2008 hycon technology corp. class="txt">apd-sd18006-v01_tc 儀表顯示器應用明書
hy11p13 4-20ma測儀表顯示器
目1簡介 (3)
2原明 (3)
2.1系統架構與別 (3)
2.2測方式的比較 (4)
2.3測規格分析 (5)
2.4測原 (5)
2.5控制晶元 (8)
3設計規劃 (10)
3.1硬體明 (10)
3.2電明 (10)
3.3軟體明 (11)
4技術規格 (13)
5結 (13)
6操作明 (14)
6.1操作程圖 (14)
1 簡介
工業應用上普遍需要測非電物訊號，如溫、壓、速、角等等。往往這些非物的訊號會透過感測器轉換成電物的訊號，如電、電壓、功、頻等。而這些化訊號些需再轉換成標準位通訊訊號或是比電訊號才能傳輸至幾十公尺甚至幾百公尺外的監控中心或儀表上。
這將物訊號轉換成比電訊號的裝置稱為傳送器，在工業上，廣泛採用的標準比傳輸電訊號是分別為0~5v、0~10v或4~20ma，而其中以4~20ma最為常。
在此，本文將介紹用由hycon所設計的hy11p13晶元能輕的達到電設計簡單、消耗電低於0.8ma且造成的回壓小於2.8v的優勢，以實現最具成本競爭、低消耗電與低迴壓的線式4-20ma電測晶元與顯示兼具控制設計的解決方案介紹，祈與各位先進交。
2 原明
2.1 系統架構與別
採用4~20ma傳送訊號的原因是其容受干擾、電源的並內阻無限大且導線電阻在回中影響訊號的精，故在普通雙絞訊號線上可以傳輸十公尺。電訊號處於正常操作時會低於4ma，此設計規範主要是為能檢測出傳輸線的斷線態。
因為當回因故障而斷時環電會至0ma，故常以1.5ma的電作為斷線警報值；而訊號最大為20ma則是因為工業安全上的防爆要求，因為20ma的電回斷線後產生的火花能足以引燃氣體燃(瓦斯)。
由於電輸出型的傳送器需將物轉換成4~20ma的電訊號輸出，必然需要額外提供外部電源。依其架構可區分為：
圖一傳送器系統架構圖
四線式傳送器：
常的傳送器設計，需要外接條電源線及條訊號線。
三線式傳送器：
此傳送器是用訊號線與電源線共用一條線的設計，以減少一條線。
線式傳送器：
用4-20ma電回即可以供給傳送器電源的設計，使傳送器在電回中可視為乙個特別的負載，其耗電電控制在4~20ma之間且依據感測器的
輸出大小而變化，因此使得顯示儀表只需要透過條線在回中即可。(工業
制訂的電環標準下限為4ma，因此只要在程範圍內傳送器至少有4ma的
電供給，故使得線制感測器的設計成為可能)
工業應用域，測點一般在俗稱的現場，而其距監控中心或儀表控制器之間可能十至百公尺遠。能簡單的使用條線作為訊號傳輸，在成本上絕對有競爭優勢且四線制傳送器和三線制傳送器常因導線內電對稱，而必須使用昂貴的遮罩線，而線制傳送器可使用非常宜的的雙絞線導線，因此在應用中線制傳送器必然是首選。
線上式為常首選的情況下，其4-20ma訊號測表頭加入系統回後既能影響訊號傳輸的電大小且造成的環壓必須越小越好，好的是電設計簡單。故在晶元的選擇時常常難以全，而hycon所設計的hy11p13晶元能輕的達到電設計簡單、消耗電低於0.8ma且造成的回壓小於2.
8v。2.2 測方式的比較
目前常的線式4-20ma電訊號測與控制的儀表其電組成可分為三部分，第一部分為用tl431在回電取出儀表晶元所需的工作電壓。第二部分為用opamp放大器將比電訊號轉成比電壓訊號。第三部分則為用具比位轉換測晶元將比電壓訊號轉為位訊號並顯示於顯示器上或依訊號大小進其他控制事件。
圖二為常的lcd顯示型儀表控制器的電示意圖，無opamp是否內建其電受溫、點偏移的影響是非常難以避免，且vdd造成的環壓通常大於4.3v而消耗電則介於1.5ma～3ma。
為要解決上述問題只能多加些成本讓電複雜、多顆低溫飄系電阻，但往往如此做卻發現所設計出的產品跟目前市面上通的成品其成本相上下故難具競爭。
圖二常lcd顯示型儀表控制器
圖三為用hycon所設計的產品規劃成lcd顯示型儀表控制器的電示意圖，由於其電架構使用opamp進電電壓轉換故會像圖一 opamp的電受溫、點偏移的影響且該晶元低工作電壓與低功耗特色，其vdd對環電壓造成的壓低於2.8v而消耗電低於0.8ma。
使用hy11p13晶元設計的產品，電架構簡單、造
成的回壓小於2.8v、操作時的消耗電可低於0.8ma，而整個測電僅需一顆低溫飄電阻rsn，大幅地增加系統回的使用彈性與產品競爭。
圖三 hy11p13晶元用於lcd顯示型儀表控制器
2.3 測規格分析
2.3.1 顯示值分析
以20000d顯示儀表為，滿程的電變化為16ma。即每個1d的電變化約為0.8ua/d，而經rsn電阻後等效每個1d電壓變化約為2.
