ATT7022EU应用笔记

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1、 三相多功能计量芯片 ATT7022EU 应用笔记(370-CS-106_V1.0) ATT7022EU 应用笔记 Rev 1.0 三相多功能计量芯片 ATT7022EU 应用笔记(370-CS-106_V1.0) 版本修改说明版本修改说明 版本号 修改记录 V1.0 2011/11/12：创建初稿 三相多功能计量芯片 ATT7022EU 应用笔记(370-CS-106_V1.0) ATT7022EU 的应用笔记的应用笔记 本应用笔记介绍了用 ATT7022EU 做多功能电能表的设计方法，供大家参考，在阅读该应用笔记前， 建议先仔细阅读 ATT7022EU 的用户手册。 概述概述 ATT702

2、2EU 是一颗精度高且功能强的多功能防窃电三相电能专用计量芯片，它集成了七路二阶 sigma-delta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其 他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效值，使用十分方便，该芯片适用于三相三线和三相四线应用。 该芯片还集成了参考电压电路以及所有包括基波和全波( (基波基波+ +谐波谐波, ,以下简称全波以下简称全波) )的各项电参数测 量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相全波有功功率、无功功率、视在功率、有功能量、无功能 量以及视在能量（PQS、RMS 两种方式可选择） ；基波有功功率、基波有功能量及基波电压、电流有

3、效值， 同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角、电压夹角等参数，充分满足三相多功能 电能表以及基波电能表制作的需求。 ATT7022EU 内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作,提供一个 SPI 接口， 方便与外部 MCU 之间进行计量参数以及校表参数的传递。支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功、 视在及基波有功电能脉冲输出 CF1、CF2、CF3、CF4，可以直接接到标准表，进行误差校正。 一、一、 硬件电路设计硬件电路设计 ATT7022EU 封装为 44 脚 LQFP 形式，外围硬件电路主要包括电源、电压及电流模拟输入、脉冲输出及 SPI 通讯接

4、口等电路。 摸拟输入电路摸拟输入电路 ATT7022EU 内部集成了 7 路 19 位 A/D 转换器， 电流通道有效值在 0.1mV 至 500mV 的范围内线性误 差小于 0.1%；电压通道有效值在 0.2mV 至 500mV 的范围内线性误差小于 0.1%；电压有效值取值在 0.2V 到 0.5V（放大后的电压值，建议电压取样信号为 0.1V，电压通道的放大倍数选 2 倍） ，电流取值在 0.2mV 至 500mV， 电能线性误差小于 0.1%。 每路 ADC 的交流输入由管脚 VxP 和 VxN 输入，以 GND 为中心，不再需要偏置电压。 三相表计量芯片的采样电压输入可采用电阻分压方

5、式（如图 1）或电压互感器方式（如图 2） ，也 可 先将电压转换成电流，通过电流互感器，再将电流转换成电压的方式（如图 3、图 4） ，后 3 种方式采用 了互感器，将芯片与电网进行了隔离，从而可以获得良好的抗干扰性能。 R1 2M C1 0.01uF R2 1.2k C1 0.01uF R2 1.2k 图1、电压采样采用电阻分压输入 PT VN VPV2P V2N VP VN R1 1.2k C1 0.01uF R2 1.2k C1 0.01uF V2P V2N 图2、电压采样采用电压互感器输入 三相多功能计量芯片 ATT7022EU 应用笔记(370-CS-106_V1.0) CT VP

6、 VN R1 1.2k C1 0.01uF R2 1.2k C1 0.01uF V2P V2N 图4、电压采样采用电流互感器输入（单端方式） R1 110k 51R CT VP VN R1 1.2k C1 0.01uF R2 1.2k C1 0.01uF V2P V2N 图3、电压采样采用电流互感器输入（差分方式） R1 110k 30R 30 图中 VP 与 VN 是电网电压，图中的参数是对 220V 为参考电压而设计的，图 2 中的 PT 将电网电压 （如 220V）变换为采样电压，图 3、图 4 中的 CT 是 1：1 的变换器（如 2mA 到 2mA） 。 电流采样都是通过电流互感器完

