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1、脉冲输出的电能计量集成电路 AT7021 的工作原理及应用2011-01-14 15:03:39|分类:AD、ADI模拟器|标签：脉冲输出的电能计量集成电路ad7755的工作原 理及应用|字号大中小订阅脉冲输出的电能计量集成电路 AD7755 的工作原理及应用一概述AD7755 是一种高准确度电能测量集成电路，其技术指标超过了 IEC1306 规定的准确度要求。有关IEC1306电能表参考设计方案介绍，请参见ADI公司应用笔记AN559。AD7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，所有其它信号处理都使用数字电路，这使AD7755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。AD775
2、5 的引脚 F1 和 F2 以较低频率形式输出有功功率平均值，能直接驱动机电式计度器或与微控 制器接口。引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于校验或与微控制器接口。AD7755 内部包含一个对 AVDD 电源引脚的监控电路，在 AVDD 上升到 4V 之前， AD7755 一直保 持在复位状态。当AVDD降到4V 一下，AD7755也被复位，此时F1，F2和CF都没有输出。内部相位匹配电路使电压和电流通道的相位始终是匹配的，无论通道1内的高通滤波器（HPL）是 接通的还是断开的。内部的空载阈值特性保证AD7755在空载时没有潜动。1.特点高准确度，支持 50Hz/60Hz， IEC 6
3、87/1036 标准的准确度要求，在 500： 1 的动态范围内误差小于 0.1%；有功功率平均值从AD7755的引脚F1和F2以频率方式输出；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。F1 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。在环境和时间有很大变化的条件下，采用专利模数转换器和数字信号处理器，仍保证高准确度。片内设有电源监控电路。片内带有防潜动功能（空载阈值）。片内基准电压2.5V8%（温度系数典型值30ppm/C），能为外部电路提供基准。5V 单电
4、源，低功耗（典型值 15mW）。低成本CMOS工艺。2功能框图及引脚定义功能框图见图1 ，引脚定义见图2。VINV2PV2N2JVAVuq AGNQ-|AD7755AG/DC 0 4M-Wr-CjHflEFlWl/T忻、rriVrE* i,(-|-t-：- lumu.：J.r：j：65出砕泮曲圳茨晞冰出JS址:疸说:笫啟出：&B_ nb_Is-i上.f. v /OkTZ 1皿l 利 “禹 EIQQIwf数字我年转换器CLXIN： CLKOUT SCF &D Si fiEVP CF Ft 门图1功能框图口畑T-AC/CtAVW3NC4VIPVA07755ViN4眼图V2NT按比例V2FTBElT
5、,VREFir*tJUT101AGND1114SCFLNCM逹按REVRMOCLKO-UTGLK.FIM5051图2引脚定义引脚功能说明如下引脚号符号说明1DVDD数字电源。该引脚提供AD7755数字电路的电源，正常工作电源电压应 保持在5V5%，应并接10uF及104瓷介电容去耦。2AC/D高通滤波器HPF选择引脚，接高电平时，通道1 （电流通道）内的HPF 被选通，该滤波器所涉及的相位响应在45Hz至1KHz范围内在片内已得到补C偿。在电能计量的应用中，应使HPF选通。3AVDD模拟电源。该引脚提供AD7755模拟电路的电源，正常工作电源电压应 保持在5V5%，为使电源的纹波和噪声减小到最
6、低程度，应并接10uF及104 瓷介电容去耦。4,19NC不连接5,6V1P,V1N通道1 （电流通道）的正、负模拟输入端，完全差动输入方式，正常工 作最大信号电平为士470mV。通道1有一个PGA，其增益选择见表1。这两个 引脚相对于AGND的最大信号电平为1V。两个引脚内部都有ESD保护电路， 能承受6V的过电压，而不造成永久性损坏。7,8V2N,V2P通道2 （电压通道）的负、正模拟输入端，完全差动输入方式，正常工 作最大信号电平为660mV。相对于AGND的最大信号电平为1V。两个引脚 内部都有ESD保护电路，能承受6V的过电压，而不造成永久性损坏。9RESET复位引脚，为低电平时，A
7、DC和数字电路保持复位状态，在RESET的 下降沿，清除AD7755的内部寄存器。10REFIN/OUT基准电压的输入，输出端，片内基准电压的标称值为2.5V8%，典型温 度系数为30ppm/C。无论用内部或外部基准源，该引脚都应使用10uF钽电 容和104瓷介电容对AGND进行去耦。11AGND模拟电路（即ADC和基准源）的接地参考点，该引脚应连到PCB的接 地面，模拟接地面是所有模拟电路的接地参考点，为了有效的抑制噪声，模拟 接地面与数字节地面只应有一点连接。星形接地方法有助于使数字电流噪声远 离模拟电路。12SCF校验频率选择。该引脚的逻辑输入电平确定CF引脚的输出频率，如何 选择校验频