4uv/d。故適合測此規格的晶元至少須能解析到1uv電壓的變化，考慮產品具有好的精確則該晶元必須能解析至0.8uv以下的訊號，如表一儀表顯示器規格分析。
8.00400224.01
0.80004 2.40
0.1600020.48
顯示規格分析
解析(uv/d)
解析(ua/d)
表一儀表顯示器規格分析
再，溫對系統造成的影響是一定會存在，以100ppm/℃測規格而言考慮4-20ma電訊號本身受溫的影響，則在測系統屬晶元的測單元(adc,位比轉換器)受溫影響而造成的值飄移為最重要，故挑選低溫飄系的測晶元可下後段花在系統作溫補償調整的時間。
最後，考慮對回所造成的壓一直是二線式儀表存在的問題。一般回電壓會設計在24v，此回電壓必須供給傳送器然後再分別提供接至系統的儀表，回壓低能接的裝置就多，故考慮低迴壓是有其必要性。
2.4 測原
基於達到以上規格的的考，由紘康公司所開發出的產品hy11p13晶元可輕地解決測問題。測架構如圖四所示，通常比位轉換器具有訊號輸入端(si+,si-)
與考電壓端(vr+,vr-)而sd18(adc,比位轉換器)可測的訊號範圍為
vdd+0.2v至vss-0.2v，考電壓輸入則由本身所具有的低溫飄考電壓源refo輸入即可。
如此，即達到測溫系約在100ppm/℃的效能也可去選擇低溫飄電阻的麻煩，亦可減少電受到干擾與增加電消耗(系統需要好的溫係規格則可考慮sd18考電壓輸入採用外部輸入方式)。
再，用4-20ma的電回經rsn電阻（選擇5ppm/℃）以產生負電壓差輸入sd18（18-bit,σδadc）進比位轉換。如此，整個測系統含sd18的溫飄移約在120ppm/℃以下。
圖四 hy11p13晶元測架構
表二 sd18效能指標enob值
接著設計整個測電的系統壓範圍，計算方式如式一。然後考hy11p13與
tl431原廠提供的技術資，並同時評估sd18的enob效能與對系統的環壓選擇合適的rsn電阻值。
式一測系統電壓計算公式
rsn tl sys v v v +431
本應用解決方案採用rsn 電阻值為3及tl431標準2.5v 穩壓電設計，故整體回壓在v sys =2.5v~2.
6v 之間。而4-20ma 電訊號經rsn 電阻產生相對於vss 的電壓變化為-12mv~-66mv ，並輸入至sd18訊號測端(si+,si-)。
is=4ma(正常)
v sys =2.5v+3*4ma=2.512v
is=20ma(正常)
v sys =2.5v+3*20ma=2.56v
is=22ma(飄移)
v sys =2.5v+3*22ma=2.566v
設定sd18的考電壓輸入為refo=1.2v ，輸入訊號(si+,si-)的放大倍為16倍。即輸入訊號相對於考電壓(vr+,vr-)最大電壓約為1.
056v(小於0.9倍的考電壓值為sd18最佳測範圍)。再，考表二可知此時的sd18測效能enob 約在解析18.
6bit ，換算adc 的雜訊抑制(noise free)後解析約為15.9bit ，此時用軟體做位波後約可增加解析1~2bit 。故實際可得的解析最少為17bit(noise free)，足以簡的設計0~19999顯示的儀表頭，如表三 adc 能分析。
表三 adc 能分析
我們計算4-20ma,20000d 顯示儀表，其每1d 有多少sd18的內部分(c)，即內外比值為何
sd18內部最小分(1c)電壓訊號解析能 1c=refo/217=1.2v/217=9.16uv/c
4-20ma,20000d 每1d 電壓值
v 1d =(20ma-4ma)*rsn/2x104=48mv/2x104=2.4uv
每1d 電壓值經由sd18放大
v 1d x16=2.4uv*16=38.4uv
每1d 電壓值經由sd18以17bit 解析測
1d ：1c=38.4uv ：9.16uv ≒1：4
內/外比值是1：4，即外部1d 代表內部4c 。
2.5 控制晶元
圖五 hy11p13高效能8bit otp 微控制器
z 8位元加強型精簡指集, 共有69個指包含硬體乘法指及查表指 z 2.0v to 3.6v 工作電壓範圍，-40℃~85℃工作溫範圍.
