数字仪表设计-数字复用表芯片新趋势

 一、 前言：

电子电机人员在检修或做实验时都会用到指针三用电表或数字复用表(Digital Multimeters, DMM)，以往的可携式数字仪表产业多采用Harris(已被Intersil并购)、JRC、Maxim、Samsung、Telcom(已被Microchip并购)等国外大厂生产的数字复用电表专用模拟数字转换器(Analog to Digital Converter, ADC)将输入模拟信号转换为数字信号来处理。但可携式数字仪表产业，特性为量少、样多、产品生命周期长。故这些外国集成电路大厂，已不再设计新的数字复用电表专用A/D转换器，甚至已退出数字复用电表专用A/D转换器的市场。数字复用表只需要一个芯片再外加电阻、电容、保护组件….等，就完成一个产品，所以门坎已不高，而这个产业大饼就那么大，以致最后就是价格战，且利润不如消费性产品。对于数字复用表而言专用模拟数字转换器是核心，大多的可携式仪表产业规模较小，不像美商福碌克(Fluke)可以自己开DMM专用芯片。

在近几年的集成电路蓬勃发展，出现几家DMM专用芯片供货商，在模拟数字转换器部分有两种架构，分别是采用Σ-Δ(Sigma - Delta)及采用双斜率积分(Dual Slop)为架构。本文将介绍纮康科技(Hycon)HY12P65混合信号处理器(Mixed-Signal Microcontroller) 的DMM专用芯片，此芯片采用Σ-Δ模拟数字转换器架构。

二、 可携式电量仪表演进：

可携式电量仪表最早是指针三用电表，这一代仪表单价低，但是准确度低、分辨率低、功能少、且不具有输入保护。

自从集成电路开始发展后，芯片供货商设计出模拟数字转换器，因此有掌上型选单换文件式数字复用电表(Handheld Manual Range Digital Multimeters)，采用ICL7106、ICL7108、TLC7135、HI-7159A模拟数字转换器，除了具有指针三用电表的电压、电阻、电流等量测，更增加如电容、频率、温度，且DMM制造商加入输入保护电路。但是几乎所有的功能都要外加电路切换，使用时须靠手动的方式选择档位，比较不方便使用。

为了简化操作，芯片供货商设计出DMM专用模拟数字转换器，因此有掌上型自动换文件式数字复用电表(Handheld Auto Range Digital Multimeters)，采此类电表采用Telcom TC818A、Samsung KAD7001、JRC NJU9210模拟数字转换器，通常将DMM所有功能都设计在芯片内，只要外加电阻、电容，且在使用上不需手动方式选择档位。

但是用户有新的需求是准确度高、分辨率高、与计算机联机或特殊功能。因此芯片供货商将DMM专用模拟前端设计出一个组件(如Maxim的MAX133/MAX134)，或是将模拟前端结合MCU(如Epson的S1C62M20)，芯片搭配MCU实现新的需求。但这类产品的芯片，除了电压、电阻、电流等量测，其他功能电路都需要外加，较为不理想。

为了实现以上新的需求，纮康科技推出新一代DMM专用芯片，如HY12P65，以解决这些问题。

三、 芯片新趋势功能概述：

未来可携式数字仪表产业趋势，为了不再是价格战，就必须有自己的产品功能规划，如：智能型电表，则必须仰赖更有弹性的DMM专用芯片。新趋势依功能，可概分为以下几项：

1. 可规画开关网络

以往DMM专用芯片将每个功能及文件位开关网络都固定，优点是容易设计，但是弹性切换多功能网络，无法有自己的产品功能规划。本文所介绍的DMM专用芯片，皆具有可规画开关网络，若国内可携式数字仪表产业，在产品设计上有更多发挥空间。

▲HY12P65 Analog Switch Network

2. 高解度Σ-Δ模拟数字转换器

以往国外大厂生产的DMM专用芯片，A/D转换器皆采用双斜率积分为架构，此架构模拟数字转换器的转换速度慢，而所采用的积分电容质量会影响整个转换器的稳定度及误差;通常积分电容需使用MPE或MPP等较好材料，且不易达较高的分辨率。

Σ-Δ模拟数字信号转换器，近几年愈来愈多工业控制及高级仪表使用，它的最大优点就是外围电路少、转换速度快、分辨率及精确度高，且较不容易受到电力系统的50/60 HZ而所有影响，其单价渐渐比双斜率积分式模拟数字转换器低。

3. 数字方均根电路

无论是电压或电流都会有交流信号量测部分，而以往在量测交流信号电路依精准度不同，有交流量测方式分类表中的几种量测方式。从交流量测方式分类表、平均响应电路测量各种波形误差等分析表，可知方均根(所谓True RMS)在交流信号测量是较精确，且是非常重要，但须外加均方根转换专用组件，就是「RMS-DC(Root Mean Square-DC)转换器」，故成本较高，较容易被一般使用者忽略。

虽然均方根转换专用组件可提升测量精确，但是对过波峰因子的电压，波峰值还是会超过模拟电路输入允许范围。本文所介绍的DMM专用芯片，具有高精度快速Σ-Δ模拟数字转换器，可实现数字式RMS及Inrush Current量测功能，再搭配波峰检测(Peak Hold)实现较高波峰因子电压量测。

交流量测方式分类表

平均响应电路测量各种波形误差(摘自Analog Devices.)

4. Low Pass Filter

在有些机电量测应用，可能会有突波或其他高频信号夹带在待测信号，则会用低通滤器(Low Pass Filter)，将高频信号滤除。本文所介绍的DMM专用芯片，系改变模拟数字信号转换器的OSR(Over-Sampling Ratio)，而达成信号低通滤波，等同将高频信号滤除效果，使数值较为正确。

低通滤波器 (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，模拟数字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。本文所介绍的DMM专用芯片，具有数字式波峰检测，将模拟数字转换结果进行比较，使数值较为正确。

Low Drift Peak Detector (摘自National Semiconductor Application Note 31)

6. 温度传感器

可携式电量测量设备，有时除在电能及组件测量外，增加温度量测。最常见的温度传感器有四种：热电偶(Thermocouple)、电阻式温度传感器(Resistance Temperature Detectors; RTD)、热敏电阻(Thermistor)及集成电路式。而在可携式电量测量设备多采用热电偶量测结构，其原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)。本文所介绍的DMM专用芯片，具有温度传感器。

Temperature Measurement Circuit. (摘自Texas Instruments OPAx235 Datasheet)

7. 标准串行接口

HY12P65具有UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)及SPI(Serial Peripheral Interface)界面，新一代可携式数字仪表，大多具有UART接口与计算机通讯功能，可达成自动测试及产品的自动更正，减少人工操作成本。而产品校正值或量测数值，可透过SPI接口储存在MCU外部的内存(EEPROM或FLASH)。

8. OTP MCU

HY12P65除了具有DMM专用模拟前端线路，且整合8位精简指令集(RISC)的MCU，适合中低阶数字仪表，节省产品电路布局空间，使产品体积可以做到更小。

四、 参考数据：

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)专注于温度、压力、重量、电压、电流、功率……等模拟讯号的量测及监视。主要提供在电池管理、仪器仪表(包含医疗、计量、 温度…)，及工业控制等领域的相关芯片开发