基于功率分析仪的有功功率测量原理和方法研究

　　1. 简介

　　工业上的应用对于电压及电流的量测，是基本却也是  重要的。工业上的压力、温度、湿度等。许多测量都是透过感测器后将物理讯号变成电压或者电流，再透过电子仪器的解析后显示于仪表上，因此如何量测到精准的电压、电流是相当重要的。本文主要是介绍HYCON HY16F198B Series晶片在电压电流量测的应用。

　　由于HY16F198B晶片内部集成高  ΣΔADC，且ADC输出频率  快可以到达10kHz，并搭配内部硬体LCD驱动，完成HY16F198B用于电压电流的量测时，拥有相当高的精准度。

　　2. 原理说明

　　2.1. 量测原理：

　　基于HY16F198B晶片实现电压电流测量计的应用设计

　　2.1.1. 电压量测：

　　电路图如图1所示，此电路为简易分压电路，分压比例20:1，并由于程式设定关系，AIO0、AIO1两端电压差  为1.2V。因此量测电压上限为20V。

　　2.1.2. 电流量测：

　　电路图如图2所示，分法为当电流源流过10Ω电阻时，产生电压差。透过量测电压差方式反推流经电流大小。

　　解析度分为外部解析度和内部解析度，外部解析度为  量测的输出电压值与需要识别的  电压值的电压值之比，本应用  量测电压值为10mV。

　　一般我们以目视法认定的内部解析度通常是指我们经软体处理后LCD显示只有1格滚动时，此时满量程的格数就是内部解析度，其1格所代表的讯号约为2-3倍RMS Noise。

　　内外解析度之比越小，电压电流表  越高，但内外解析度之比是有限制的。比如满量程压差为1.1V，要做到2000 Count，内外比为1：10的电压电流表，如果不经过信号放大，那  要处理的信号为1.1V/（2000×10）=55uV。而HY16F198B的ADC所能处理的  信号值大约为65nV，所以要完成此规格的量测示相当容易且精准的。

　　ADC性能能否达到规格要求，通常是以RMS Noise来推算外部是否稳定内部解析度比值。对于开发电子产品而言，使用HY16F198B晶片其所能达到的  内部解析度的瓶颈在于Input RMS Noise而不在于ADC的解析度。HY16F198B的ADC待测信号在由PGA、AD倍率调整器的放大后（PGA=32，ADGN=4），经OSR=32768每秒输出10笔ADC值的条件下，其Input RMS Noise约为65nV，但由于其Input Noise主要由Thermal Noise组成，所以如果我们透过平均的软体处理是可以再将Input Noise进一步降低。

　　如果我们使用8笔的软体平均处理其Input RMS Noise考虑其他杂讯因素后，可达约为40nV，3倍RMS Noise代表约1格的滚动，即为120nV。在使用2.4V驱动电压，1mV/V的满量程时压差可达2.4mV，所以在此情形下我们可以得到20000 Counts的内部解析度。

　　2.2. 控制晶片

　　单片机简介：HY16F系列32位元高性能Flash单片机（HY16F198B）

　　HY16F系列32位元高性能Flash单片机（HY16F198B）

　　特点说明：

　　（1）採用  Andes 32位元CPU  N801处理器。

　　（2）电压操作范围2.2~3.6V，以及-40℃~85℃工作温度范围。

　　（3）支援外部16MHz石英震盪器或内部16MHz高  RC震盪器。

　　（3.1）运行模式 0.6mA@2MHz/2

　　（3.2）待机模式 5uA@ LSRC=34KHz+IDLE Mode

　　（3.3）休眠模式 2.5uA

　　（4）程式记忆体64KB Flash ROM

　　（5）资料记忆体8KB SRAM

　　（6）拥有BOR and WDT功能，可防止CPU死机。

　　（7）24-bit高精准度ΣΔADC类比数位转换器

　　（7.1）内置PGA （Programmable Gain Amplifier）  可达128倍放大。

　　（7.2）内置温度感测器TPS。

　　（8）超低输入杂讯运算放大器OPAMP。

　　（9）16-bit Timer A

　　（10）16-bit TImer B模组俱PWM波形产生功能

　　（11）16-bit TImer C 模组俱数位Capture/Compare 功能

　　（12）硬体串列通讯SPI模组

　　（13）硬体串列通讯I2C模组

　　（14）硬体串列通讯UART模组

　　（15）硬体RTC时钟功能模组

　　（16）硬体Touch KEY功能模组

　　（17）硬体 LCD Driver 4x36，6x34

　　3. 系统设计

　　3.1. 硬体说明

　　使用HY16F198B内建ADC搭配外部电路进行电压及电流量测，整体电路包含两按钮，分别是（模式选择）、（测量）按钮部分，搭配内部硬体LCD Driver显示量测数值。

　　（A） MCU：HY16F198B

　　（B） 显示方式： HY16F198B内部硬体驱动4x36 LCD （LCD Driver Segment 4X36）

　　（C） 电源电路：5.0V转3.3V电源系统

　　（D） 类比感测模组：内部ADC

　　（E） 线上烧录与ICE连结电路，透过EDM的连接，可支援线上烧录模拟。

　　并拥有强大的C平台IDE以及HYCON类比软体分析工具与GUI等支援。

　　3.2. 功能说明

　　ADC内部的PGA放大1倍，ADGN放大1倍，参考电压由VDDA –VSS供给，则ΔVR_I=1.2V。

　　3.2.1. 电压量测

　　电压量测模式下，量测范围为±20V，搭配电压量测电路。显示至1mV，精准度至10mV。

　　3.2.2. 电流量测

　　电流量测主要范围为±110mA，搭配电流量测电路。显示及量测精准度皆为0.1mA

　　4. 操作流程

　　4.1. 操作方法

　　启动后，首先将LCD全点亮，再进行初始化及Hycon字样显示。之后跳至模式选择。

　　4.1.1. 按键控制说明

　　透过S2（模式按钮）进行量测模式切换;S3（量测按钮）代表开始量测。

　　并且每次按键Buzzer都会发出声音。

　　4.1.2. 测量电压模式

　　20V即代表±20V量测（搭配外部量测电路）

　　4.1.3. 测量电流模式

　　110mA即代表±110mA量测（搭配外部量测电路）

　　4.2. 程式流程

　　4.2.1. Main Loop流程图：

　　4.2.2. 按键处理流程图：

　　4.2.3. LCD显示处理流程图：

　　5. 技术规格

　　（1） VDD=3.3V

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

　　（3） 量测精准度：电压10（mV） 以及电流0.1（mA）

　　（4） 适用范围：量测电压范围（± 20V）

　　量测电流范围（± 110mA）

　　（5） 工作温度：-40℃~ +85℃

　　6. 结果总结

　　以HY16F198B为主控结合内部高  、多通道输入、快速ADC的量测。不论电压或者电流的量测，相较于市售电表，不仅仅耗电量低于一般市售电表，在精准度上也有不输市售电表的表现。HY16F198B内部ADC不仅可用来量测电压电流，也可以结合外部感测器进行其他量测，依然有相当不错的表现。