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以高整合度混合信號(hào)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電壓電流計(jì)應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2016-08-09 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  1. 簡(jiǎn)介

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201608/295243.htm

  工業(yè)上的應(yīng)用對(duì)于電壓及電流的量測(cè),是最基本卻也是最重要的。工業(yè)上的壓力、溫度、濕度等。許多測(cè)量都是透過(guò)感測(cè)器后將物理訊號(hào)變成電壓或者電流,再透過(guò)電子儀器的解析后顯示于儀表上,因此如何量測(cè)到精準(zhǔn)的電壓、電流是相當(dāng)重要的。本文主要是介紹HYCON  Series晶片在電壓電流量測(cè)的應(yīng)用。

  由于晶片內(nèi)部集成高精度ΣΔADC,且ADC輸出頻率最快可以到達(dá)10kHz,并搭配內(nèi)部硬體驅(qū)動(dòng),完成用于電壓電流的量測(cè)時(shí),擁有相當(dāng)高的精準(zhǔn)度。

  2. 原理說(shuō)明

  2.1. 量測(cè)原理:

  2.1.1. 電壓量測(cè):

  電路圖如圖1所示,此電路為簡(jiǎn)易分壓電路,分壓比例20:1,并由于程式設(shè)定關(guān)系,AIO0、AIO1兩端電壓差最大為1.2V。因此量測(cè)電壓上限為20V。

  2.1.2. 電流量測(cè):

  電路圖如圖2所示,分法為當(dāng)電流源流過(guò)10Ω電阻時(shí),產(chǎn)生電壓差。透過(guò)量測(cè)電壓差方式反推流經(jīng)電流大小。

  解析度分為外部解析度和內(nèi)部解析度,外部解析度為最大量測(cè)的輸出電壓值與需要識(shí)別的最小電壓值的電壓值之比,本應(yīng)用最小量測(cè)電壓值為10mV。

  一般我們以目視法認(rèn)定的內(nèi)部解析度通常是指我們經(jīng)軟體處理后顯示只有1格滾動(dòng)時(shí),此時(shí)滿量程的格數(shù)就是內(nèi)部解析度,其1格所代表的訊號(hào)約為2-3倍RMS Noise。

  內(nèi)外解析度之比越小,電壓電流表精度越高,但內(nèi)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(nèi)外比為1:10的電壓電流表,如果不經(jīng)過(guò)信號(hào)放大,那最小要處理的信號(hào)為1.1V/(2000×10)=55uV。而HY16F198B的ADC所能處理的最小信號(hào)值大約為65nV,所以要完成此規(guī)格的量測(cè)示相當(dāng)容易且精準(zhǔn)的。

  ADC性能能否達(dá)到規(guī)格要求,通常是以RMS Noise來(lái)推算外部是否穩(wěn)定內(nèi)部解析度比值。對(duì)于開(kāi)發(fā)電子產(chǎn)品而言,使用HY16F198B晶片其所能達(dá)到的最大內(nèi)部解析度的瓶頸在于Input RMS Noise而不在于ADC的解析度。HY16F198B的ADC待測(cè)信號(hào)在由PGA、AD倍率調(diào)整器的放大后(PGA=32,ADGN=4),經(jīng)OSR=32768每秒輸出10筆ADC值的條件下,其Input RMS Noise約為65nV,但由于其Input Noise主要由Thermal Noise組成,所以如果我們透過(guò)平均的軟體處理是可以再將Input Noise進(jìn)一步降低。

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

  2.2. 控制晶片

  單片機(jī)簡(jiǎn)介:HY16F系列32位元高性能Flash單片機(jī)(HY16F198B)

  HY16F系列32位元高性能Flash單片機(jī)(HY16F198B)

  特點(diǎn)說(shuō)明:

