电能计量芯片

电能计量芯片ADE7755是ADI公司生产的一款用于电能计量的芯片，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求[7]。它将有功功率的信息以频率的形式输出。在50/60Hz输入信号时都能满足IEC687/1036标准规定的测试精度要求，在1000：1的输入动态范围内，测试误差小于0.1%。其功能框图如图3.1所示，实物图如图3.2所示。图3.1ADE7755功能框图图3.2ADE7755芯片实物图3.1ADE7755的特点ADE7755应用了过采样ADC和DSP相结合的技术，对温度的敏感度很低，即使在很高的环境温度下也能维持较高的测试精度。ADE7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理（如相乘和滤波）都使用数字电路，这使其在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。其主要特点如下：（1）工作温度范围－40～85℃。（2）低阈值启动，启动电流小于0.2%Ib。（3）低成本CMOS工艺。（4）片内设有电源监控电路。（5）片内带有防潜动功能（空载阈值）。（6）片内带有抗混叠滤波器。（7）+5V单电源、低功耗（典型值15mW）。（8）具有负功率或错线指示功能。（9）5V单电源工作，正常工作时芯片功耗30Mw。（10）1Vpeak-peak的最大模拟信号输入范围。（11）电流通道具有1/2/8/16四种增益选择，以便灵活选用不同大小的锰铜采样电阻。（12）2.5V片内高精度参考电压源，绝对偏差小于!4%，温漂小于!20ppm/℃。（13）片内基准电压2.5V±8%（温度系数典型值30ppm/℃）,能为外部电路提供基准。（14）带有电源电压检测功能，当电源电压降低到80％VDD时芯片自动复位。（15）灵活的模拟信号输入电路，既可单端输入也可全差分输入并且输入共模电压可在0V和2V之间选择，由管脚SCOM控制。（16）有功功率平均值从ADE7755引脚F1和F2以频率方式输出，且F1、F2能直接驱动步进电机。（17）有功功率瞬时值从引脚CF以较高频率方式输出,能用于仪表校验;逻辑输出引脚REVP能指示负功率或错线;FI和F2能直接驱动机电式计度器和两相步进电机;电流通道中的可编程增益放大器（PGA）使仪表能使用小阻值的分流电阻。3.2ADE7755工作原理ADE7755内部拥有两个16位的二阶∑-△模数转换器，这两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，过采样速率达900KHz。AD7755的模拟输入结构具有宽动态范围，大大简化了传感器接口(可以与传感器直接连接)，也简化了抗混叠滤波器的设计。电流通道PGA进一步简化了传感器接口。电流通道中的HPF滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了由于电压或电流失调所造成的有功功率计算上的误差。有功功率是从瞬时功率信号推导计算出米的，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接干相乘得到的。为了得到有功功率分量(即直流分量)，只要刘瞬时功率信号进行低通滤波就行了。图3.3示出了瞬时有功功率信号如何通过对瞬时功率信号进行低通滤波来获取有功功率，这个设计方案也能正确计算非正弦电流和电压波形在不同功率因数情况下的有功功率。所有的信号处理都是由数字电路完成的，因此具有优良的温度和时间稳定性。ADE7755工作原理若电压U(t)和电流I(t)均为正弦波，且：则瞬时功率P(t)为平均功率P为：ADE7755是一种采用电压和电流直接相乘的方法得到瞬时有功功率，再由瞬时有功功率求出平均有功功率。如图2所示，由电压传感器和电流传感器得到电压和电流信号分别经两路A/D转换器转换成数字信号送入电压通道V2N、V2P和电流通道V1N、V1P。电流通道中的高通滤波器是用来滤除电流分量中的直流电流，以便减小电流直流分量对瞬时有功功率计算的影响。经滤波后的电压和电流信号经乘法器相乘后，所得的信号经低通滤波器后滤掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬时有功功率。此信号经过数频转换器转换成与平均有功功率成正比的低频信号经过F1、F2端口输出，同时从高频口CF输出与瞬时有功功率成正比的脉冲信号。低频端口F1和F2的输出脉冲频率freq与高频端口CF输出脉冲频率fCF可由下式确定：ADE7755的外围电路中，通过输出频率设置电路实现对CF口输出频率的设置，即电表常数的设置。