紘康科技數字儀表設計-數字復用表芯片新趨勢

一、 前言：

　　電子電機人員在檢修或做實驗時都會用到指針三用電表或數字復用表(Digital Multimeters, DMM)，以往的可攜式數字儀表產業(yè)多采用Harris(已被Intersil并購)、JRC、Maxim、Samsung、Telcom(已被Microchip并購)等國外大廠生產的數字復用電表專用模擬數字轉換器(Analog to Digital Converter, ADC)將輸入模擬信號轉換為數字信號來處理。但可攜式數字儀表產業(yè)，特性為量少、樣多、產品生命周期長。故這些外國集成電路大廠，已不再設計新的數字復用電表專用A/D轉換器，甚至已退出數字復用電表專用A/D轉換器的市場。數字復用表只需要一個芯片再外加電阻、電容、保護組件….等，就完成一個產品，所以門坎已不高，而這個產業(yè)大餅就那么大，以致最后就是價格戰(zhàn)，且利潤不如消費性產品。對于數字復用表而言專用模擬數字轉換器是核心，大多的可攜式儀表產業(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，在模擬數字轉換器部分有兩種架構，分別是采用Σ-Δ(Sigma - Delta)及采用雙斜率積分(Dual Slop)為架構。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模擬數字轉換器架構。

二、 可攜式電量儀表演進：

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

　　自從集成電路開始發(fā)展后，芯片供貨商設計出模擬數字轉換器，因此有掌上型選單換文件式數字復用電表(Handheld Manual Range Digital Multimeters)，采用ICL7106、ICL7108、TLC7135、HI-7159A模擬數字轉換器，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，芯片供貨商設計出DMM專用模擬數字轉換器，因此有掌上型自動換文件式數字復用電表(Handheld Auto Range Digital Multimeters)，采此類電表采用Telcom TC818A、Samsung KAD7001、JRC NJU9210模擬數字轉換器，通常將DMM所有功能都設計在芯片內，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確度高、分辨率高、與計算機聯(lián)機或特殊功能。因此芯片供貨商將DMM專用模擬前端設計出一個組件(如Maxim的MAX133/MAX134)，或是將模擬前端結合MCU(如Epson的S1C62M20)，芯片搭配MCU實現(xiàn)新的需求。但這類產品的芯片，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：

　　未來可攜式數字儀表產業(yè)趨勢，為了不再是價格戰(zhàn)，就必須有自己的產品功能規(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)畫開關網絡

　　以往DMM專用芯片將每個功能及文件位開關網絡都固定，優(yōu)點是容易設計，但是彈性切換多功能網絡，無法有自己的產品功能規(guī)劃。本文所介紹的DMM專用芯片，皆具有可規(guī)畫開關網絡，若國內可攜式數字儀表產業(yè)，在產品設計上有更多發(fā)揮空間。

　　▲HY12P65 Analog Switch Network

2. 高解度Σ-Δ模擬數字轉換器

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

　　Σ-Δ模擬數字信號轉換器，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)點就是外圍電路少、轉換速度快、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字轉換器低。

3. 數字方均根電路

　　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，但須外加均方根轉換專用組件，就是「RMS-DC(Root Mean Square-DC)轉換器」，故成本較高，較容易被一般使用者忽略。

　　雖然均方根轉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模擬數字轉換器，可實現(xiàn)數字式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

　　▲平均響應電路測量各種波形誤差(摘自Analog Devices.)

4. Low Pass Filter

　　在有些機電量測應用，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，系改變模擬數字信號轉換器的OSR(Over-Sampling Ratio)，而達成信號低通濾波，等同將高頻信號濾除效果，使數值較為正確。

　　▲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

　　在有些機電應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，模擬數字轉換器在進行電壓轉換，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，具有數字式波峰檢測，將模擬數字轉換結果進行比較，使數值較為正確。

　　▲ HY12P65 Peak Hold Block Diagram

　　▲ 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備多采用熱電偶量測結構，其原理是兩金屬相接會產生席貝克效應(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)境溫度冷接點補償(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. 標準串行接口

　　HY12P65具有UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)及SPI(Serial Peripheral Interface)界面，新一代可攜式數字儀表，大多具有UART接口與計算機通訊功能，可達成自動測試及產品的自動更正，減少人工操作成本。而產品校正值或量測數值，可透過SPI接口儲存在MCU外部的內存(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，適合中低階數字儀表，節(jié)省產品電路布局空間，使產品體積可以做到更小。

四、 參考數據：

　　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)控制等領域的相關芯片開發(fā)。

　　http://www.hycontek.com/