电压测量是电子测量中最基础的内容之一。本文介绍一套以 STM32 为核心的多路电压测量系统：前端采用可控增益放大电路扩展量程，用 SD 卡保存测量数据，并通过触摸屏设置测量通道数与测量速度。系统在测量范围、精度与成本之间取得平衡，适合便携式与现场测量应用。

一、非接触电压测量原理

非接触电压测量与磁力仪测量磁场的思路类似，不需要与被测对象直接电气连接，而是通过电容耦合、利用位移电流测量物体表面或自由空间的电压。把传感器电极置于电场中时，感应电极与信号源之间形成耦合电容，信号源经耦合电容与测量系统、地之间构成一个分压电路，如图 1 所示。

图 1　非接触电压测量原理

当耦合阻抗远小于系统输入阻抗时，测量系统相当于一只具有理想特性的电压计，可以有效地测量电压信号。因此提高系统灵敏度应从两方面入手：采用反馈等技术提高前端传感器的输入电阻，同时尽量降低输入电容。测得空间两点之间的电压后，还可以根据电压与电场的关系推算该区域的电场分布。

二、ADC 前端匹配电路

为扩大测量范围并保证测量精度，系统在 STM32 的 ADC 之前加入了匹配电路。输入信号先经电压跟随器缓冲，再由分压电路衰减到 AD603 的输入范围，最后经一级跟随器送入 ADC 输入端；AD603 的控制端由 STM32 的 DAC 驱动，用于设定增益。匹配电路的核心是 AD603——单通道、低噪声、增益可线性连续调节的可控增益放大器。

AD603 的带宽与增益范围由输出端 VOUT 与反馈端 FDBK 的连接方式决定：两点短接时为宽频带模式（带宽 90 MHz），增益范围为 −11.07～+31.07 dB；带宽降至 9 MHz 时，增益范围约为 +9～+51 dB。器件增益与控制电压成线性关系，增益控制端的输入电压范围为 ±500 mV，对应约 40 dB 的增益调节范围，折算增益斜率为 25 mV/dB，因此增益每改变 5 dB，控制端电压约需变化 125 mV。ADC 匹配电路如图 2 所示。

图 2　以 AD603 为核心的 ADC 匹配电路

三、SD 卡存储电路

系统使用 MicroSD 卡（TF 卡）保存测量数据。MicroSD 卡与标准 SD 卡一样有 SPI 和 SDIO 两种总线模式：SPI 模式接口简单但速度较慢，SDIO 模式速度较快但操作相对复杂。SDIO 模式又分 1 线模式和 4 线模式，本设计采用 4 线模式以获得更高的存储速率。MicroSD 卡的硬件连接如图 3 所示。

图 3　MicroSD 卡硬件连接电路

四、触摸屏交互电路

测量通道与显示参数的设置除使用按键外，还通过触摸屏完成，触摸屏由芯片 TSC2046 控制，其硬件连接如图 4 所示。

图 4　TSC2046 触摸屏控制电路

在图 4 中，TSC2046 采集触摸点的坐标，从而确定触摸位置并完成人机交互。STM32 通过 SPI 总线与 TSC2046 通信，读取触摸信息，本设计用触摸屏设置测量通道数和测量速度。

五、小结

STM32 在速度、功耗方面性能优越，价格较低，在成本上也有优势，适合作为控制类电子设备的核心。系统采用 12 位 ADC，能够满足一般的测量精度要求；对更高的测量精度需求，则需要使用分辨率更高的 ADC 或专用 DSP 芯片，但这会显著增加开发成本。本方案已完成多路电压测量的各项功能，其稳定性和可靠性还需要在实际使用中进一步检验，以使设计更趋完善。