霍爾效應電能計量技術(shù)的集成電路
霍爾效應基本原理
將通有電流 I 的金屬板（或半導體板）置于磁感強度為 B 的均勻磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的方向和電流方向垂直（如圖1，略，詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計》行業(yè)信息第3期），電子在均勻磁場(chǎng)B中受洛倫茲力的作用而發(fā)生偏轉，在上下兩側表面分別聚積正、負電荷，形成電勢差 ，該現象稱(chēng)為霍爾效應[1]。
經(jīng)實(shí)驗測定，霍爾電勢差的大小和電流 I 及磁感強度B成正比，而與板的厚度d 成反比�；魻栯妱莶羁�UH定量地表示為：
UH = RH I B/d （1）
式中：RH稱(chēng)為材料性質(zhì)有關(guān)的霍爾系數，其值為。這里n、q分別為載流子數密度和載流子的電荷量。
在金屬導體中，自由電子的濃度大，故金屬導體的霍爾系數很小，相應的霍爾電勢差也就很弱，即霍爾效應不明顯。
在半導體中，載流子濃度很低，故半導體的霍爾系數比金屬導體大得多，即半導體能產(chǎn)生很強的霍爾效應。
根據霍爾效應的特點(diǎn)，讓恒流源I通過(guò)均勻厚度的半導體PN結，將待測量的電信號i（如相電流信號Ia、Ib、/Ic）轉化為磁場(chǎng)強度信號B，通過(guò)測量UH的電位值，可以建立起下列線(xiàn)性關(guān)系：
UH = kH ? i （2）
其中：
kH為材料性質(zhì)有關(guān)的系數，
i為被測量的電參數信號（如相電流信號
Ia、
Ib、
Ic）。與采用電流互感器（
CT）的常規測量相比，霍爾效應電流
傳感器具有以下顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)：
（1） 測量電流范圍大，動(dòng)態(tài)范圍寬，且大電流不會(huì )使
傳感器飽和；
（2） 輸出線(xiàn)性度高，精度高，帶寬高(DC～5MHz)，可?直流分量；
（3） 高測量增益，使器件誤差對產(chǎn)品性能影響很��；
（4） 輸入阻抗大，電流回路損耗低；
（5） 輸入輸出信號之間的角差小。
在實(shí)際應用中，影響半導體霍爾效應器件的精確度的主要因素有：
（1） 雜散磁場(chǎng)的影響；
（2） 材料的幾何尺寸（如厚度）的均勻性；
（3） 材料的物理性質(zhì)（如半導體內雜質(zhì)分布）的均勻性；
（4） 溫度漂移；
（5） 時(shí)間漂移。
霍爾效應電能計量技術(shù)的集成電路
盡管人們早在1879年就知道了霍爾效應，但直到20世紀60年代末期，隨著(zhù)固態(tài)電子技術(shù)的發(fā)展，霍爾效應才開(kāi)始被人們所應用。
由于霍爾器件一般由半導體制作，而半導體的加工制作工藝復雜，不容易做到幾何尺寸的均勻性和材料性質(zhì)的一致性，加上半導體本身的溫度漂移和時(shí)間漂移等特性一直難以有效地補償，所以直到上個(gè)世紀末，霍爾效應還不太適宜用于定量測量磁場(chǎng)強度的大小，當然也更難用于電流或功率信號的精密測量。但霍爾器件在定性測量方面，特別是用于非接觸式位移測量的霍爾接近開(kāi)關(guān)，在航空航天、汽車(chē)、數控機床、手機等行業(yè)獲得了極為廣泛的應用。
CMOS技術(shù)的快速發(fā)展，使制造具有成本低、質(zhì)量好、性能可靠、體積小等多種優(yōu)點(diǎn)的實(shí)用型高精度霍爾
傳感器（如磁場(chǎng)強度
傳感器、電流
傳感器、位移
傳感器、速度
傳感器等）成為可能。
瑞士蘭吉爾公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用集成電路
MESA就是一款基于霍爾效應測量原理的實(shí)用化的電能計量芯片。它將先進(jìn)的電能測量算法和霍爾
傳感器完美地結合成
ASIC器件。
如圖2（略，詳見(jiàn)《電工儀表與公用表計》行業(yè)信息第3期）所示，MESA的內部分成三個(gè)功能塊：測量單元、數字信號處理（DSP）單元和接口電路。
1.2.1測量單元
測量單元內集成了霍爾
傳感器、信號調理器、Σ-Δ原理的16位ADC、三階SINC濾波器、偏置補償電路、基準電壓源、可編程電流/電壓延遲電路、直流分流消除電路等功能：
（1） 傳感器及前段處理電路包含霍爾
傳感器、信號調理器和恒流源電路，它除了集成的霍爾效應電路以外，既可以接收普通電流互感器信號，也能接收錳銅分流器信號。對于非霍爾效應方式的
傳感器信號，從SH+和SH-兩個(gè)腳上輸入。
（2） ∑/∆ 模數轉換器 片上集成了二階Σ-ΔADC模塊，進(jìn)行采樣。
（3） 可變程電壓/電流信號延時(shí)電路 用于補償電流互感器、電壓互感器、外接分流器等導致的信號角差。
（4） 偏置補償電路 該電路用于系統偏置（一般由運算放大器、
傳感器等模擬電路引起），不能消除直流分量，以便測量直流電流分量的需要。
（5） 三階SINC濾波器 用于將高過(guò)采樣速率的Σ-ΔADC結果降低到需要的采樣速率。
（6） DC分量消除電路 它屬于傳輸速度比較低的一階高通濾波器，用于將電壓和電流回路中剩余的直流分量剔除掉，這樣一來(lái)，可以進(jìn)一步將系統偏置和角差降低到極低程度。
1.1.2數字信號處理（DSP）單元
數字信號處理（DSP）單元集成了數字乘法器、均方根運算、電能積算單元、延時(shí)濾波（Hilbert）等功能，用于實(shí)現電流、電壓、有功電能、無(wú)功電能、功率因數、頻率、相角等電能參數的實(shí)時(shí)處理。
（1） 電能計算用硬件乘法累加器 為16位×16位硬件乘法器和一個(gè)能夠連續累積最大功率Pmax時(shí)的乘積至少250ms的累加器，有可供檢測的溢出信號。正是由于內部寬大的數據乘法累加器，使寬量程計量才有可能。
（2） VRMS/IRMS計算用硬件乘法器 為低速乘法計算器，用于計算電壓、電流的有效值。其計算速度與器件的輸入時(shí)鐘CLK有關(guān)。例如，在CLK=500kHz時(shí)，輸出速度為270Hz。
（3） 精度校正 用于標定測量結果，保證測量值與實(shí)際值對應。
1.2.3接口電路
接口電路包括工作電源、電源監測與上電復位、SPI接口等部分。
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業(yè)務(wù)：