本电表的电表常数设定为3200imp/kwh，即计录一千瓦的功率，要求ADE7755在CF口输出3200个脉冲。图3.3信号处理框图AD7755的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加，因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加(例如通过计度器累加)，就能获得电能计量信息。CF输出的频率较高，累加时间较短，因此CF输出频率正比于瞬时有功功率，这对于在稳定负载条件下进行系统校验是很有用的。3.3模拟输入模拟输入是电能计量芯片对用电线路电压、电流信号进行采集的部分，包括电流通道和电压通道。3.3.1通道1（电流通道）线路电流传感器的输出电压接到AD7755的通道V1，该通道采用完全差动输入，V1P为正输入端，V1N为负输入端。通道1的最大差动峰值电压应小于470mV(纯正弦电压有效值为330mV)。应当注意，通道1有一个PGA，其增益可由用户选择为l，2，8或16(见表3.1)，这使传感器的接口设计大为简单。表3.1通道1的增益选择G1G0增益最大差动信号004±470mV012±235mV108±60mV1116±30mV表3.1示出了V1P和V1N引脚的最大差动电压是470mV，由增益选择而定。在这两引脚上的差动信号必须以同一个共模端作为参考点，如AGND，最大共模信号为100mV，如图3.4所示。图3.4通道1的最大信号电平（G=1）3.3.2通道2（电压通道）线路电压传感器的输出接到AD7755的通道V2，该通道的最大差动峰值电压为±660mV，图3.5示出了允许连接到AD7755通道2的最大信号电平。图3.5通道2的最大信号电平加在通道2上的差动电压信号必须以一个共模端作为参考点(通常是AGND)，最大共模电压为100mV。然而，当共模电压为0V时能获得最好的测量结果。3.4ADE7755的测试曲线ADE7755支持频率50Hz/60Hz准确度要求，在500:1的动态范围内误差小于0.1%，其技术指标超过了IEC1036规定的准确度要求；电流通道具有1/2/8/16四种增益选择，以便灵活选用不同大小的锰铜采样电阻；2.5V片内高精度参考电压源，绝对偏差小于4%，温漂小于20ppm/℃。在不同的频率下，电能计量会产生一定得误差，其相应曲线如图3.6所示。图3.6读数百分比误差与频率关系在本设计中，选用片内基准源，电流通道增益选择1。在不同的温度下，其读数误差分布如图3.7所示：图3.7读数的百分比误差（G=1）插座式节能智能电表硬件电路设计硬件电路是任何一套设备的基础，稳定的、合理布局的电路能使系统工作的更稳定。本设计的硬件电路包括电源稳压电路、电能计量电路、数码管显示电度（1）关于稳压电源电路，电能计量电路的设计123456ABCD654321DCBADVDD1AVDD3AC/DC2NC4V1P5V1N6V2N7V2P8RESET9REF10AGND11SCF12F124F223CF22DGND21REVP20NC19CLKOUT18CLKIN17G016G115S014S113Q5ADE7755R3470KR71K12负载T1负载220V交流电R4470KR61K21534J1继电器S1D2LEDD1+5GNDY33.58MC1633pFC1733pFGNDGND+5NPNGNDPTC6PTE21234C7220uFC9220uFT2T1T3R50.01KGNDC80.1uFVin1GND2Vout3Q6LM2940CTGNDC100.1uF+5VGNDC1110uFC120.1uFC130.1uFR91K+5GNDC150.1uFC1410uFGND+5R81KC1833nFC1933nFC2033nFC2133nF（2）基于stc89c52单片机的应用（3）源程序代码/***********************AD7755功率计12M晶振1T************************//******定时器/计数器初始化********/voidInitTimer(){TMOD=0x15;//00010101设置方式1,计数器0，定时器1TH1=0x3c;//定时初值装载，50msTL1=0xb0;TCON=0X51;//01010001计数器0下降沿触发IE=0X89;//10001001开总中断、外部中断0、定时中断1电流互感器感器电压互感器V1PV1NV2PV2NADE7755AT89C52CFT0数码管显示