數(shù)字儀表設(shè)計-數(shù)字復(fù)用表芯片新趨勢

 一、 前言：

電子電機(jī)人員在檢修或做實驗時都會用到指針三用電表或數(shù)字復(fù)用表(Digital Multimeters, DMM)，以往的可攜式數(shù)字儀表產(chǎn)業(yè)多采用Harris(已被Intersil并購)、JRC、Maxim、Samsung、Telcom(已被Microchip并購)等國外大廠生產(chǎn)的數(shù)字復(fù)用電表專用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號來處理。但可攜式數(shù)字儀表產(chǎn)業(yè)，特性為量少、樣多、產(chǎn)品生命周期長。故這些外國集成電路大廠，已不再設(shè)計新的數(shù)字復(fù)用電表專用A/D轉(zhuǎn)換器，甚至已退出數(shù)字復(fù)用電表專用A/D轉(zhuǎn)換器的市場。數(shù)字復(fù)用表只需要一個芯片再外加電阻、電容、保護(hù)組件….等，就完成一個產(chǎn)品，所以門坎已不高，而這個產(chǎn)業(yè)大餅就那么大，以致最后就是價格戰(zhàn)，且利潤不如消費(fèi)性產(chǎn)品。對于數(shù)字復(fù)用表而言專用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是核心，大多的可攜式儀表產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，不像美商福碌克(Fluke)可以自己開DMM專用芯片。

在近幾年的集成電路蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)幾家DMM專用芯片供貨商，在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器部分有兩種架構(gòu)，分別是采用Σ-Δ(Sigma - Delta)及采用雙斜率積分(Dual Slop)為架構(gòu)。本文將介紹纮康科技(Hycon)HY12P65混合信號處理器(Mixed-Signal Microcontroller) 的DMM專用芯片，此芯片采用Σ-Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。

二、 可攜式電量儀表演進(jìn)：

可攜式電量儀表最早是指針三用電表，這一代儀表單價低，但是準(zhǔn)確度低、分辨率低、功能少、且不具有輸入保護(hù)。

自從集成電路開始發(fā)展后，芯片供貨商設(shè)計出模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，因此有掌上型選單換文件式數(shù)字復(fù)用電表(Handheld Manual Range Digital Multimeters)，采用ICL7106、ICL7108、TLC7135、HI-7159A模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，除了具有指針三用電表的電壓、電阻、電流等量測，更增加如電容、頻率、溫度，且DMM制造商加入輸入保護(hù)電路。但是幾乎所有的功能都要外加電路切換，使用時須靠手動的方式選擇檔位，比較不方便使用。

為了簡化操作，芯片供貨商設(shè)計出DMM專用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，因此有掌上型自動換文件式數(shù)字復(fù)用電表(Handheld Auto Range Digital Multimeters)，采此類電表采用Telcom TC818A、Samsung KAD7001、JRC NJU9210模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通常將DMM所有功能都設(shè)計在芯片內(nèi)，只要外加電阻、電容，且在使用上不需手動方式選擇檔位。

但是用戶有新的需求是準(zhǔn)確度高、分辨率高、與計算機(jī)聯(lián)機(jī)或特殊功能。因此芯片供貨商將DMM專用模擬前端設(shè)計出一個組件(如Maxim的MAX133/MAX134)，或是將模擬前端結(jié)合MCU(如Epson的S1C62M20)，芯片搭配MCU實現(xiàn)新的需求。但這類產(chǎn)品的芯片，除了電壓、電阻、電流等量測，其他功能電路都需要外加，較為不理想。

為了實現(xiàn)以上新的需求，纮康科技推出新一代DMM專用芯片，如HY12P65，以解決這些問題。

三、 芯片新趨勢功能概述：

未來可攜式數(shù)字儀表產(chǎn)業(yè)趨勢，為了不再是價格戰(zhàn)，就必須有自己的產(chǎn)品功能規(guī)劃，如：智能型電表，則必須仰賴更有彈性的DMM專用芯片。新趨勢依功能，可概分為以下幾項：

1. 可規(guī)畫開關(guān)網(wǎng)絡(luò)

以往DMM專用芯片將每個功能及文件位開關(guān)網(wǎng)絡(luò)都固定，優(yōu)點(diǎn)是容易設(shè)計，但是彈性切換多功能網(wǎng)絡(luò)，無法有自己的產(chǎn)品功能規(guī)劃。本文所介紹的DMM專用芯片，皆具有可規(guī)畫開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，若國內(nèi)可攜式數(shù)字儀表產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)品設(shè)計上有更多發(fā)揮空間。

▲HY12P65 Analog Switch Network

2. 高解度Σ-Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

以往國外大廠生產(chǎn)的DMM專用芯片，A/D轉(zhuǎn)換器皆采用雙斜率積分為架構(gòu)，此架構(gòu)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度慢，而所采用的積分電容質(zhì)量會影響整個轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定度及誤差;通常積分電容需使用MPE或MPP等較好材料，且不易達(dá)較高的分辨率。

