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數(shù)字儀表設(shè)計(jì)-數(shù)字復(fù)用表芯片新趨勢(shì)

   2012年09月12日 17:38  
  摘要:電子電機(jī)人員在檢修或做實(shí)驗(yàn)時(shí)都會(huì)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(gòu))、JRC、Maxim、Samsung、com(已被Microchip并購(gòu))等國(guó)外大廠生產(chǎn)的數(shù)字復(fù)用電表模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analogto Digital Converter,ADC)將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)來(lái)處理。文章主要介紹了數(shù)字儀表設(shè)計(jì)-數(shù)字復(fù)用表芯片新趨勢(shì),供大家了解。
  
  一、前言:
  
  電子電機(jī)人員在檢修或做實(shí)驗(yàn)時(shí)都會(huì)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(gòu))、JRC、Maxim、Samsung、com(已被Microchip并購(gòu))等國(guó)外大廠生產(chǎn)的數(shù)字復(fù)用電表模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analogto Digital Converter,ADC)將輸入模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)來(lái)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(zhǎng)。故這些外國(guó)集成電路大廠,已不再設(shè)計(jì)新的數(shù)字復(fù)用電表A/D轉(zhuǎn)換器,甚至已退出數(shù)字復(fù)用電表A/D轉(zhuǎn)換器的市場(chǎng)。數(shù)字復(fù)用表只需要一個(gè)芯片再外加電阻、電容、保護(hù)組件….等,就完成一個(gè)產(chǎn)品,所以門(mén)坎已不高,而這個(gè)產(chǎn)業(yè)大餅就那么大,以致zui后就是價(jià)格戰(zhàn),且利潤(rùn)不如消費(fèi)性產(chǎn)品。對(duì)于數(shù)字復(fù)用表而言模擬數(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(kāi)DMM芯片。
  
  在近幾年的集成電路蓬勃發(fā)展,出現(xiàn)幾家DMM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(DualSlop)為架構(gòu)。本文將介紹纮康科技(Hycon)HY12P65混合信號(hào)處理器(Mixed-Signal Microcon troller)的DMM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?jī)x表演進(jìn):
  
  可攜式電量?jī)x表zui早是指針三用電表,這一代儀表單價(jià)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(kāi)始發(fā)展后,芯片供貨商設(shè)計(jì)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(cè),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(shí)須靠手動(dòng)的方式選擇檔位,比較不方便使用。
  
  為了簡(jiǎn)化操作,芯片供貨商設(shè)計(jì)出DMM模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,因此有掌上型自動(dòng)換文件式數(shù)字復(fù)用電表(HandheldAuto Range Digital Multimeters),采此類電表采用comTC818A、SamsungKAD7001、JRCNJU9210模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,通常將DMM所有功能都設(shè)計(jì)在芯片內(nèi),只要外加電阻、電容,且在使用上不需手動(dòng)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(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)或特殊功能。因此芯片供貨商將DMM模擬前端設(shè)計(jì)出一個(gè)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(shí)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(cè),其他功能電路都需要外加,較為不理想。
  
  為了實(shí)現(xiàn)以上新的需求,纮康科技推出新一代DMM芯片,如HY12P65,以解決這些問(wèn)題。
  
  三、芯片新趨勢(shì)功能概述:
  
  未來(lái)可攜式數(shù)字儀表產(chǎn)業(yè)趨勢(shì),為了不再是價(jià)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芯片。新趨勢(shì)依功能,可概分為以下幾項(xiàng):
  
  1.可規(guī)畫(huà)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)
  
  以往DMM芯片將每個(gè)功能及文件位開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)都固定,優(yōu)點(diǎn)是容易設(shè)計(jì),但是彈性切換多功能網(wǎng)絡(luò),無(wú)法有自己的產(chǎn)品功能規(guī)劃。本文所介紹的DMM芯片,皆具有可規(guī)畫(huà)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò),若國(guó)內(nèi)可攜式數(shù)字儀表產(chǎn)業(yè),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上有更多發(fā)揮空間。
  
