數(shù)位儀表設(shè)計-HY12P65簡化可攜式電量測量設(shè)計
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一、 前言
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/235898.htm在可攜式電量測量設(shè)備中，常見有數(shù)位式復(fù)用電表(Digital Multimeters)及夾式電流表(Clamp Meter)。這些設(shè)備可用來測量出電量中的電壓及電流，電量訊號又可分成直流及交流，而交流部分再分為平均值及方均根(root mean square, RMS)轉(zhuǎn)換量測。平均值轉(zhuǎn)換的電量測量設(shè)備并非真正測量方均根值，而是以正弦波交流信號，做信號平均值測量，校正所得到的量值。對于非正弦波而言，可能會有相當程度的誤差。因此很多可攜式電量測量製造廠，會在產(chǎn)品打著True RMS字樣，強調(diào)真正能夠量測各種波形方均根測量的重要性，而非只能量測正弦波交流信號的方均根。
本文將採用纮康科技(HYCON)的HY12P65系列DMM專用晶片，達到簡化可攜式電量測量的產(chǎn)品設(shè)計，此晶片為混合訊號積體電路(mixed-signal IC)，是結(jié)合了類比與數(shù)位電路的積體電路，并內(nèi)建數(shù)位式方均根轉(zhuǎn)換，對電量信號測量做轉(zhuǎn)換。
二、 HY12P65功能簡介
8-bit OTP MCU (HY12P65) 提供客戶產(chǎn)品的差異性
高精度快速SDADC配合DT-RMS數(shù)字處理器, 可實現(xiàn)Peak Hold及Inrush Current量測功能
彈性自動換檔多功能網(wǎng)路與自我元件校正網(wǎng)路可量測參考電阻比值并提高精度
可編程正負定電壓源/定電流源
雙多功能比較器搭配可程式化比較電壓能實現(xiàn)持續(xù)量測電容與頻率
3組24 bits可程式化計數(shù)器可同時量測頻率, 週期與占空比
三、 電路分析
1. 電壓量測：
通常類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器輸入滿刻度約在數(shù)百毫伏特之間，但待測電壓可能是數(shù)百伏特，電壓相差千倍，必須先衰減后，再至下一級電路(類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器或交流轉(zhuǎn)直流)。
2. 電流量測：
線圈感應(yīng)式-此量測方式與比流器相同，電流流經(jīng)導(dǎo)線或?qū)w產(chǎn)生電磁場，利用線圈感應(yīng)電流;如下圖，而流經(jīng)導(dǎo)線或?qū)w的電流與線圈感應(yīng)的電流成正比，線圈感應(yīng)的電流無法由類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換成數(shù)值，故在線圈的輸出加一電阻，將電流轉(zhuǎn)換成電壓，再輸入到交流轉(zhuǎn)直流電路(平均值電路和均方根電路)，最后類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器將直流電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)值。
霍爾元件感應(yīng)式-這類屬交直流夾式電流表，此量測方式也是量流經(jīng)導(dǎo)線或?qū)w電流所產(chǎn)生的電磁場，只不過是用積體電路元件感應(yīng)，將電流所產(chǎn)生電磁強度轉(zhuǎn)換成電壓，由于此信號太小通常會加放大電路，而信號會輸入到交流轉(zhuǎn)直流電路，或是直接輸入類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器將直流電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)值。常用的鉤部導(dǎo)磁材質(zhì)有硅鋼、鎳鋼，而鉤部導(dǎo)磁材質(zhì)會影響直流夾式電流表的線性及頻率響應(yīng)。另一個會影響夾式電流表的線性及頻率響應(yīng)則是霍爾感測器，而量測小電流時的霍爾感測器採用Insb材質(zhì)，量測大電流時的霍爾感測器採用GaAs材質(zhì)。
3. 交流轉(zhuǎn)直流：
無論是電壓或電流都會有交流信號部分，而以往在量測交流信號電路依精準度不同，有表(一)中的幾種量測方式。由表(一)、表(二)分析表可知方均根在交流信號測量是較精確，但成本較高。在HY12P65內(nèi)建數(shù)位式方均根轉(zhuǎn)換機制，已幫設(shè)計者解決在交流信號測量問題，可以不需均方根轉(zhuǎn)換專用元件及數(shù)位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)高階晶片。
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優(yōu)點 |
缺點 |
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平均值電路 |
電路簡單、成本低。 |
只有在測量正旋波之電量信號是正確。在量測高C.F. (也就是Crest Factor較大) 時量測讀值比實際方均根值還小，而會誤導(dǎo)使用者，造成電擊事故。 |
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方均根電路 |
精確度較高、可測量非正旋波電量信號。由表(二)可得知平均值電路和均方根電路的誤差。通常有均方根轉(zhuǎn)直流的類比積體電路元件。 |