Σ-Δ模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器，近幾年愈來愈多工業(yè)控制及高級儀表使用，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是外圍電路少、轉(zhuǎn)換速度快、分辨率及精確度高，且較不容易受到電力系統(tǒng)的50/60 HZ而所有影響，其單價漸漸比雙斜率積分式模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器低。

3. 數(shù)字方均根電路

無論是電壓或電流都會有交流信號量測部分，而以往在量測交流信號電路依精準(zhǔn)度不同，有交流量測方式分類表中的幾種量測方式。從交流量測方式分類表、平均響應(yīng)電路測量各種波形誤差等分析表，可知方均根(所謂True RMS)在交流信號測量是較精確，且是非常重要，但須外加均方根轉(zhuǎn)換專用組件，就是「RMS-DC(Root Mean Square-DC)轉(zhuǎn)換器」，故成本較高，較容易被一般使用者忽略。

雖然均方根轉(zhuǎn)換專用組件可提升測量精確，但是對過波峰因子的電壓，波峰值還是會超過模擬電路輸入允許范圍。本文所介紹的DMM專用芯片，具有高精度快速Σ-Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可實現(xiàn)數(shù)字式RMS及Inrush Current量測功能，再搭配波峰檢測(Peak Hold)實現(xiàn)較高波峰因子電壓量測。

交流量測方式分類表

平均響應(yīng)電路測量各種波形誤差(摘自Analog Devices.)

4. Low Pass Filter

在有些機(jī)電量測應(yīng)用，可能會有突波或其他高頻信號夾帶在待測信號，則會用低通濾器(Low Pass Filter)，將高頻信號濾除。本文所介紹的DMM專用芯片，系改變模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換器的OSR(Over-Sampling Ratio)，而達(dá)成信號低通濾波，等同將高頻信號濾除效果，使數(shù)值較為正確。

低通濾波器 (摘自Fluke 289 Users Manual)

Low Pass Active Filter for 10 kHz cutoff (摘自National Semiconductor Application Note 31)

5. Peak Hold

在有些機(jī)電應(yīng)用中需要量測波峰值，則需用波峰檢測電路(Peak Hold)將電壓鎖住，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器在進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，但是這種電路中鎖住電壓的電容容易受外在環(huán)境而有所變化。本文所介紹的DMM專用芯片，具有數(shù)字式波峰檢測，將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行比較，使數(shù)值較為正確。

Low Drift Peak Detector (摘自National Semiconductor Application Note 31)

6. 溫度傳感器

可攜式電量測量設(shè)備，有時除在電能及組件測量外，增加溫度量測。最常見的溫度傳感器有四種：熱電偶(Thermocouple)、電阻式溫度傳感器(Resistance Temperature Detectors; RTD)、熱敏電阻(Thermistor)及集成電路式。而在可攜式電量測量設(shè)備多采用熱電偶量測結(jié)構(gòu)，其原理是兩金屬相接會產(chǎn)生席貝克效應(yīng)(Seebeck effect)的電壓，但在待測溫度與環(huán)境溫度相同時電壓為零，所以必須做環(huán)境溫度冷接點(diǎn)補(bǔ)償(Cold-Junction Compensation)。本文所介紹的DMM專用芯片，具有溫度傳感器。

Temperature Measurement Circuit. (摘自Texas Instruments OPAx235 Datasheet)

7. 標(biāo)準(zhǔn)串行接口

HY12P65具有UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)及SPI(Serial Peripheral Interface)界面，新一代可攜式數(shù)字儀表，大多具有UART接口與計算機(jī)通訊功能，可達(dá)成自動測試及產(chǎn)品的自動更正，減少人工操作成本。而產(chǎn)品校正值或量測數(shù)值，可透過SPI接口儲存在MCU外部的內(nèi)存(EEPROM或FLASH)。

8. OTP MCU

HY12P65除了具有DMM專用模擬前端線路，且整合8位精簡指令集(RISC)的MCU，適合中低階數(shù)字儀表，節(jié)省產(chǎn)品電路布局空間，使產(chǎn)品體積可以做到更小。

四、 參考數(shù)據(jù)：

l HY12P65(DMM Specialized IC Embedded Digital T-RMS) Datasheet

l HY12P(Digital Multimeter) Family User’s Guide

l Make Better RMS Measurements with Your DMM, Agilent Application Note 1392

l Op Amp Circuit Collection, National Semiconductor Application Note 31

五、 芯片制造商：

l 纮康科技(Hycon Technology)專注于溫度、壓力、重量、電壓、電流、功率……等模擬訊號的量測及監(jiān)視。主要提供在電池管理、儀器儀表(包含醫(yī)療、計量、 溫度…)，及工業(yè)控制等領(lǐng)域的相關(guān)芯片開發(fā)