7、成的，有以下几种接线方式。 IA+ IA- R1 1.2k C1 0.01uF R2 1.2k C1 0.01uF V1P V1N 图6、电流采样单端输入 10R IA+ IA- R1 1.2k C1 0.01uF R2 1.2k C1 0.01uF V1P V1N 图5、电流采样差分输入 5.1R 5.1R 图 5 与图 6 中 IA+、IA-是电流互感器的二次侧信号。第七路 ADC 输入也可参考这种接法。 在采样输入信号设计时应注意以下几点： 1、 无论任何输入方式，输入引脚的 VxP 和 VxN 均应偏置在 GND，否则不能准确计量。 2、 为保证测量精度，芯片第 5 脚外接滤波电容应尽

8、量靠近管脚处，走线粗短，远离其它信号线，且两个 电容均不可省去。电容的接地点应与采样信号的地线尽可能短的连在一起。 3、 VxP 和 VxN 输入电路中电阻 1.2K 和电容 0.01uF 构成了抗混叠滤波器，其结构和参数要讲究对称， 并采用温度性能较好的元器件，从而保证电表获得良好的温度特性。 4、 任意一相电流与电压反向时，芯片第 40 脚 REVP 输出高电平，据此可以判断接线是否有错。 5、芯片的输入脚 SEL 接高电平为选择三相四线接线方式，接低电平为选择三相三线接线方式。 6、三相三线电表采用两元件测量方式，B 相不参与电能计量，端子接线上用 VB 替代三相四线的 VN。 电压采样

9、输入 V4P 与 V4N、 电流采样输入 V3P 与 V3N 可做为独立的信号输入， 其电压、 电流、功率、 功率因数值可读 B 相相应的寄存器。 电能脉冲输出电路电能脉冲输出电路 下面是有功电能脉冲信号生成的过程框图： 功率计算 除频器1 HFreq 电流信号I(t) 电压信号U(t) 积分器 功率P(t)Fout CF1 电压、电流信号经变换后再相乘得到瞬时功率，对时间积分后成为电能信号，根据设定的合相能 量累加模式将三相电能做绝对值相加或代数值相加运算，并将结果变换为频率信号，然后按照用户设定 三相多功能计量芯片 ATT7022EU 应用笔记(370-CS-106_V1.0) 的分频系数

10、进行分频，得到可用于校表的电能脉冲输出信号。 下面是高频输出常数为 64 时的分频示意图，电能脉冲输出的脉宽为 90 毫秒，当脉冲周期小于 180 毫秒时，电能脉冲以占空比为 1：1 的等宽脉冲输出。 CF1 Fout t2=90ms t1 t2=64 * t1 HFreq=64 无功电能脉冲信号则是计量电路中得到的无功瞬时功率，对时间积分后成为无功电能信号，再去生 成无功电能脉冲信号，基波有功也是同样，它们都需要根据设定的合相能量累加模式将三相电能做绝对 值相加或代数值相加运算，并将结果变换为频率信号，然后按照用户设定的分频系数进行分频，得到可 用于校表的电能脉冲输出信号。脉宽和周期部分的生

11、成都是一样的，其生成的过程总体框图如下： 数字高通 滤波器 数字高通 滤波器 电压通道 ADC采样数据 电流通道 ADC采样数据 90 移相 滤波器 无功能量测量 有功能量测量 基波抽取滤波 U(n) I(n) UT(n) U(n) I(n) 基波/谐波 有功能量测量 U1(n) I1(n) CF2 CF1 CF4 HarEN寄存器 (Addr:0 x03) 由上图可见，通过寄存器（0 x03）的控制位 HarEn 设置，可以开通基波的计量功能，此时 CF4 输出 基波有功脉冲，基波抽取滤波器完成基波信号处理功能。其中基波抽取滤波器对高于 3 次(150Hz)以上的 谐波信号进行衰减，仅保留基