  ▲HY12P6nalog Switch Network
  
  2.高解度Σ-Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器
  
  以往國(guó)外大廠生產(chǎn)的DMM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(huì)影響整個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換器,近幾年愈來(lái)愈多工業(yè)控制及儀表使用,它的zui大優(yōu)點(diǎn)就是外圍電路少、轉(zhuǎn)換速度快、分辨率及度高,且較不容易受到電力系統(tǒng)的50/60HZ而所有影響,其單價(jià)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(wú)論是電壓或電流都會(huì)有交流信號(hào)量測(cè)部分,而以往在量測(cè)交流信號(hào)電路依度不同,有交流量測(cè)方式分類表中的幾種量測(cè)方式。從交流量測(cè)方式分類表、平均響應(yīng)電路測(cè)量各種波形誤差等分析表,可知方均根(所謂TrueRMS)在交流信號(hào)測(cè)量是較,且是非常重要,但須外加均方根轉(zhuǎn)換組件,就是「RMS-DC(Root MeanS quare-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)換組件可提升測(cè)量,但是對(duì)過(guò)波峰因子的電壓,波峰值還是會(huì)超過(guò)模擬電路輸入允許范圍。本文所介紹的DMM芯片,具有高精度快速Σ-Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字式RMS及Inrush Current量測(cè)功能,再搭配波峰檢測(cè)(PeakHold)實(shí)現(xiàn)較高波峰因子電壓量測(cè)。
  
  交流量測(cè)方式分類表
  
  平均響應(yīng)電路測(cè)量各種波形誤差(摘自AnalogDevices.)
  
  4.Low Pass Filter
  
  在有些機(jī)電量測(cè)應(yīng)用,可能會(huì)有突波或其他高頻信號(hào)夾帶在待測(cè)信號(hào),則會(huì)用低通濾器(LowPassFilter),將高頻信號(hào)濾除。本文所介紹的DMM芯片,系改變模擬數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器的OSR(Over-Sampling Ratio),而達(dá)成信號(hào)低通濾波,等同將高頻信號(hào)濾除效果,使數(shù)值較為正確。
  
  低通濾波器(摘自Fluke289UsersManual)
  
  LowPassActive Filterfor10k Hzcutoff(摘自National Semiconductor ApplicationNote31)
  
  5.PeakHold
  
  在有些機(jī)電應(yīng)用中需要量測(cè)波峰值,則需用波峰檢測(cè)電路(PeakHold)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芯片,具有數(shù)字式波峰檢測(cè),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 Note31)
  
  6.溫度傳感器
  
  可攜式電量測(cè)量設(shè)備,有時(shí)除在電能及組件測(cè)量外,增加溫度量測(cè)。zui常見(jiàn)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(cè)量設(shè)備多采用熱電偶量測(cè)結(jié)構(gòu),其原理是兩金屬相接會(huì)產(chǎn)生席貝克效應(yīng)(Seebeckeffect)的電壓,但在待測(cè)溫度與環(huán)境溫度相同時(shí)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芯片,具有溫度傳感器。
  
  Temperature MeasurementCircuit.(摘自TexasInstruments OPAx235Datasheet)
  
  7.標(biāo)準(zhǔn)串行接口
  
  HY12P65具有UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)及SPI(SerialPeripheralInterface)界面,新一代可攜式數(shù)字儀表,大多具有UART接口與計(jì)算機(jī)通訊功能,可達(dá)成自動(dòng)測(cè)試及產(chǎn)品的自動(dòng)更正,減少人工操作成本。而產(chǎn)品校正值或量測(cè)數(shù)值,可透過(guò)SPI接口儲(chǔ)存在MCU外部的內(nèi)存(EEPROM或FLASH)。
  
  8.OTPMCU
  
  HY12P65除了具有DMM模擬前端線路,且整合8位精簡(jiǎn)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):
  
  lHY12P65(DMMSpecializedICEmbedded DigitalT-RMS)Datasheet
  
  lHY12P(Digital Multimeter)FamilyUser’s Guide
  
  lMakeBetterRMSMeasurementswithYourDMM,AgilentApplicationNote1392
  
  lOpAmpCircuitCollection,NationalSemiconductorApplicationNote31
  
  五、芯片制造商:
  
  l纮康科技(HyconTechnology)專注于溫度、壓力、重量、電壓、電流、功率……等模擬訊號(hào)的量測(cè)及監(jiān)視。主要提供在電池管理、儀器儀表(包含醫(yī)療、計(jì)量、溫度…),及工業(yè)控制等領(lǐng)域的相關(guān)芯片開(kāi)發(fā)。

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