基于HY16F198B晶片實(shí)現(xiàn)電壓電流測(cè)量計(jì)的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1. 簡(jiǎn)介

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 HY16F198B Series晶片在電壓電流量測(cè)的應(yīng)用。

由于HY16F198B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LCD驅(qū)動(dòng)，完成HY16F198B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LCD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 LCD 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)。

責(zé)任編輯：gt