數位儀表設計-HY12P65簡化可攜式電量測量設計

作者：時間：2014-04-03 來源：電子產品世界

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　　一、前言

本文引用地址：http://2s4d.com/article/235898.htm

　　在可攜式電量測量設備中，常見有數位式復用電表(Digital Multimeters)及夾式電流表(Clamp Meter)。這些設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)轉換量測。平均值轉換的電量測量設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，會在產品打著True RMS字樣，強調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品設計，此晶片為混合訊號積體電路(mixed-signal IC)，是結合了類比與數位電路的積體電路，并內建數位式方均根轉換，對電量信號測量做轉換。

　　二、 HY12P65功能簡介

　　8-bit OTP MCU (HY12P65) 提供客戶產品的差異性

　　高精度快速SDADC配合DT-RMS數字處理器, 可實現(xiàn)Peak Hold及Inrush Current量測功能

　　彈性自動換檔多功能網路與自我元件校正網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：

　　通常類比數位轉換器輸入滿刻度約在數百毫伏特之間，但待測電壓可能是數百伏特，電壓相差千倍，必須先衰減后，再至下一級電路(類比數位轉換器或交流轉直流)。

　　2. 電流量測：

　　線圈感應式-此量測方式與比流器相同，電流流經導線或導體產生電磁場，利用線圈感應電流;如下圖，而流經導線或導體的電流與線圈感應的電流成正比，線圈感應的電流無法由類比數位轉換器直接轉換成數值，故在線圈的輸出加一電阻，將電流轉換成電壓，再輸入到交流轉直流電路(平均值電路和均方根電路)，最后類比數位轉換器將直流電壓轉換成數值。

　　霍爾元件感應式-這類屬交直流夾式電流表，此量測方式也是量流經導線或導體電流所產生的電磁場，只不過是用積體電路元件感應，將電流所產生電磁強度轉換成電壓，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直流電路，或是直接輸入類比數位轉換器將直流電壓轉換成數值。常用的鉤部導磁材質有硅鋼、鎳鋼，而鉤部導磁材質會影響直流夾式電流表的線性及頻率響應。另一個會影響夾式電流表的線性及頻率響應則是霍爾感測器，而量測小電流時的霍爾感測器採用Insb材質，量測大電流時的霍爾感測器採用GaAs材質。

　　3. 交流轉直流：

　　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內建數位式方均根轉換機制，已幫設計者解決在交流信號測量問題，可以不需均方根轉換專用元件及數位信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)高階晶片。

	優(yōu)點	缺點
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，而會誤導使用者，造成電擊事故。
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。通常有均方根轉直流的類比積體電路元件。	使用均方根轉換專用元件(如：Analog Devices的AD737、AD636、AD637或是Linear Technology Corporation的LTC196x系列)，產品成本高。
韌體方均根	將取樣之數值經過平方、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位轉換器，及搭配運算能力強之單晶片或數位信號處理器，產品成本高。

　　▲ 表(一)：交流量測方式分類表

各種波形在波峰1V振幅	波峰因數*1	實際方均根	平均響應電路讀值 *2	平均響應電路讀值誤差
非失真正弦波	1.414	0.707 V	0.707 V	0%
對稱方波	1.00	1.00 V	1.11 V	+11.0%
非失真叁角波	1.73	0.577 V	0.555 V	–3.8%
高斯雜訊	3	0.333 V	0.295 V	–11.4%
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%
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%
1: 波峰因數(Crest Factor, C.F.)為V_PEAK/V_RMS 2: 平均響應電路以正弦波信號校正成方均根讀值

▲ 表(二)：平均響應電路測量各種波形錯誤(摘自Analog Devices.)

　　4. 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，類比數位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。HY12P65具有數位式波峰檢測，將類比數位轉換結果進行比較，使數值較為正確。

　　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。而在此類設備多採用熱電偶量測結構，其塬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)。此例採用HY12P65系列內建Temperature Sensor達成。