12、波成分，谐波衰减率在-30dB 以上，如下图： 三相多功能计量芯片 ATT7022EU 应用笔记(370-CS-106_V1.0) 说明：基波抽取滤波器说明：基波抽取滤波器对高于对高于 3 次次(150Hz)以上的谐波信号进行衰减，以上的谐波信号进行衰减， 仅保留基波成分，谐波衰减率在仅保留基波成分，谐波衰减率在-30dB 以上；以上； 在进行电能脉冲输出信号设计时应注意以下几点： 1、选择合适的合相能量累加方式：三相电能以代数和或以绝对值和方式累加。ATT7022EU 复位后对三相 四线表（SEL 接高电平或浮空） ，合相能量累加方式默认为绝对值和，对三相三线表（SEL 接地） ，合相 能量

13、累加方式默认为代数和。通过写校表寄存器 0 x03 的控制位EAddmode，可以改变合相能量累加方式。 2、电能脉冲输出口 CF1、CF2、CF3、CF4 上所串电阻靠近管脚，如引线较长，可考虑在脉冲输出口管脚 处接去耦电容，对电表获得良好的电磁兼容性有好处。 电源电路电源电路 下图是一个三相电源供电的原理图： 电源电路的设计对电表的性能尤为重要，为了保证良好的电磁兼容性，请注意以下几点： 1、电源电压 VCC、AVCC 应在 3.3V10%以内。 2、建议在 3.3V 稳压元件 U2 的输出端接 2200uF 的滤波电容。 3、 GND 与 AGND 为数字和模拟电源参考点， 在 PCB

14、布线时应将他们就近接大面积地， 不要区分 GND 和 AGND，更不要在 GND 和 AGND 之间接电感、电阻和磁珠等元件。 三相多功能计量芯片 ATT7022EU 应用笔记(370-CS-106_V1.0) 4、大面积铺地不要铺到整流元件之前，电压采样的固定电阻下面也不要铺地，做到强、弱电分开。 5、去耦电阻 R16 及电容 C17、C18 靠近 IC 模拟部分保证较好的滤波效果。 6、用电阻网络分压取样电路，VN 应经压敏电阻后接内部电路。 与单片机的接口与单片机的接口 ATT7022EU 与单片机一般有 6 条连线，其中 4 条是 SPI 口线 CS、SCLK、DIN、DOUT，一条

15、ATT7022EU 的复位控制线，一条握手信号线 IRQ，在应用中应注意： 1、ATT7022EU 采用 3.3V 电源供电，在与 5V 电源工作的单片机连线时要做电平转换。 2、SPI 通讯连线应尽可能短，并且周围用地线包起来,否则， SPI 传输信号线可能受到干扰。可以在 SPI 信号线上串联一个 10电阻并在信号输入端加一个去耦电容，这个电阻靠近 IC 的输入端并与所接去 耦电容结合起来可构成一个低通滤波器，从而可以消除接受信号的高频干扰。在保证 SPI 通讯速率正 常的情况下，去耦电容可适当选大，以增强抗干扰能力，注意 CS、SCLK、DIN 所串电阻和所并电容要 尽量靠近芯片，DOU

16、T 所串电阻和所并电容要靠近单片机。虽然 ATT7022EU 本身 SPI 读写有很完善的校 验手段，其信号线加强抗干扰能力还是很重要的。 3、单片机必须对 IRQ 信号或其状态进行监控。在上电或者 ATT7022EU 受干扰复位，必须由外部 MCU 通过 SPI 口对校表数据进行更新，以保证计量的准确性。IRQ 信号就是用来通知外部 MCU 的一个握手信号。 在单片机的 IRQ 输入口处接 0.01uF 的去耦电容，增强其抗干扰能力。当然也可以检测标志状态寄存 器(地址：0 x2C)的 bit.7 是否置位，以确定校表数据是否需要更新。 4、为了在上电和单片机复位后，ATT7022EU 能与单片机同步的工作，ATT7022EU 的 RESET 信号需要由单 片机控制，复位过程为 RESET 信号保持大于 20uS 低电平，芯片复位，此时 IRQ 输出高电平，然后单 片机将 RESET 信号拉高，大约经 100uS