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1、电子式电能表计量芯片原理 与常用计量芯片简介,主 讲 人 : 胡 宁,2006112,三星科技有限公司,电子式电能表计量芯片原理与常用计量芯片简介,1电能计量芯片的原理电能表是电力部门计费的唯一工具，需保证其性能稳定性、测量准确性和可靠性。目前已有大量的电子式电能表在实际运行之中。电子式电能表的技术特性主要取决于电能计量集成电路的特性，所以对电能表计量芯片进行研究，具有十分重要的经济价值和理论意义。电能计量芯片的计量原理主要分为模拟乘法器和数字乘法器两大类:模拟乘法器原理主要分为时分割乘法器原理和吉尔波特变跨导乘法器原理两大类。采用时分割原理的电能计量芯片多数采用电流平衡型时分割乘法器，利用脉
2、冲宽度调制的方法完成运算；代表性国产产品有上海贝岭电子公司的BL0931和BL0932 5。采用吉尔波特变跨导乘法器原理的电能计量芯片利用晶体管的伏安特性完成运算，可实现两象限或四象限的线性乘法。,采用数字乘法器的电能芯片依据采样原理，采用过零同步采样法，对一连续波形经A/D变换器进行整周期数字采样，把连续波形离散化，MCU根据均方根算法计算出电流、电压的有效值，再相乘得出功率值。每一芯片有一独立的时基信号发生器，功率值乘以时间就可完成电能测量。数字乘法器电能计量芯片特点：能进行多种电参数的测量；当采样频率选择得当，可进行非正弦信号的测量；动态响应速度慢，不适合对负载变化大的信号进行测量；电能
3、测量准确度级别一般为1.00.5级。采用数字乘法器原理的电能计量芯片对波形进行数据采样的A/D转换器主要有两类:(1) 逐次比较型A/D转换器逐次比较型A/D转换器主要有四部分构成：一个比较器、一 个数模转换器、一个逐次逼近寄存器和一个逻辑控制单元。转 换中的逐次逼近是按对分原理、由逻辑控制单元完成的。在逻 辑控制单元的时钟驱动下，逐次逼近寄存器不断进行比较和移位操作，直到完成最低有效位的转换。由于提高分辨率需要相,当复杂的比较网络和极高精度的模拟电子器件，难以大规模集 成，所以逐次比较型A/D转换器原理的电能计量芯片的测量等 级都不高。这一类型产品如南非Sames公司生产的SA91系列 单、
4、三相电能计量芯片等。(2)-原理A/D转换器基于FIR(有限长单位脉冲响应)数字滤波原理的A/D转换器即 -A/D转换器。该芯片主要采取了增量调制、噪声整形、数 字滤波和采样抽取等技术，能够以较低的成本实现高线性度和 高分辨率，所以应用-原理的A/D转换器的电能计量芯片， 其测量等级都较高；又由于-原理A/D转换器是根据模拟信 号波形的包络形状来进行量化编码，对波形幅值的变化不敏感 ，所以此类电能芯片具有良好的电磁兼容性。这一类型产品如 美国ADI公司于1998年首先研制出的ADE7755系列产品；Cry- stal公司的CS5460，Atmel公司的AT73C500、AT73C501和 AT
5、13C502系列产品等。,早期的电能计量芯片有的只是一个数据采集器，即使有DSP 引擎，功能也不强，和单片机系统的连接也只是提供高、低频 率的脉冲输出；单片机一般利用自身的计数器/定时器记取脉冲 数。目前的电能计量芯片(包括即将推出的)较以前的有了很大 不同，不仅有数据采集功能，还有被测电源系统的状态信息记 录功能；芯片对采集的数据进行了大量的加工和运算，直接给 出了需要的各种电量，如电压、电流、有功和无功功率(电能) 、相角和频率等量值；与单片机系统的连接一般采用SPI或I2C 串行口，把被测电源系统的过电压、过电流、欠电压、欠电流 、断相、错相、过零等状态利用中断和单片机系统交流信息。 此
6、外，芯片一般有校正特性，如偏移校正、增益校正和相位校 正。单片机系统对寄存器写入一定的位值就能对电能表进行校 正，即软件校正。为了使电能表正常工作或者按某种需要方式 工作，单片机只要对计量芯片的控制器写入适当的控制字就可,以了。芯片中可通过串行口读写的寄存器有数十个之多，可以 读入所需的所有电量数据。所以，电能计量芯片不仅决定了电 能表的主要性能(见GB/T 17215)，而且在技术上无论是硬件还 是软件(已固化在芯片内)也都比后续单片机系统复杂的多。单 片机系统的主要任务，在系统的前端是写计量芯片的控制寄存 器、读计量芯片的数据寄存器和接受状态信息及处理中断；在 系统的后端就是显示、计量分时
