内置振荡器的电能测量芯片ADE7757及其应用.doc

内置振荡器的电能测量芯片ADE7757及其应用.doc 内置振荡器的电能测量芯片ADE7757及其应用 内置振荡器的电能测量芯片ADE7757及其应用 电测仪论文 内置振荡器的电能测量芯片ADE7757及其应用 摘要:ADE7757是美国AD公司研制生产的高精度电能测量芯片。这种芯片非常适合动态范围大，干扰严重的测量系统。文中介绍了ADE7757的结构特点和工作原理，给出了ADE7757在电能测量仪表中的应用电路。 关键词:ADE7757;瞬时有功功率;平均有功功率 , 概述 ,,,,,,,是美国,,公司推出的高精度电能测量集成芯片。与原有的同系列,,,,,,,相比，其芯片引脚较少，且内置了一个精确的振荡器电路来给芯片提供时钟。这就使得使用,,,,,,,的仪表省掉了外部晶体或者共振器，因此可以降低总体成本。 该芯片的内部电路除了,,,和参考电路是模拟电路外，其余均为数字电路，因此芯片在长时间与极端工作条件下具有卓越的稳定性与精度。 ,,,,,,,可在低频输出引脚,,、,,上输出平均有功功率，并可直接驱动一个机电计数器或与,,,的接口。而高频,,逻辑则可输出用于校准的瞬时有功功率。,,,,,,,的基本特性和参数如下: ? 带有片内振荡器，可作为时钟源; ? 精度高，且与,,,,,,,,,的，,,,,,,,,,,兼容; ? 逻辑输出引脚,,,,可用来指示可能的接线错误或负功率; ? 带有片内电源监视器; ? 采用单,,电源，功耗较低; ? 采用交流输入。, 内部结构及引脚功能 ,,,,,,,是,,脚,,，,封装，图,为其内部结构框图，各引脚的功能见表,所列。表1 ADE7757的引脚功能 图,所示是,,,,,,,的内部原理图，图中，两个,,,电路将电流传感器和电压传感器送入的电压信号进行数字化。这个模拟输入结构大大简化了传感器接口电路，并提供了很大的动态范围，同时简化了滤波器的设计。电流通道(,,通道)的高通滤波器(,,,)去掉了电流信号里的全部直流成分，从而减少了有功功率计算中由电压或电流信号偏移带来的不精确性。 有功功率的计算可由瞬时功率信号获得。瞬时功率等于电流与电压信号的乘积。 低频输出,,、,,可由有功功率的积累来获得。低频意味着在输出脉冲之间的长时间积累。因此，输出频率正比于平均有功功率。平均有功功率的信息积累(如用一计数器)可得到有功能量。相反地，,,脚输出高频率可缩短积累时间，其输出频率正比于瞬时有功功率。 ,(, 片内振荡器(,,,) ,,,,,,,的片内振荡器频率与内部振荡器的使能端,,,,，,的外接电阻成反比。外接电阻为,(,,,,,Ω时，振荡器可正常工作，但一般选用,(,,,(,,Ω的范围。当,,,,，,接,(,,Ω电阻时，内部振荡器的频率为,,,,,,。因为输出频率是与振荡器频率直接成比例的，因此外接电阻必须具有低公差和低温度漂移等特性，以保证芯片的稳定性与线性度。 ,(, 电流与电压通道的模拟输入 通常电流传感器的电压输出可由通道,,接入,,,,,,,芯片。通道,,是一个全微分电压输入通道，,,,是正极输入，,,,是负极输入。特殊应用时，通道,,的最大微分信号应小于?,,,,(相对于,,,,)，普通应用时为?,(,,,,。通道, ,的典型连接电路如图,所示，该图中的电流传感器实际上是一分流电阻，相对于其它电流传感器(如电流变压器)，该分流电阻的功耗较低，这更有利于小电流仪表。 电压传感器的电压输出则由通道,,接入,,,,,,,芯片。通道,,也是一个全微分电压输入通道，,,,是正极输入，,,,是负极输入。其最大微分信号为?,,,,,。输入电压以,,,,为参考。