就是一個(gè)固定的3.296V，ADC的配置也只需要配置為單通道連續(xù)采樣了，這樣我們就獲得了一個(gè)穩(wěn)定的參考源，但是這種方法的弊端就是，采用不同的電壓管理就需要對(duì)芯片的電源進(jìn)行標(biāo)定一次，記錄到芯片的FLASH中，接著可以在軟件中使用取極值平均濾波盡可能的消除ADC的抖動(dòng)，這樣可以獲得一個(gè)較穩(wěn)定的原始數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，獲得了一個(gè)準(zhǔn)確的電壓值，最后通過(guò)大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證，使用我們這款芯片測(cè)量電壓，和使用準(zhǔn)確的電壓表測(cè)量電壓，通過(guò)表格做一個(gè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，找到ADC的偏差值，這個(gè)誤差是系統(tǒng)誤差，可以消除。

數(shù)據(jù)處理模塊（核心依托：Cortex-M0+內(nèi)核+硬件加速單元），利用EAU擴(kuò)展算術(shù)運(yùn)算單元，優(yōu)化除法、乘法等數(shù)學(xué)運(yùn)算，減輕CPU負(fù)擔(dān)，提升數(shù)據(jù)處理速度；如果電壓表不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換擋位，就不能叫智能電壓表，在軟件中，默認(rèn)時(shí)刻都需要切換到最大量程的范圍，最大分壓比得到的電壓太小就切換到更小的分壓比，通過(guò)軟件判斷測(cè)量值的大小，逐步切換到不使用分壓比，極小的電壓信號(hào)就切換到OPA的程控放大模式，這樣就實(shí)現(xiàn)的擋位的自動(dòng)切換，最后將測(cè)量到的數(shù)據(jù)通過(guò)I2C,SPI通訊發(fā)生到顯示屏上顯示。

審核編輯 黃宇