使用均方根轉(zhuǎn)換專用元件(如：Analog Devices的AD737、AD636、AD637或是Linear Technology Corporation的LTC196x系列)，產(chǎn)品成本高。 |
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韌體方均根 |
將取樣之數(shù)值經(jīng)過平方、平均、開根號計算，可精確量測到交流方均根值，并從取樣之數(shù)值得知信號之峰對峰值，可量測較大C.F.的信號。甚至進行信號分析。 |
需要取樣速度快類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器，及搭配運算能力強之單晶片或數(shù)位信號處理器，產(chǎn)品成本高。 |
▲ 表(一)：交流量測方式分類表
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各種波形 在波峰1V振幅 |
波峰因數(shù)*1 |
實際方均根 |
平均響應(yīng)電路讀值 *2 |
平均響應(yīng)電路讀值誤差 |
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非失真正弦波 |
1.414 |
0.707 V |
0.707 V |
0% |
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對稱方波 |
1.00 |
1.00 V |
1.11 V |
+11.0% |
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非失真叁角波 |
1.73 |
0.577 V |
0.555 V |
–3.8% |
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高斯雜訊 |
3 |
0.333 V |
0.295 V |
–11.4% |
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脈波 工作週期50% 工作週期10% |
2 10 |
0.5 V 0.1 V |
0.278 V 0.011 V |
–44% –89% |
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SCR失真正弦波 工作週期50% 工作週期25% |
2 4.7 |
0.495 V 0.212 V |
0.354 V 0.150 V |
–28% –30% |
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*1: 波峰因數(shù)(Crest Factor, C.F.)為VPEAK/VRMS *2: 平均響應(yīng)電路以正弦波信號校正成方均根讀值 |
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4. Peak Hold
在有些機電應(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，類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器在進行電壓轉(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。HY12P65具有數(shù)位式波峰檢測，將類比數(shù)位轉(zhuǎn)換結(jié)果進行比較，使數(shù)值較為正確。
5. 涌浪電流量測
近幾年Fluke提出涌浪電流(In-Rush Current)量測，指"在一個叁相電機，浪涌電流一般持續(xù)75~150mS之間具有500%和1200%之間的電流尖峰。雖然短暫，激增會帶來一些問題。HY12P65具有快速交流信號轉(zhuǎn)換。
6. 被動元件量測：
電阻量測方法有很多種，常用有橋式、比率式及定電流式。此例採用定電流式。由歐姆定律(R=V/I)可得知當固定電流加在待測電阻上，電阻兩端電壓與它的阻值成正比。定電流式除了可以量測電阻，還可以量測二極體、電容。
7. 溫度量測：
可攜式電量測量設(shè)備，有時除在電能及元件測量外，增加溫度量測。最常見的溫度感測器有四種：熱電偶(Thermocouple)、電阻式溫度感測器(Resistance Temperature Detectors; RTD)、熱敏電阻(Thermistor)及積體電路式。而在此類設(shè)備多採用熱電偶量測結(jié)構(gòu)，其塬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)境溫度冷接點補償(Cold-Junction Compensation)。此例採用HY12P65系列內(nèi)建Temperature Sensor達成。
8. 電源電路：
可攜式電量測量設(shè)備需要輕小，但在電源部分都是使用乾電池，此例是使用兩個1.5V乾電池，為使系統(tǒng)電源更穩(wěn)定，HY12P65具有倍壓(Charge Pumps)及穩(wěn)壓(Regulator)功能。
四、 電路圖
五、 參考資料
l HY12P65(DMM Specialized IC Embedded Digital T-RMS) Datasheet
l HY12P Series(Digital Multimeter) Family User’s Guide
六、 晶片製造商：
l 纮康科技(HYCON Technology)專注于溫度、壓力、重量、電壓、電流、功率……等類比訊號的量測及監(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)晶片開發(fā)。
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