z 外部石英震盪器及內部高精rc 震盪器，6種cpu 工作時脈換選擇，可讓使用
者達到最佳電規劃
a. 運模式 300ua ＠2mhz
b. 待機模式 3ua@32khz
c. 休眠模式 1ua
z 4kword otp (one time programmable) type 程式記憶體，256byte 資記憶體
z brownout and watch dog timer ，可防止cpu 進入宕機模式
z 18bit 全差動輸入σδadc 比位轉換器
a. 內建 pga (programmable gain amplifier) 及可有1/4 ,1/2, 1～128倍10種輸入
訊號放大倍選擇
b. 內建輸入點調整, 可針對同應用增加其測範圍
c. 內建高阻抗輸入緩衝器(32以上輸入倍適用)
d. 內建絕對溫感測器.
z 超低輸入雜訊(<1uvpp)運算放大器, 可提供高輸出阻抗小訊號的放大及小電的電
壓轉換z 1.2v 低溫飄系考電壓源輸出，具有push-pull 驅動能，可提供感測器驅動電壓 z 10ma 低壓差穩壓電源輸出，可有4種同輸出電壓選擇
z 4x20 lcd 液晶驅動器
a. static 、1/2、1/3、1/4 duty 及1/2、1/3 bias 軟體選擇
b. 內建charge pump 穩壓線，提供4種lcd 偏壓 z 8 bits timer a
z 16 bits timer b 模組具capture/compare 功能
z16 bits timer c 模組具pwm/pfd波形產生功能z通訊spi模組
3 設計規劃
3.1 硬體明
圖 hy11p13應用電圖
3.2 電明
hy11p13晶元工作電壓的取得是用信待測號源為一電變化回特性，在此回下透過穩壓晶元ta431的即可穩出2.5v的電位差供給hy11p13使用。
測4-20ma電變化，則是用測接於電回的rsn電阻上的電壓變化。
此電壓變化相對於晶元為一負電位的變化，故測時可使用hy11p13內部的輸入緩衝器。
24lc02則是用於儲存校正、系統設定值..等等資的記憶晶元。pt1.0與pt1.1具校正、設定、歸與內碼顯示功能。
3.3 軟體明
3.3.1 簡型位波器與原
由於訊號放大到16倍，sd18的輸出bit只能達到±15bit(noise free)，如果使用位波方式則可以再將sd18的解析提公升1~2bit。此簡型位波器的工作原為取八筆sd18輸出的平均值，即每次將新的sd18輸出值與先前的7個值相加後除以8，並計算將結果輸出到adc out暫存器，如圖七sd18輸出據與位波器示意圖。
圖七 sd18輸出據與位波器
當sd18平均輸出adc out後，將其視為新值並推移到buffer 1而原buffer1資則移到buffer2…以此推至buffer6移到buffer 7，捨去原buffer7資，如圖八位波器資推移圖。
圖八位波器資推移圖
由於平均輸出的反應時間比較慢，當有較大的adc值變化時，需要跳過此平均程式。即當sd18輸出的新值大於原平均值超過0x200時，先記此新sd18值，但加入平均值運算， out；但如果sd18值沒有超過0x200則捨棄先前記值，並回到原的平均程。位波處程如圖九所示。
圖九位波器資處程圖
4 技術規格
電源接點：二線製電環取電(4-20ma電輸入)
電環壓：< 2.8v
功耗：< 0.8ma
溫飄移：< 120ppm/℃
資顯示：5位元lcd顯示
資新：1/sec
解析：0.001ma
顯示值：0～19999
適用範圍：壓，溫，，ph計各種傳送器
工作溫： -40℃～ +85℃
存貯溫：-55℃～ +125℃
相對溼：＜95%（20±5℃條件）無結
具有防反接保護，24v過電壓過電保護
5 結此應用解決方案是採用hy11p13晶元以簡單的電架構實現4-20ma線制無給電測儀表頭，該方案具有以下特色：
z電簡單並具高測解析與低溫飄系。
z低環電壓與低電消耗特色。
z i/o具±10ma負載能，對於控制需求的擴充彈性高且容設計。
z訊號取樣高達250khz，資新可依實際需求進調整。
hy11p13是一款非常適合應用於電或電壓訊號且價效比高的測晶元，在此分
享予各位先進。
6 操作明
6.1 操作程圖
圖十操作程圖
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