您有没有想过，为什么有这么多的专用集成电路(ASIC)设计公司在讨论计量SoC及相关解决方案？为什么每家公司都想设计出一个计量SoC？为何关于计量的讨论如此之多？
答案就是利润驱动该业务增长。世界各地的企业都意识到其中的巨大商机，理由有两点：美国与欧洲正着手更换现有公用仪表，预计到2015年将更换超过45%；在中国、印度、巴西等发展中国家，消费群和工业用户群不断膨胀，存在巨大需求。
根据预测，2010年至2015年公用仪表及相关通信市场的需求将达195亿美元，智能仪表出货量预计超过2亿。图1中的数据来源于不同的资料，与上述数据相吻合。
图1：2008～2012年间仪表需求量预测。
因此，许多企业正在尝试开发SoC解决方案，都想抓住这一赚钱机会。本文旨在为设计基本公用仪表架构提供指导，可解决现在基本公用计量的目标与应用，包括用量计量、防篡改保护、时间记录、仪表读数显示和传送。
基本公用仪表组件
上述所有功能可通过图2中的各个模块实现。包括：模拟前端，用于计量电流和电压(电表)或热量(暖气表)或模拟传感器的输出(流量计/煤气表)；流量/煤气测量单元，使用数字/模拟传感器输出计算使用量(流量计/煤气表)；防篡改保护和检测逻辑；RTC(实时时钟)，用于记录时间；通信外设，用于与外通信，如采用ZigBee收发器、射频收发器或其他SoC；显示屏驱动器，用于诸如显示仪表读数、日期时间及其它信息等数据；内核功能，用于处理数据，计算用量以及执行其它任务；存储器，用于保存仪表读数、篡改时间等数据。
图2：公用仪表的组成模块。
下面让我们来详细探讨各个模块。
模拟前端(感应和计量输入)：我们需要计量所有三相的输入电压和电流、中性线电流，才能计算用电量。这些数据可使用电流互感器和传感器轻松计量。
所有这些数据都馈入模拟模块，包括可安装在SoC外的可编程增益放大器(PGA)、滤波器和ADC(图3)。将电路互感器或传感器的原始输入值馈入PGA，然后经过过滤及必要的多路复用处理后馈入ADC。多路复用可以是ADC的一部分。这些ADC计量上述数据，将结果传送给内核处理功能。
图3：模拟接口。
有时，电流互感器和传感器的输出不在ADC要求的范围内，不符合转换的精确性要求。在这种情况下，使用PGA来扩大输入值范围，以提供所要的结果。根据使用情况及SoC成本，这些PGA既可安装在SoC内部，也可安在外部，因为它们的耗电更大，也会产生大量的片内噪声。
使用滤波器清除输入信号中的噪声成分。使用50至60赫兹中心频率的带通(BP)滤波器来传递所要的结果，以方便电表计量。单相电表在SoC上有两个ADC，分别用于计量电流与电压。每增加一个相位，ADC的数量也加1。
这种情况下选择ADC特别困难(计量)。准确度、功耗和速度是决定ADC选择的主要因素。最常见的ADC是SAR(逐次逼近)和Σ-Δ(SD)两种ADC。
两种ADC各有优劣。因此，ADC的选择在很大程度上取决于SoC的用途与预算。SAR ADC使用采样保持技术。它们在特定的时刻捕获输入数据，然后不断将数据与内部DAC输入值对比，进一步调整内部DAC输入值，使其接近捕获的输入值。每次转换时，相应的DAC输出值被数字化并保存在SAR寄存器中。
SAR ADC的分辨率较好，第一次转换延迟较低，取值范围较大。它们对于输入通道值的变化很敏感，而输入通道的带宽又极高。但是，这些类型的ADC由于重复减除和对比而存在线性误差。
在SD ADC中，在某段时间内过度采样输入信号，然后过滤所要的信号频带，然后平均数字化。SD ADC是反馈闪烁型ADC。它们利用闪烁型ADC的高转换速度，其转换时间短至数纳秒，用于8位操作。闪烁型ADC的结果存在大量错误。然后反馈此输出，并从输入值中减去输出值。这将导致噪声整形，从而降低噪音[参考文献4]。
因此，SD ADC的噪声响应比SAR ADC好，因为SAR ADC只抽取单点样本。但是，SAR ADC的输入响应优于SD ADC。因此，当应用需要快速响应、低延迟以及多通道数据捕获时，SAR更合适。但如果是在嘈杂的环境中，需要高精确度和高分辨率，则应该选择SD ADC[参考5]。通常在计量应用中，低端解决方案有SAR ADC，而高端SoC则有SD ADC，以提供更加抗噪的转换结果。