7、电能和需量、管理(如通过RS 485、红外等通信接口进行通信)等。这样，电能表的两个单元 计量单元和数据处理单元较为均衡、合理 。目前的电能计量芯片的另一特点是把电测量理论关于电功率 (电能)的一些基本理论融入了芯片制造技术之中，如：功率表的 角误差、乘法器的瞬时功率信号频谱、关于无功功率(电能)的处 理方法以及电源周波电能累计模式应用于校正等。2常用电能计量芯片国内常用的一些电能计量芯片大致情况如下：用于电压、电 流等电量的数据采集器；脉冲输出的单、三相电能计量芯片；,内置串口的带DSP引擎及相关软件的单、三相多功能电能计量 芯片；防窃电电能表用单、三相电能计量芯片；带di/dt采样器 接口
8、和DSP引擎的单、三相电能计量芯片；带内部精密振荡器 的电能计量芯片等。以我公司各型电子式电能表为例，其电量数据的获取(即计 量电路的组成)主要由基于数字乘法器原理的专用电能计量芯片 实现和A/D转换器MCU的交流采样方式实现，以下分别作简 要介绍。2.1 ADI公司ADE7751：片内故障检测型单相电能计量芯片ADE7751是一种可检测故障的高准确度专用电能计量芯片 ，用于单相二线配电系统，支持50Hz和60Hz的IEC61036标准 的要求，在1500的动态范围内误差小于0.1%，部分指标优于 IEC61036规定的准确度要求。ADE7751只在A/D转换和基准源中使用模拟电路，所有其他
9、信号处理(如乘法运算和滤波)都采用数字方式进行，这使得ADE 7751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。,ADE7751采用低成本CMOS工艺，为电能测量提了供单芯片的低成本解决方案。ADE7751具有一种新颖的故障检测设计，在45Hz55Hz 线路频率下工作时，能对故障状态报警；同时ADE7751通过持续监视相线和中线(回馈线)电流实现在故障期间继续准确计量。当两路电流相差超过12.5%时即指示有故障，从而即使在故障期间(如两线中有一线没有负载任何电流)，平均有功功率输出脚F1和F2上的输出脉冲频率也能通过两路电流中较大者产生。ADE7751提供这种有效的方法以遏止电流回地
10、的各种企图，对于电能表窃电，这仍然时一种非常简单有效的方法。F1和F2引脚上的输出脉冲频率能直接驱动单相步进电机和机电式脉冲计数器，以及与MCU接口；瞬时有功功率从CF引脚以较高频率输出，用于电能表校验或与MCU连接。逻辑输出引脚FAULT和REVP能指示接线错误或故障状态。ADE7751内部相位匹配电路能保证电压和电流通道的相位始终是匹配的。AD E7751内部的无负载阈值保证了ADE7751在无负载时没有潜动 ，而电流通道中的PGA(可编程增益放大器)使得电能表可以采用,小阻值的分流电阻。ADE7751采用5V单电源供电，功耗低 (典型值15mW)，具有外部过驱动性能。ADE7751内部有
11、一个 对电源引脚VDD的监控电路，在VDD上升到4V5之前， ADE7551一直保持在复位状态。同样，如果VDD降到4V 5以下，ADE7751也被复位，此时F1、F2和CF没有输出。 ADE7751为24脚DIP和SSOP封装，图1是ADE7751管脚 定义图，有关ADE7751芯片的详细信息可参阅相关资料。目 前，ADE7751主要应用于各型单相电子式电能表，其典型电 能计量电路原理如图2所示。2.2 ADI公司ADE7755：脉冲输出型单相电能计量芯片ADE7755是一种高准确度专用电能计量芯片，用于单相 二线配电系统，支持50Hz和60Hz的IEC61036标准的要求。 在1500的动
12、态范围内误差小于0.1%，部分指标优于IEC61 036规定的准确度要求。 ADE7755只在A/D转换和基准源中使用模拟电路，所有其 他信号处理(如乘法运算和滤波)都采用数字方式进行，这使得,图1 ADE7751管脚定义图,图2 ADE7751电能计量电路原理图,ADE7755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。ADE7755采用低成本CMOS工艺，为电能测量提了供单芯片的低成本解决方案。ADE7755的引脚F1和F2以较低频率输出平均有功功率，F1和F2引脚上的输出脉冲频率能直接驱动单相步进电机和机电式脉冲计数器，以及与MCU接口；瞬时有功功率从CF引脚以较高频率输出，用于
