您有沒有想過，為什么有這么多的專用集成電路(ASIC)設計公司在討論計量SoC及相關解決方案？為什么每家公司都想設計出一個計量SoC？為何關于計量的討論如此之多？

答案就是利潤驅動該業務增長。世界各地的企業都意識到其中的巨大商機，理由有兩點：美國與歐洲正著手更換現有公用儀表，預計到2015年將更換超過45%；在中國、印度、巴西等發展中國家，消費群和工業用戶群不斷膨脹，存在巨大需求。

根據預測，2010年至2015年公用儀表及相關通信市場的需求將達195億美元，智能儀表出貨量預計超過2億。圖1中的數據來源于不同的資料，與上述數據相吻合。

圖1：2008～2012年間儀表需求量預測。

因此，許多企業正在嘗試開發SoC解決方案，都想抓住這一賺錢機會。本文旨在為設計基本公用儀表架構提供指導，可解決現在基本公用計量的目標與應用，包括用量計量、防篡改保護、時間記錄、儀表讀數顯示和傳送。

基本公用儀表組件

上述所有功能可通過圖2中的各個模塊實現。包括：模擬前端，用于計量電流和電壓(電表)或熱量(暖氣表)或模擬傳感器的輸出(流量計/煤氣表)；流量/煤氣測量單元，使用數字/模擬傳感器輸出計算使用量(流量計/煤氣表)；防篡改保護和檢測邏輯；RTC(實時時鐘)，用于記錄時間；通信外設，用于與外通信，如采用ZigBee收發器、射頻收發器或其他SoC；顯示屏驅動器，用于諸如顯示儀表讀數、日期時間及其它信息等數據；內核功能，用于處理數據，計算用量以及執行其它任務；存儲器，用于保存儀表讀數、篡改時間等數據。

圖2：公用儀表的組成模塊。

下面讓我們來詳細探討各個模塊。

模擬前端(感應和計量輸入)：我們需要計量所有三相的輸入電壓和電流、中性線電流，才能計算用電量。這些數據可使用電流互感器和傳感器輕松計量。

所有這些數據都饋入模擬模塊，包括可安裝在SoC外的可編程增益放大器(PGA)、濾波器和ADC(圖3)。將電路互感器或傳感器的原始輸入值饋入PGA，然后經過過濾及必要的多路復用處理后饋入ADC。多路復用可以是ADC的一部分。這些ADC計量上述數據，將結果傳送給內核處理功能。

圖3：模擬接口。

有時，電流互感器和傳感器的輸出不在ADC要求的范圍內，不符合轉換的精確性要求。在這種情況下，使用PGA來擴大輸入值范圍，以提供所要的結果。根據使用情況及SoC成本，這些PGA既可安裝在SoC內部，也可安在外部，因為它們的耗電更大，也會產生大量的片內噪聲。

使用濾波器清除輸入信號中的噪聲成分。使用50至60赫茲中心頻率的帶通(BP)濾波器來傳遞所要的結果，以方便電表計量。單相電表在SoC上有兩個ADC，分別用于計量電流與電壓。每增加一個相位，ADC的數量也加1。

這種情況下選擇ADC特別困難(計量)。準確度、功耗和速度是決定ADC選擇的主要因素。最常見的ADC是SAR(逐次逼近)和Σ-Δ(SD)兩種ADC。

兩種ADC各有優劣。因此，ADC的選擇在很大程度上取決于SoC的用途與預算。SAR ADC使用采樣保持技術。它們在特定的時刻捕獲輸入數據，然后不斷將數據與內部DAC輸入值對比，進一步調整內部DAC輸入值，使其接近捕獲的輸入值。每次轉換時，相應的DAC輸出值被數字化并保存在SAR寄存器中。

SAR ADC的分辨率較好，第一次轉換延遲較低，取值范圍較大。它們對于輸入通道值的變化很敏感，而輸入通道的帶寬又極高。但是，這些類型的ADC由于重復減除和對比而存在線性誤差。

在SD ADC中，在某段時間內過度采樣輸入信號，然后過濾所要的信號頻帶，然后平均數字化。SD ADC是反饋閃爍型ADC。它們利用閃爍型ADC的高轉換速度，其轉換時間短至數納秒，用于8位操作。閃爍型ADC的結果存在大量錯誤。然后反饋此輸出，并從輸入值中減去輸出值。這將導致噪聲整形，從而降低噪音[參考文獻4]。

因此，SD ADC的噪聲響應比SAR ADC好，因為SAR ADC只抽取單點樣本。但是，SAR ADC的輸入響應優于SD ADC。因此，當應用需要快速響應、低延遲以及多通道數據捕獲時，SAR更合適。但如果是在嘈雜的環境中，需要高精確度和高分辨率，則應該選擇SD ADC[參考5]。通常在計量應用中，低端解決方案有SAR ADC，而高端SoC則有SD ADC，以提供更加抗噪的轉換結果。