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(shù)字復用表（Digital Multimeters, DMM），以往的可攜式數(shù)字儀表產(chǎn)業(yè)多采用Harris（已被Intersil并購）,、JRC、Maxim,、Samsung,、com（已被Microchip并購）等國外大廠生產(chǎn)的數(shù)字復用電表模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter, ADC）將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號來處理。但可攜式數(shù)字儀表產(chǎn)業(yè),，特性為量少,、樣多、產(chǎn)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(shù)字復用電表A/D轉(zhuǎn)換器，甚至已退出數(shù)字復用電表A/D轉(zhuǎn)換器的市場,。數(shù)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(chǎn)品,，所以門坎已不高，而這個產(chǎn)業(yè)大餅就那么大,，以致zui后就是價格戰(zhàn),，且利潤不如消費性產(chǎn)品。對于數(shù)字復用表而言模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是核心,，大多的可攜式儀表產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小,，不像美商福碌克（Fluke）可以自己開DMM芯片。

在近幾年的集成電路蓬勃發(fā)展,，出現(xiàn)幾家DMM芯片供貨商,，在模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器部分有兩種架構(gòu)，分別是采用Σ-Δ（Sigma - Delta）及采用雙斜率積分（Dual Slop）為架構(gòu),。本文將介紹纮康科技（Hycon）HY12P65混合信號處理器（Mixed-Signal Microcontroller） 的DMM芯片,，此芯片采用Σ-Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。

二,、 可攜式電量儀表演進：

可攜式電量儀表zui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(shù)字轉(zhuǎn)換器,，因此有掌上型選單換文件式數(shù)字復用電表（Handheld Manual Range Digital Multimeters），采用ICL7106,、ICL7108、TLC7135,、HI-7159A模擬數(shù)字轉(zhuǎn)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模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,，因此有掌上型自動換文件式數(shù)字復用電表（Handheld Auto Range Digital Multimeters），采此類電表采用com TC818A,、Samsung KAD7001,、JRC NJU9210模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通常將DMM所有功能都設計在芯片內(nèi),，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模擬前端設計出一個組件（如Maxim的MAX133/MAX134）,，或是將模擬前端結(jié)合MCU（如Epson的S1C62M20），芯片搭配MCU實現(xiàn)新的需求,。但這類產(chǎn)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(shù)字儀表產(chǎn)業(yè)趨勢，為了不再是價格戰(zhàn),，就必須有自己的產(chǎn)品功能規(guī)劃,，如：智能型電表，則必須仰賴更有彈性的DMM芯片,。新趨勢依功能,，可概分為以下幾項：

1. 可規(guī)畫開關網(wǎng)絡

以往DMM芯片將每個功能及文件位開關網(wǎng)絡都固定，優(yōu)點是容易設計,，但是彈性切換多功能網(wǎng)絡,，無法有自己的產(chǎn)品功能規(guī)劃。本文所介紹的DMM芯片,，皆具有可規(guī)畫開關網(wǎng)絡,，若國內(nèi)可攜式數(shù)字儀表產(chǎn)業(yè)，在產(chǎn)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(shù)字轉(zhuǎn)換器

以往國外大廠生產(chǎn)的DMM芯片,，A/D轉(zhuǎn)換器皆采用雙斜率積分為架構(gòu)，此架構(gòu)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度慢,，而所采用的積分電容質(zhì)量會影響整個轉(zhuǎn)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(shù)字信號轉(zhuǎn)換器,，近幾年愈來愈多工業(yè)控制及儀表使用,，它的zui大優(yōu)點就是外圍電路少、轉(zhuǎn)換速度快,、分辨率及度高,，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(shù)字轉(zhuǎn)換器低,。

3. 數(shù)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，且是非常重要,，但須外加均方根轉(zhuǎn)換組件,，就是「RMS-DC（Root Mean Square-DC）轉(zhuǎn)換器」，故成本較高,，較容易被一般使用者忽略,。

雖然均方根轉(zhuǎn)換組件可提升測量，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芯片，具有高精度快速Σ-Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器,，可實現(xiàn)數(shù)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芯片，系改變模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)字轉(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,。本文所介紹的DMM芯片，具有數(shù)字式波峰檢測,，將模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果進行比較,，使數(shù)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。zui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(jié)構(gòu),，其原理是兩金屬相接會產(chǎn)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(shù)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(chǎn)品的自動更正，減少人工操作成本,。而產(chǎn)品校正值或量測數(shù)值,，可透過SPI接口儲存在MCU外部的內(nèi)存（EEPROM或FLASH）。

8. OTP MCU

HY12P65除了具有DMM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(shù)字儀表，節(jié)省產(chǎn)品電路布局空間,，使產(chǎn)品體積可以做到更小,。

四、 參考數(shù)據(jù)：

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)。（end）