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)域的高性價比解決方案，尤其適合需要高精度模擬信號處理 + 復(fù)雜數(shù)字控制的混合信號系統(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處理能力，無需額外模擬芯片：

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)計出一款智能萬用表，實現(xiàn)精度高，功能全，成本低 ，智能化的萬用表。

首先我們來到電壓電流表的第一部分，就是直流電壓表的設(shè)計，整體采用“電壓采集→信號調(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CW32L012C8T6的特設(shè)外設(shè)實現(xiàn)，無需外接復(fù)雜模擬電路。其中，信號調(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，顯示輸出通過芯片通信外設(shè)驅(qū)動，電源管理借助LVD電壓檢測與低功耗模式（如果有需要），因為我本次是使用的官方開發(fā)板來實驗的，所以并未使用電源管理。這樣形成完整的電壓測量閉環(huán)，簡化電路設(shè)計并降低BOM成本。

電壓采集與信號調(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，那么待測的電壓就是0-3.3V，這顯然是不符合電壓表的測量量程的，電壓表能測量大范圍的電壓其實是依靠電阻分壓完成的，將大電壓通過分壓比合理分壓到3.3V以內(nèi)，再通過OPA的正向輸入，在軟件中通過分壓比進(jìn)行計算就能得到準(zhǔn)確的電壓，這就是大電壓的測量，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），無需外接反饋/輸入電阻，通過芯片寄存器配置增益，輸入信號接入OPA同相/反相端，輸出經(jīng)內(nèi)部反饋回路形成閉環(huán)，實現(xiàn)信號放大，屬于芯片內(nèi)置增益調(diào)節(jié)模式。

優(yōu)點：1. 無需外接電阻，簡化硬件電路、降低BOM成本，縮小PCB體積；2. 增益通過寄存器程控配置，調(diào)節(jié)便捷，無需改動硬件；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)時不增加額外功耗。

缺點：1. 增益范圍受芯片PGA限制（如固定幾檔增益），無法實現(xiàn)任意增益調(diào)節(jié)；2. 僅支持放大功能，無法實現(xiàn)信號衰減；3. 對輸入信號幅度有要求，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，閉環(huán)增益恒為1，僅實現(xiàn)信號的緩沖與隔離，無放大/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：

1. 電路最簡單，無需外接任何元器件，最大程度簡化設(shè)計；

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

3. 信號無相位失真、無幅度失真，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，信號幅度可接近電源電壓范圍。

缺點：

1. 無任何放大/衰減能力，僅能做信號緩沖，無法調(diào)理信號幅度；

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

3. 輸出電壓完全跟隨輸入電壓，無法拓展信號動態(tài)范圍。

外部獨立運(yùn)放模式

原理：將芯片OPA作為獨立運(yùn)放使用，脫離內(nèi)置PGA，通過外接輸入電阻、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：

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、不同類型的信號調(diào)理需求；

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

4. 適配復(fù)雜場景，可與外部電路聯(lián)動，實現(xiàn)定制化信號處理。

缺點：

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）。

其實這就是用到了電壓跟隨器模式，做前后級隔離，減少干擾的。

如果是特別小的電壓，比如只有幾個mV的電壓，直接使用ADC進(jìn)行測量是測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可以測量的范圍，再通過軟件計算除以相應(yīng)的放大的倍數(shù)，就可以測量到這個微弱電壓，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)行測量，10mV以上的電壓就通過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)，我一開始也是這樣設(shè)計的，但是經(jīng)過實驗使用BGR作為參考電壓是會放大誤差的，因為BGR內(nèi)部電壓會有噪聲波動，ADC采集數(shù)據(jù)也會有2個單位左右的波動，參考源加上ADC的雙重波動，在測量mV級電壓誤差極大，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，最好是一個固定的參考源，這就需要引入對ADC進(jìn)行標(biāo)定的概念，我們用外出電壓表測量出準(zhǔn)確的接入芯片的電源電壓，比如我測到的電源電壓為3.296V，那么在軟件中12位ADC的4095個單位，對應(yīng)的參考值就是一個固定的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，這樣可以獲得一個較穩(wěn)定的原始數(shù)據(jù)，通過對原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，獲得了一個準(zhǔn)確的電壓值，最后通過大量的數(shù)據(jù)驗證，使用我們這款芯片測量電壓，和使用準(zhǔn)確的電壓表測量電壓，通過表格做一個數(shù)據(jù)的對比，找到ADC的偏差值，這個誤差是系統(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；如果電壓表不能實現(xiàn)自動切換擋位，就不能叫智能電壓表，在軟件中，默認(rèn)時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，通過軟件判斷測量值的大小，逐步切換到不使用分壓比，極小的電壓信號就切換到OPA的程控放大模式，這樣就實現(xiàn)的擋位的自動切換，最后將測量到的數(shù)據(jù)通過I2C,SPI通訊發(fā)生到顯示屏上顯示。

審核編輯 黃宇