  (1)採(cǎi)用最新Andes 32位元CPU核心N801處理器。

  (2)電壓操作范圍2.2~3.6V,以及-40℃~85℃工作溫度范圍。

  (3)支援外部16MHz石英震盪器或內(nèi)部16MHz高精度RC震盪器。

  (3.1)運(yùn)行模式 0.6mA@2MHz/2

  (3.2)待機(jī)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(jī)。

  (7)24-bit高精準(zhǔn)度ΣΔADC類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器

  (7.1)內(nèi)置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可達(dá)128倍放大。

  (7.2)內(nèi)置溫度感測(cè)器TPS。

  (8)超低輸入雜訊運(yùn)算放大器OPAMP。

  (9)16-bit Timer A

  (10)16-bit Timer B模組俱PWM波形產(chǎn)生功能

  (11)16-bit Timer C 模組俱數(shù)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(shí)鐘功能模組

  (16)硬體Touch KEY功能模組

  (17)硬體  Driver 4x36,6x34

  3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  3.1. 硬體說(shuō)明

  使用HY16F198B內(nèi)建ADC搭配外部電路進(jìn)行電壓及電流量測(cè),整體電路包含兩按鈕,分別是(模式選擇)、(測(cè)量)按鈕部分,搭配內(nèi)部硬體LCD Driver顯示量測(cè)數(shù)值。

  (A) MCU:HY16F198B

  (B) 顯示方式: HY16F198B內(nèi)部硬體驅(qū)動(dòng)4x36 LCD (LCD Driver Segment 4X36)

  (C) 電源電路:5.0V轉(zhuǎn)3.3V電源系統(tǒng)

  (D) 類比感測(cè)模組:內(nèi)部ADC

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

  并擁有強(qiáng)大的C平臺(tái)IDE以及HYCON類比軟體分析工具與GUI等支援。

  3.2. 功能說(shuō)明

  ADC內(nèi)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(cè)

  電壓量測(cè)模式下,量測(cè)范圍為±20V,搭配電壓量測(cè)電路。顯示至1mV,精準(zhǔn)度至10mV。

  3.2.2. 電流量測(cè)

  電流量測(cè)主要范圍為±110mA,搭配電流量測(cè)電路。顯示及量測(cè)精準(zhǔn)度皆為0.1mA

  4. 操作流程

  4.1. 操作方法

  啟動(dòng)后,首先將LCD全點(diǎn)亮,再進(jìn)行初始化及Hycon字樣顯示。之后跳至模式選擇。

  4.1.1. 按鍵控制說(shuō)明

  透過(guò)S2(模式按鈕)進(jìn)行量測(cè)模式切換;S3(量測(cè)按鈕)代表開(kāi)始量測(cè)。

  并且每次按鍵Buzzer都會(huì)發(fā)出聲音。

  4.1.2. 測(cè)量電壓模式

  20V即代表±20V量測(cè)(搭配外部量測(cè)電路)

  4.1.3. 測(cè)量電流模式

  110mA即代表±110mA量測(cè)(搭配外部量測(cè)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(shù)規(guī)格

  (1) VDD=3.3V

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

  (3) 量測(cè)精準(zhǔn)度:電壓10(mV) 以及電流0.1(mA)

  (4) 適用范圍:量測(cè)電壓范圍(± 20V)

  量測(cè)電流范圍(± 110mA)

  (5) 工作溫度:-40℃~ +85℃

  6. 結(jié)果總結(jié)

  以HY16F198B為主控結(jié)合內(nèi)部高精度、多通道輸入、快速ADC的量測(cè)。不論電壓或者電流的量測(cè),相較于市售電表,不僅僅耗電量低于一般市售電表,在精準(zhǔn)度上也有不輸市售電表的表現(xiàn)。HY16F198B內(nèi)部ADC不僅可用來(lái)量測(cè)電壓電流,也可以結(jié)合外部感測(cè)器進(jìn)行其他量測(cè),依然有相當(dāng)不錯(cuò)的表現(xiàn)。



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