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数位仪表设计-HY12P65简化可携式电量测量设计

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　　一、前言

　　在可携式电量测量设备中，常见有数位式复用电表(Digital Multimeters)及夹式电流表(Clamp Meter)。这些设备可用来测量出电量中的电压及电流，电量讯号又可分成直流及交流，而交流部分再分为平均值及方均根(root mean square, RMS)转换量测。平均值转换的电量测量设备并非真正测量方均根值，而是以正弦波交流信号，做信号平均值测量，校正所得到的量值。对于非正弦波而言，可能会有相当程度的误差。因此很多可携式电量测量製造厂，会在产品打着True RMS字样，强调真正能够量测各种波形方均根测量的重要性，而非只能量测正弦波交流信号的方均根。

　　本文将採用纮康科技(HYCON)的HY12P65系列DMM专用晶片，达到简化可携式电量测量的产品设计，此晶片为混合讯号积体电路(mixed-signal IC)，是结合了类比与数位电路的积体电路，并内建数位式方均根转换，对电量信号测量做转换。

　　二、 HY12P65功能简介

　　8-bit OTP MCU (HY12P65) 提供客户产品的差异性

　　高精度快速SDADC配合DT-RMS数字处理器, 可实现Peak Hold及Inrush Current量测功能

　　弹性自动换档多功能网路与自我元件校正网路可量测参考电阻比值并提高精度

　　可编程正负定电压源/定电流源

　　双多功能比较器搭配可程式化比较电压能实现持续量测电容与频率

　　3组24 bits可程式化计数器可同时量测频率, 週期与占空比

　　三、电路分析

　　1. 电压量测：

　　通常类比数位转换器输入满刻度约在数百毫伏特之间，但待测电压可能是数百伏特，电压相差千倍，必须先衰减后，再至下一级电路(类比数位转换器或交流转直流)。

　　2. 电流量测：

　　线圈感应式-此量测方式与比流器相同，电流流经导线或导体产生电磁场，利用线圈感应电流;如下图，而流经导线或导体的电流与线圈感应的电流成正比，线圈感应的电流无法由类比数位转换器直接转换成数值，故在线圈的输出加一电阻，将电流转换成电压，再输入到交流转直流电路(平均值电路和均方根电路)，最后类比数位转换器将直流电压转换成数值。

　　霍尔元件感应式-这类属交直流夹式电流表，此量测方式也是量流经导线或导体电流所产生的电磁场，只不过是用积体电路元件感应，将电流所产生电磁强度转换成电压，由于此信号太小通常会加放大电路，而信号会输入到交流转直流电路，或是直接输入类比数位转换器将直流电压转换成数值。常用的钩部导磁材质有硅钢、镍钢，而钩部导磁材质会影响直流夹式电流表的线性及频率响应。另一个会影响夹式电流表的线性及频率响应则是霍尔感测器，而量测小电流时的霍尔感测器採用Insb材质，量测大电流时的霍尔感测器採用GaAs材质。

　　3. 交流转直流：

　　无论是电压或电流都会有交流信号部分，而以往在量测交流信号电路依精準度不同，有表(一)中的几种量测方式。由表(一)、表(二)分析表可知方均根在交流信号测量是较精确，但成本较高。在HY12P65内建数位式方均根转换机制，已帮设计者解决在交流信号测量问题，可以不需均方根转换专用元件及数位信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)高阶晶片。

	优点	缺点
平均值电路	电路简单、成本低。	只有在测量正旋波之电量信号是正确。在量测高 C.F. ( 也就是 Crest Factor 较大 ) 时量测读值比实际方均根值还小，而会误导使用者，造成电击事故。
方均根电路	精确度较高、可测量非正旋波电量信号。由表 ( 二 ) 可得知平均值电路和均方根电路的误差。通常有均方根转直流的类比积体电路元件。	使用均方根转换专用元件 ( 如： Analog Devices 的 AD737 、 AD636 、 AD637 或是 Linear Technology Corporation 的 LTC196x 系列 ) ，产品成本高。
韧体方均根	将取样之数值经过平方、平均、开根号计算，可精确量测到交流方均根值，并从取样之数值得知信号之峰对峰值，可量测较大 C.F. 的信号。甚至进行信号分析。	需要取样速度快类比数位转换器，及搭配运算能力强之单晶片或数位信号处理器，产品成本高。

　　▲ 表(一)：交流量测方式分类表

各种波形在波峰 1V 振幅	波峰因数 *1	实际方均根	平均响应电路读值 *2	平均响应电路读值误差
非失真正弦波	1.414	0.707 V	0.707 V	0%
对称方波	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%
高斯杂讯	3	0.333 V	0.295 V	–11.4%
脉波工作週期 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: 波峰因数 (Crest Factor, C.F.) 为 V_PEAK/V_RMS 2: 平均响应电路以正弦波信号校正成方均根读值

▲ 表(二)：平均响应电路测量各种波形错误(摘自Analog Devices.)

　　4. Peak Hold

　　在有些机电应用中需要量测波峰值，则需用波峰检测电路(Peak Hold)将电压锁住，类比数位转换器在进行电压转换，但是这种电路中锁住电压的电容容易受外在环境而有所变化。HY12P65具有数位式波峰检测，将类比数位转换结果进行比较，使数值较为正确。

　　5. 涌浪电流量测

　　近几年Fluke提出涌浪电流(In-Rush Current)量测，指"在一个叁相电机，浪涌电流一般持续75~150mS之间具有500%和1200%之间的电流尖峰。虽然短暂，激增会带来一些问题。HY12P65具有快速交流信号转换。

　　6. 被动元件量测：

　　电阻量测方法有很多种，常用有桥式、比率式及定电流式。此例採用定电流式。由欧姆定律(R=V/I)可得知当固定电流加在待测电阻上，电阻两端电压与它的阻值成正比。定电流式除了可以量测电阻，还可以量测二极体、电容。

　7. 温度量测：

　　可携式电量测量设备，有时除在电能及元件测量外，增加温度量测。最常见的温度感测器有四种：热电偶(Thermocouple)、电阻式温度感测器(Resistance Temperature Detectors; RTD)、热敏电阻(Thermistor)及积体电路式。而在此类设备多採用热电偶量测结构，其塬理是两金属相接会产生席贝克效应(Seebeck effect)的电压，但在待测温度与环境温度相同时电压为零，所以必须做环境温度冷接点补偿(Cold-Junction Compensation)。此例採用HY12P65系列内建Temperature Sensor达成。