13、电能表校验或与MCU连接。逻辑输出引脚REVP能指示反向功率或接线错误。ADE7755内部相位匹配电路能保证电压和电流通道的相位始终是匹配的。ADE7755内部的无负载阈值保证了ADE7755在无负载时没有潜动，而电流通道中的PGA(可编程增益放大器)使得电能表可以采用小阻值的分流电阻。 ADE7755采用5V单电源供电，功耗低(典型值15mW)，具有外部过驱动性能。ADE755内部有一个对电源引脚AVDD的监控电路，在AVDD上升到4V5之前，ADE7755一直保持在复位状态。同样，如果AVDD降到4V5以下，ADE7755也被复位，此时F1、F2和CF没有输出。,ADE7755为24脚SS
14、OP封装，图3是ADE7755管脚定义图， 有关ADE7755芯片的详细信息可参阅相关资料。目前，ADE77 55主要应用于各型单相电子式电能表，其典型电能计量电路原 理如图4所示。2.3 ADI公司ADE7752：脉冲输出型三相电能计量芯片ADE7752是一种高准确度的三相专用电能计量芯片，支持 50Hz和60Hz的IEC60687和IEC61036标准的要求，在1500的 动态范围内误差小于0.1%，部分指标优于IEC61036规定的准确 度要求。ADE7752兼容三相三线连接和三相四线Y连接。ADE7752 只在A/D转换和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理(如乘 法运算和滤波)都采
15、用数字方式进行，这使得ADE7752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。ADE7752计算六个电压信号(三个电流通道和三个电压通道) 的乘积，然后对乘积进行低通滤波，得到有功功率信息，再将其,图4 ADE7755电能计量电路原理图,图3 ADE7755管脚定义图,转换成频率，由引脚F1和F2输出，此逻辑输出能直接驱动机电 式脉冲计数器或MCU接口。CF引脚输出瞬时有功功率值，用于 电能表校验。ADE7752采用低成本CMOS工艺，为电能测量提了供单芯 片的低成本解决方案。ADE7752的引脚F1和F2以较低频率输出 平均有功功率，F1和F2引脚上的输出脉冲频率能直接驱动步进
16、电机和机电式脉冲计数器，以及与MCU接口；瞬时有功功率从 CF引脚以较高频率输出，用于电能表校验或与MCU连接。逻辑 输出引脚NEGP指示反向功率或接线错误。ADE7752内部相位匹配电路能保证电压和电流通道的相位 始终是匹配的；内部的无负载阈值保证了ADE7752在无负载时 没有潜动。 ADE7752采用5V单电源供电，功耗低(典型值60mW)，具 有外部过驱动性能。ADE7752内部有一个对电源引脚VDD的监 控电路，在VDD上升到4V5之前，ADE7752一直保持在 复位状态。同样，如果VDD降到4V5以下，ADE7752也 被复位，此时F1、F2和CF没有输出。,ADE7752为24脚
17、SOIC封装，图5是ADE7752管脚定义图， 有关ADE7752芯片的详细信息可参阅相关资料。目前，ADE77 5 2主要应用于各型三相电子式多费率电能表，其典型电能计量 电路原理如图6所示。2.4 ADI公司ADE7758：带SPI串行输出接口的脉冲输出型三相 电能计量芯片ADE7758是一种高准确度的三相专用电能计量芯片，支持 IEC60687 、IEC61036和IEC61268等标准的要求，在11000 的动态范围内误差小于0.1%。ADE7758 集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元 件等，有可用于有功功率、无功功率、视在功率的瞬时值与平均 值测量以及以数字方式校正系统误差(增益、相位和失调等)所必 须的信号处理电路。该芯片适用于各种三相电路（不论三线制或 者四线制）。,