8、率见表4.13,14S1,S0这两个引脚的逻辑输入用来选择数字/频率转换系数，这为电能表的设计 提供了很大的灵活性。15,16G1,G0这两个引脚的逻辑输入用来选择通道1的增益，可能的增益是1,2,8和16。17,18CLKIN,CLKOUT接晶体振荡器，其值为3.579545MHz，匹配电容为33P的瓷介电容器。20REVP当检测到负功率时，即电压和电流的相位差大于90C时，输出高电平， 该输出的逻辑状态随CF输出脉冲同时变化。21GND数字接地参考点。22CF频率校验输出引脚。其输出频率反映瞬时有功功率的大小，常用于仪表 校验。23,24F2,F1低频逻辑输出引脚，其输出频率反映平均有功功
9、率的大小。这两个逻辑 输出可直接驱动机电式计度器或两相步进电机。二工作原理两个ADC对来自电流和电压传感器的电压信号进行数字化，这两个ADC都是16位二阶Z-A模数 转换器，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）。电流通道中的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到计算出来的，瞬时功率信号是用电流和电压信号直接相成得到的。 为了得到有功功率分量（即直流分量），只要对瞬时功率信号进行低通滤波就行了。图
10、3示出了瞬时有功 功率信号如何通过对瞬时有功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。瞬时科功功率信号V、I试中：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，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，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的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。功率因数的考虑上述从瞬时功率信号获取有
11、功功率信息的方法（即低通滤波）对于电压和电流信号不同相的情况也 是有效的。图4示出了相移功率因数（PF）等于1和0.5的两种情况，后者也就是电流信号滞后于电压信 号60度。假设电压和电流波形都是正弦的那么瞬时功率信号中的有功功率分量（即直流分量）为：这是正确的有功功率计算方法。瞬时功率信号瞬吋右功功率信号图41 模拟输入通道V1 （电流通道）线路电流传感器的输出电压接到AD7755的通道V1,该通道完全查分输入，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士470mV （纯正弦电压有效值330mV）。应当注意，通道1有一 个PGA，其增益可由用户选择为1, 2, 8或1
12、6 （见表1）。这使传感器接口的设计大为简单。图5给出了 V1P和V1N引脚上的最大信号电平，最大差动电压是47mV，由增益选择而定。在这两 个引脚上的差动信号必须以一个共模端作为参考点，如AGND。最大共模信号为100mV。G1GO0000816表丨通道1的增益选择增益最大差动信号图5通道1的最大信号电平（G=1）通道V （电压通道）典型接线图470mV士 235mV士 6&nV土 3伽评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6给出了允许连接到AD7755通道2的最大信号电平。加在通道2上的差动信号电压必须以一个共模端作为参考点（通常是AGN
13、D），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。图7给出了通道1的典型接线图，本例选择电流互感器（CT）作为电流传感器。注意，这里通道1的共模电压是AGND，它是通过负载电阻的中间抽头接到AGND上的，对V1P和V1N上的模拟电压起到互补作用。CT的变比和负载电阻Rb的大小根据差动峰值电压而定，即在最大负载条件下，通道1的差动峰值电压应为470mV/G。图8给出了通道2的两种典型接方法，第一种方法是使用一个电压互感器（PT），它能使AD7755与主电网完全隔离。第二种方法是以电网的中线（零线）为基准，用一个电阻分压器提供与线路电压成正t47QmV-470mVAGND共模电压石*100mV WAX比的电压信号，调整Ra，Rb，和VR的比值能很方便地完成仪表的增益校验。Vi图7通道1的典型接线图图8通道2的典型接线图2. 电源监控电路AD7755片内包含一个电源监控电路，连续对模拟电源（AVDD）进行监控。当电源电压低于4V5% 时，AD7755将被复位。这对于保证上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作是有用的。电源监控电路被 安排在延时和滤波环节中，这在最大程度上防止了由电源噪声引发的错误。如图9所示，电源监控电路的正常触发电平为4V,触发电平的允许误差约为5%。为保证芯片正 常工作应对电源去耦，使AVDD的波动不超过5V5%。3. 高通滤波和失调影响