通道,,的典型连接电路见图,。典型情况下，,,,,,,,相对于中性线有一个偏差，可用一个电阻分配器提供一个正比于线电压的电压信号。另外，调整,,，,,，,,的比例也是调整仪表增益刻度的有效方法。 ,(, 数,频转换 如前所述，低通滤波器(,,,)的数字输出中包括有功功率信息。然而由于,,,不是理想的滤波器，因此输出信号还包括有削弱了的线频率及其谐波成分;,,(,ω,)，其中,,,，,，,……。由于瞬时功率计算的原因，主要谐波成分为线频率的两倍，即,ω。实际上，,,,输出的瞬时有功功率信号仍包括了大量的瞬时功率信息，例如;,,(,ω,)。 此信号被送入数字频率转换器并经过积累，即可得到输出频率。信号的积累可以减少瞬时有功功率信号中的任何非直流成分。另外，由于正弦信号的平均值为,，因此,,,,,,,产生的频率与平均有功功率成比例。 频率输出,,随着时间而变化的原因主要是瞬时有功功率信号中的;,,(,ω,)成分所致。,,输出的频率可以达到,,和,,输出频率的,,,,倍，这个高频输出是在数字转换为频率时积累了很短的时间而产生的。积累时间很短意味着只包括很少的;,,(,ω,)成分，这就使得一些瞬时有功功率信号通过了数字频率转换器。这在实际应用中不成问题，因为当,,用作校准时，频率将会通过频率计数器来平均，由此去掉波纹。 由于,,和,,的输出频率很低，因此引入了很多的瞬时有功功率信号的平均值，所以输出的是大大削弱了正弦成分的频率。 ,(, 传输函数 ,( ,,和,,的频率输出 如前所述，,,和,,的频率输出是对有功功率信号较长时间的积累，它与平均有功功率成比例。输出频率与输入电压和电流信号的关系如下: ,,,？,(,,,(,,,,,,, ,,,,, ,,,,),,,,,, 其中，,,,？为,,和,,的输出频率，单位为,,，,,,,,和,,,,,是通道,,和,,的差分电压信号输入(,)，,,,,为参考电压(,(,,?,,)，,,,,是表,中由逻辑输入,,和,,选择的四种可能的频率之一。表2 F1-4频率选择及F1，F2的最大输出频率 表,所列为,,最大输出频率与,,、,,之间的关系。当逻辑输入,,,为,，而,,和,,为,时，其最大值为,(,,,,,,。 ,(, ,,,,,,,与微控制器的接口 ,,,,,,,与微控制器最简易的连接方式可利用,,的高频输出来完成。连接时，可将,,设置为最大输出频率(如图,所示)，并将,,连接至,,,计数器或接口，然后在,,,内部定时器规定的时间内计数脉冲，并取平均功率等于平均频率，同时，该值也等于计数所得值与计数时间的比值。这样，此计数时间内所消耗的能量为平均功率与时间的乘积，也就是说计数值,时间与时间乘积的计数值。图5 ADE7757在电能测量仪表中的应用电路, 应用电路 利用,,,,,,,可以很方便地构成一个完整的低成本、微功耗的电能测量仪表。图,为其应用电路，图中，,,和,,接入电流传感器送来的电压信号，并经电容滤波后送入,,通道。,,和,,接入电压传感器送来的电压信号并经可变电阻(用来调节精度)送入,,通道。,,、,,接到记度器，用,,输出的脉冲来驱动记度器走字。,,、,,输出,,和,,的脉冲可接到脉冲线。其中，,,,用来指示输出的脉冲，,,,指示反向输入，,,,,,用来给,,,,,,,提供，,,电源。,,,,，,直接接,(,,Ω电阻，从而使该电路不用外加振荡器。 笔者按照上述原理与电路研制了一台电能表，并用它来驱动记度器，使用结果非常满意，误差非常小，其跳变在,(,以内，且功耗也非常小。, 结论 通过上述分析与试验，,,,,,,,必将在电能测量中得到广泛的应用。它不仅具有较为简单的电路结构，而且所需的单片机资源也很少。