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该仪表采用16位ADC测量0～10V的电压信号，为使输入阻抗大于10MΩ，使用了OP27运放组成了仪表放大器的输入结构，同时还使用差动输出结构的运放THS4130连接ADC的差动输入端。这样THS4130输出信号为VOD=(RF／RG)*(1+2R2／R1)*VI，在满量程为10V时，选择R1=R2=1kΩ RC=30kΩ，RF=1k，则最大VOD=1．0V；在满量程为1．0V时，选择R1=R2=1kΩ，RG=30kΩ，RF=10k，则最大VOD=1．0V，量程由开关S1选择。为满足ADC的需求，将VCM端与VREF相连，使输出电压偏移+1．2V。
该仪表采用一路16位ADC测量该仪表的输出电压或电流，对输出信号进行校正，使输出电压和电流的误差更小。
ADC时钟选择MCLK，采用锁相环使频率稳定到1．048MHz，采样率为4096，定时3路连续转换，32个转换结果相加取平均值。
测量部分的单片机采用SPI接口顺序输出3路ADC的数据到数据处理与显示部分。
(2)数据处理与显示部分
数据处理与显示功能由MSP430F449实现，其原理图如图2所示。
从图2可以知道，数据处理与显示电路中具有4×4键盘和7位液晶显示器。其F449的SPI0引脚P3．3、P3．1与测量部分的F425单片机的P1．6、P2．1引脚相连，F425担当主机，定时向从机F449发送数据。
数据处理与显示部分将测量的数据乘以按键输入的比例系数，并转换成十进制数后，输出到液晶显示器上。液晶显示器在按键控制下，可以单独显示输入的电压或是电流，也可以显示输出的电压和电流，或是顺序定时显示它们。该部分以同样的方式处理被测量的频率和显示输出的频率。

2 产生电压与电流信号
该仪表产生工业标准的4～20mA电流和0～10V电压信号，其原理图如图3所示。

由图3可以看出，电压信号与电流信号都是采用PWM实现。为使输出电压和电流数值准确，采用了反馈控制原理，就是使F425单片机测量输出的电压或者电流，然后将测量数据与电压或电流的设定值比较后，用误差值校正输出。
PWM由F449单片机的定时器B输出模式7实现，对于20mA的满度电流，为达到0．1％的精度，需要每一个定时器B的计数数字代表的电流为22μA。这里取5μA，设置CCRO=4000，若时钟频率为8MHz，则PWM的频率为2000Hz。对于10V电压信号，为达到0．1％精度，需要每一个定时器B的计数数字代表的电压为10mV，这里取2．5mV，设置CCR0=4000，取时钟频率为8MHz，则PWM的频率同样为2000Hz。
由于输出的是直流电压和电流信号，所以采用简单的RC滤波就能满足要求。
F449实现电压输出的过程：键盘输入需要输出的电压值后，计算出相应的CCR1的数值，则输出TB1按照CCR1给定的占空比输出频率为2000Hz的脉冲，经过滤波后输出稳定直流电压；该电压的1／10反馈到16位ADC的输入端，产生当前输出电压的数值数据，该数据经过32次累加平均后，与设定值比较，其误差值与CCR1数值相加产生新的CCR1数值，也就调整了输出电压。由于CCR1数值中的一个数字代表的电压值比10mV误差小的多，所以肯定有一个CCR1数值使输出电压满足要求。
F449实现准确电流输出的过程与实现电压输出的过程基本相同，只是采样输出电流。

3 测量与产生频率信号
(1)频率信号的测量
由F449中的定时器B实现频率的测量，1～1000Hz频率信号从CCP模块输入引脚输入，在第一个被测脉冲上升沿捕获定时器的TBR数值，在第二个脉冲上升沿再次捕获TBR的数值，则两次TBR数值之差就是被测脉冲周期。
(2)频率信号输出
F449的TB6引脚输出频率信号，其范围为1～1000Hz，使定时器B工作在连续计数的比较模式，根据输出频率，不断设置CCR6的数值，则在TBR数值与CCR6数值相同时，使输出端TB6产生置位与复位，输出频率信号。
输入的频率信号与输出的频率信号，都要经过信号处理电路，使其满足接口电路的逻辑电平。

4 结论
本文设计了工业电压、电流与频率信号的测量与产生仪表的工作原理，给出了主要部分的电原理图。设计采用16位ADC测量电流与电压信号，使该仪表可以在工业现场测量变送器是输出信号；而采用反馈误差消除方法输出的电压和电流信号，可以检查数据采集仪表的准确性。经过验证，利用MSP430系列MCU实现的测量与信号产生仪表是成功的和实用的。
另外，需要注意的是在电路板的设计及实际调试当中，对于模拟信号应进行有效的屏蔽与可靠的接地，只有这样才能保证该设备的正常使用与测量精度。

关键词： 工业标准 测量仪表 信号产生