以高整合度混合信號單片機實現電壓電流計應用

2020-12-08 電子產品世界

　　1. 簡介

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201608/295243.htm

　　工業上的應用對於電壓及電流的量測，是最基本卻也是最重要的。工業上的壓力、溫度、溼度等。許多測量都是透過感測器後將物理訊號變成電壓或者電流，再透過電子儀器的解析後顯示於儀表上，因此如何量測到精準的電壓、電流是相當重要的。本文主要是介紹HYCON HY16F198B Series晶片在電壓電流量測的應用。

　　由於HY16F198B晶片內部集成高精度ΣΔADC，且ADC輸出頻率最快可以到達10kHz，並搭配內部硬體LCD驅動，完成HY16F198B用於電壓電流的量測時，擁有相當高的精準度。

　　2. 原理說明

　　2.1. 量測原理:

　　2.1.1. 電壓量測:

　　電路圖如圖1所示，此電路為簡易分壓電路，分壓比例20:1，並由於程式設定關係，AIO0、AIO1兩端電壓差最大為1.2V。因此量測電壓上限為20V。

　　2.1.2. 電流量測：

　　電路圖如圖2所示，分法為當電流源流過10Ω電阻時，產生電壓差。透過量測電壓差方式反推流經電流大小。

　　解析度分為外部解析度和內部解析度，外部解析度為最大量測的輸出電壓值與需要識別的最小電壓值的電壓值之比，本應用最小量測電壓值為10mV。

　　一般我們以目視法認定的內部解析度通常是指我們經軟體處理後LCD顯示只有1格滾動時，此時滿量程的格數就是內部解析度，其1格所代表的訊號約為2-3倍RMS Noise。

　　內外解析度之比越小，電壓電流表精度越高，但內外解析度之比是有限制的。比如滿量程壓差為1.1V，要做到2000 Count，內外比為1：10的電壓電流表，如果不經過信號放大，那最小要處理的信號為1.1V/(2000×10)=55uV。而HY16F198B的ADC所能處理的最小信號值大約為65nV，所以要完成此規格的量測示相當容易且精準的。

　　ADC性能能否達到規格要求，通常是以RMS Noise來推算外部是否穩定內部解析度比值。對於開發電子產品而言，使用HY16F198B晶片其所能達到的最大內部解析度的瓶頸在於Input RMS Noise而不在於ADC的解析度。HY16F198B的ADC待測信號在由PGA、AD倍率調整器的放大後(PGA=32，ADGN=4)，經OSR=32768每秒輸出10筆ADC值的條件下，其Input RMS Noise約為65nV，但由於其Input Noise主要由Thermal Noise組成，所以如果我們透過平均的軟體處理是可以再將Input Noise進一步降低。

　　如果我們使用8筆的軟體平均處理其Input RMS Noise考慮其他雜訊因素後，可達約為40nV，3倍RMS Noise代表約1格的滾動，即為120nV。在使用2.4V驅動電壓，1mV/V的滿量程時壓差可達2.4mV，所以在此情形下我們可以得到20000 Counts的內部解析度。

　　2.2. 控制晶片

　　單片機簡介：HY16F系列32位元高性能Flash單片機(HY16F198B)

　　HY16F系列32位元高性能Flash單片機(HY16F198B)

　　特點說明:

　　(1)採用最新Andes 32位元CPU核心N801處理器。

　　(2)電壓操作範圍2.2~3.6V，以及-40℃~85℃工作溫度範圍。

　　(3)支援外部16MHz石英震盪器或內部16MHz高精度RC震盪器。

　　(3.1)運行模式 0.6mA@2MHz/2

　　(3.2)待機模式 5uA@ LSRC=34KHz+IDLE Mode

　　(3.3)休眠模式 2.5uA

　　(4)程式記憶體64KB Flash ROM

　　(5)資料記憶體8KB SRAM

　　(6)擁有BOR and WDT功能，可防止CPU死機。

　　(7)24-bit高精準度ΣΔADC類比數位轉換器

　　(7.1)內置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可達128倍放大。

　　(7.2)內置溫度感測器TPS。

　　(8)超低輸入雜訊運算放大器OPAMP。

　　(9)16-bit Timer A

　　(10)16-bit Timer B模組俱PWM波形產生功能

　　(11)16-bit Timer C 模組俱數位Capture/Compare 功能

　　(12)硬體串列通訊SPI模組

　　(13)硬體串列通訊I2C模組

　　(14)硬體串列通訊UART模組

　　(15)硬體RTC時鐘功能模組

　　(16)硬體Touch KEY功能模組

　　(17)硬體 LCD Driver 4x36,6x34

　　3. 系統設計

　　3.1. 硬體說明

　　使用HY16F198B內建ADC搭配外部電路進行電壓及電流量測，整體電路包含兩按鈕，分別是(模式選擇)、(測量)按鈕部分，搭配內部硬體LCD Driver顯示量測數值。

　　(A) MCU：HY16F198B

　　(B) 顯示方式： HY16F198B內部硬體驅動4x36 LCD (LCD Driver Segment 4X36)

　　(C) 電源電路：5.0V轉3.3V電源系統

　　(D) 類比感測模組：內部ADC

　　(E) 線上燒錄與ICE連結電路，透過EDM的連接，可支援線上燒錄模擬。

　　並擁有強大的C平臺IDE以及HYCON類比軟體分析工具與GUI等支援。

　　3.2. 功能說明

　　ADC內部的PGA放大1倍，ADGN放大1倍，參考電壓由VDDA –VSS供給，則ΔVR_I=1.2V。

　　3.2.1. 電壓量測

　　電壓量測模式下，量測範圍為±20V，搭配電壓量測電路。顯示至1mV，精準度至10mV。

　　3.2.2. 電流量測

　　電流量測主要範圍為±110mA，搭配電流量測電路。顯示及量測精準度皆為0.1mA

　　4. 操作流程

　　4.1. 操作方法

　　啟動後，首先將LCD全點亮，再進行初始化及Hycon字樣顯示。之後跳至模式選擇。

　　4.1.1. 按鍵控制說明

　　透過S2(模式按鈕)進行量測模式切換;S3(量測按鈕)代表開始量測。

　　並且每次按鍵Buzzer都會發出聲音。

　　4.1.2. 測量電壓模式

　　20V即代表±20V量測(搭配外部量測電路)

　　4.1.3. 測量電流模式

　　110mA即代表±110mA量測(搭配外部量測電路)

　　4.2. 程式流程

　　4.2.1. Main Loop流程圖:

　　4.2.2. 按鍵處理流程圖:

　　4.2.3. LCD顯示處理流程圖:

　　5. 技術規格

　　(1) VDD=3.3V

　　(2) 功耗:工作模式約2.24mA(HAO=4MHz,ADC Enable)

　　(3) 量測精準度:電壓10(mV) 以及電流0.1(mA)

　　(4) 適用範圍：量測電壓範圍(± 20V)

　　量測電流範圍(± 110mA)

　　(5) 工作溫度:-40℃~ +85℃

　　6. 結果總結

　　以HY16F198B為主控結合內部高精度、多通道輸入、快速ADC的量測。不論電壓或者電流的量測，相較於市售電錶，不僅僅耗電量低於一般市售電錶，在精準度上也有不輸市售電錶的表現。HY16F198B內部ADC不僅可用來量測電壓電流，也可以結合外部感測器進行其他量測，依然有相當不錯的表現。

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