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如何基于CS5463型電能測量電路原理進行高速功率計算

作者: 時間:2012-07-13 來源:網絡 收藏

  1 引言
  
  帶有串行接口和△-∑模/數轉換器,能夠進行高速功率(電能)計算的高度集成電路。可以通過使用低成本的分壓電阻器或電壓互感器測量電壓,使用分流器或電流互感器測量電流。

  從而計算出有功功率,因此該電路特別適用于開發(fā)單相2線、3線用電表。與上代的CS5460相比,還能提供視在功率、無功功率等多種參數計算,可滿足設計者的多方面需求。此外,片內還帶有溫度傳感器,有助于設計者調整溫度漂移誤差,提高測量精度。

  2 CS5463的主要特點

  CS5463的特性如下:

  (1)電能數據在1000:l動態(tài)范圍內的線性度為±0.1%;

  (2)精確測量瞬時電壓、電流、功率以及電壓、電流有效值;

  (3)計算視在、有功和無功功率,基波有功、諧波功率和功率因數;

  (4)電能/脈沖轉換功能;

  (5)低功耗(小于12 mW);

  (6)單電源地參考信號;

  (7)內置電源監(jiān)視器;

  (8)從串行EEPROM“自引導”,可以不用微控制器;

  (9)簡單的3線數字串行接口;

  (10)優(yōu)化的分流電阻器的輸入接口;

  (11)帶有溫度傳感器;

  (12)具有機械計數器/步進電機的驅動器

  3 內部結構和引腳功能

  3.1 內部結構

  CS5463的內部結構框圖如圖1所示,它由2個可編程增益放大器、2個△-∑調制器、配套的高速濾波器、功率計算引擎、偏置和增益校正、功率監(jiān)測、串行接口及相應功能寄存器等組成。2個可編程放大器采集電壓和電流數據,△-∑調制器對模擬量采樣處理,高速數字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數字信號,功率計算引擎計算各類型的功率,電壓、電流,并將計算的功率值通過串行接口對外輸出,既可以接EEPROM,也可以接微控制器。該電路還有能量脈沖信號輸出模塊,可以直接外接計數器或步進電機,從而省去微控制器而直接外送用電量,降低電表類產品的成本。

CS5463的內部結構框圖

  3.2 引腳功能

  VA+/VA-:正負模擬電源,+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供電;

  VD+/DGND:數字電源和數字地,+5V/0V供電;

  PFMON:掉電監(jiān)視器,監(jiān)視模擬電源狀況。

  VIN+/VIN-:電壓通道的差模模擬輸入,范圍是±250mV;

  IIN+/IIN-:電流通道的差模模擬輸入,范圍是±50 mV(PGA設置為50×時);

  VREFIN/VREFOUT:參考電壓輸入/輸出,為片上調制器提供參考電壓及其輸出,通常為2.5 V。

  MODB模式選擇,用于配置CS5463自引導模式;

  RESET/INT:復位及中斷;

  CS:片選信號,為低電平時,端口可識別串行時鐘等信號。

  SCLK:串行時鐘輸入,該時鐘信號確定SDI、SDO的輸入/輸出速率,只在CS低電平時有效;

  SDI/SDO:串行數據輸入/輸出;

  E1/E2/E3(EOUT):能量輸出,輸出低電平有效、頻率和能量成比例關系的脈沖,3個引腳分別對應有功功率、視在功率和無功功率。

  4 CS5463的工作原理

  4.1 輸入濾波

  電壓和電流通道的輸入模擬信號送入可編程PGA進行增益放大,放大后由△-∑調制器以一定的采樣速度采樣,采樣的結果再進行高速數字濾波,得到符合要求的數字信號。電壓輸入通道采用二階△-∑調制器,高速濾波器由一個固定的Sinc2濾波器實現;電流通道采用四階△-∑調制器,并用一個Sinc4濾波器實現,與電壓通道的范圍相比,可以在輸入跨度更大的情況下實現電流通道的精確測量。2個通道的數據接著通過2個FIR補償濾波器來補償通過低通濾波器后產生的幅值損耗。另外,2個通道都提供了一個可選的高通濾波器(HPF),它可以在有效值、電能計算之前除去電壓和電流信號中的直流成分。

  4.2 增益及DC偏移量調整

  濾波后的瞬態(tài)電壓和電流的數字量將進行偏移量和增益調整,這是基于DC偏移量寄存器(加法運算)和增益寄存器(乘法運算)的調整。調整后的24位瞬態(tài)數據采樣值將存入瞬態(tài)電壓和電流寄存器,用戶可以通過串口從中讀出采樣數據。

  4.3 能量計算

  以有功功率的計算為例,采樣得到瞬態(tài)電壓和電流的數字量,把每對瞬態(tài)電壓和電流的數據相乘,得到瞬時有功功率的采樣值。每個A/D采樣周期后,新的瞬態(tài)功率采樣值就存入功率寄存器,N個瞬時功率采樣值為一組,每組的值累加和用于計算以后放在能量寄存器中的數值,它與電路在N個A/D轉換周期中的有功功率值成正比。同樣原理,電壓和電流有效值也利用最近的N個瞬態(tài)電壓、電流采樣值計算,并可從RMS電壓和電流寄存器中讀出。


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