使用CS5463型进行电能测量的原理及应用

2011-12-27 16:37:17来源: 互联网

1 引言

  CS5463是带有串行接口和△-∑模/数转换器,能够进行高速功率(电能)计算的高度集成电路。CS5463可以通过使用低成本的分压电阻器或电压互感器测量电压,使用分流器或电流互感器测量电流,从而计算出有功功率,因此该电路特别适用于开发单相2线、3线用电表。与上代的CS5460相比,CS5463还能提供视在功率、无功功率等多种参数计算,可满足设计者的多方面需求。此外,CS5463片内还带有温度传感器,有助于设计者调整温度漂移误差,提高测量精度。

  2 CS5463的主要特点

  CS5463的特性如下:

  (1)电能数据在1000:l动态范围内的线性度为±0.1%;

  (2)精确测量瞬时电压、电流、功率以及电压、电流有效值;

  (3)计算视在、有功和无功功率,基波有功、谐波功率和功率因数

  (4)电能/脉冲转换功能;

  (5)低功耗(小于12 mW);

  (6)单电源地参考信号;

  (7)内置电源监视器;

  (8)从串行EEPROM“自引导”,可以不用微控制器

  (9)简单的3线数字串行接口;

  (10)优化的分流电阻器的输入接口;

  (11)带有温度传感器;

  (12)具有机械计数器/步进电机的驱动器

  3 内部结构和引脚功能

  3.1 内部结构

  CS5463的内部结构框图如图1所示,它由2个可编程增益放大器、2个△-∑调制器、配套的高速滤波器、功率计算引擎、偏置和增益校正、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。2个可编程放大器采集电压和电流数据,△-∑调制器对模拟量采样处理,高速数字低通或可选的高通滤波器滤取可用电压电流数字信号,功率计算引擎计算各类型的功率,电压、电流,并将计算的功率值通过串行接口对外输出,既可以接EEPROM,也可以接微控制器。该电路还有能量脉冲信号输出模块,可以直接外接计数器或步进电机,从而省去微控制器而直接外送用电量,降低电表类产品的成本。

CS5463的内部结构框图

  3.2 引脚功能

  • VA+/VA-:正负模拟电源,+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供电;
  • VD+/DGND:数字电源和数字地,+5V/0V供电;
  • PFMON:掉电监视器,监视模拟电源状况。
  • VIN+/VIN-:电压通道的差模模拟输入,范围是±250mV;
  • IIN+/IIN-:电流通道的差模模拟输入,范围是±50 mV(PGA设置为50×时);
  • VREFIN/VREFOUT:参考电压输入/输出,为片上调制器提供参考电压及其输出,通常为2.5 V。
  • MODB模式选择,用于配置CS5463自引导模式;
  • RESET/INT:复位及中断;
  • CS:片选信号,为低电平时,端口可识别串行时钟等信号。
  • SCLK:串行时钟输入,该时钟信号确定SDI、SDO的输入/输出速率,只在CS低电平时有效;
  • SDI/SDO:串行数据输入/输出;
  • E1/E2/E3(EOUT):能量输出,输出低电平有效、频率和能量成比例关系的脉冲,3个引脚分别对应有功功率、视在功率和无功功率。

  4 CS5463的工作原理

  4.1 输入滤波

  电压和电流通道的输入模拟信号送入可编程PGA进行增益放大,放大后由△-∑调制器以一定的采样速度采样,采样的结果再进行高速数字滤波,得到符合要求的数字信号。电压输入通道采用二阶△-∑调制器,高速滤波器由一个固定的Sinc2滤波器实现;电流通道采用四阶△-∑调制器,并用一个Sinc4滤波器实现,与电压通道的范围相比,可以在输入跨度更大的情况下实现电流通道的精确测量。2个通道的数据接着通过2个FIR补偿滤波器来补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗。另外,2个通道都提供了一个可选的高通滤波器(HPF),它可以在有效值、电能计算之前除去电压和电流信号中的直流成分。

  4.2 增益及DC偏移量调整

  滤波后的瞬态电压和电流的数字量将进行偏移量和增益调整,这是基于DC偏移量寄存器(加法运算)和增益寄存器(乘法运算)的调整。调整后的24位瞬态数据采样值将存入瞬态电压和电流寄存器,用户可以通过串口从中读出采样数据。

  4.3 能量计算

  以有功功率的计算为例,采样得到瞬态电压和电流的数字量,把每对瞬态电压和电流的数据相乘,得到瞬时有功功率的采样值。每个A/D采样周期后,新的瞬态功率采样值就存入功率寄存器,N个瞬时功率采样值为一组,每组的值累加和用于计算以后放在能量寄存器中的数值,它与电路在N个A/D转换周期中的有功功率值成正比。同样原理,电压和电流有效值也利用最近的N个瞬态电压、电流采样值计算,并可从RMS电压和电流寄存器中读出。

  4.4 串行接口

  CS5463的串行接口使用了包括2条控制线CS、SCLK和2条数据线SDI、SDO的外接方式。串行接口集成了带有发送、接收缓冲器的状态机,状态机在SCLK的上升沿解析8位命令字,根据对命令的解码执行相应的操作,或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备,内部寄存器都是24位。读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲区;写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。

 

  所有的命令字长度均为1个字节。写寄存器命令后必须紧跟1、2或3个字节的寄存器数据;读寄存器命令则发出3字节的寄存器数据。图2和图3分别示出串口缓冲区的读、写时序。

串口缓冲区的读

  数据的读和写通过向串口SDI引脚写入相应的8位命令字(高位在前)来启动。当命令包含写操作时,串口将在下面24个SCLK周期记录SDI引脚的数据(从高位开始)。寄存器写指令后必须跟24位的数据,一旦收到数据,状态机便将数据写入配置寄存器,然后等待下一个命令。启动读命令后,串口将在下8个、16个或24个SCLK周期启动SDO引脚上的寄存器进行内容转移(从高位开始),寄存器读指令可以终止在8位的边界上。读寄存器时,微控制器可以同时发送新指令,并立即执行新指令,同时终止读操作。

  5 CS5463的典型应用

  

 
图4所示是以CS5463为核心的住宅用220V单相电源(图中为2线式)系统的典型功率测量连接方式。首先在线路上串、并联适当阻值的分压和分流电阻器,对从电阻器上采样的电压信号进行滤波,图中对称的阻容滤波器更有助于减小电磁干扰,最后得到符合要求的电压信号,送入电路进行实时计算。CS5463提供了数字校准,用户通过设置校准命令字中的相应位来决定执行哪种校准。对于电压和电流通道,都有AC校准和DC校准。

以CS5463为核心的住宅用220V单相电源

  该电路中用于监测电流的分流电阻器串联在电源的火线端,因为在大多数住宅电能测量应用中,电度表分流器接在火线上有助于发现窃电行为。从这种类型的分流电阻器得到的共模输入电压应以火线电压为参考.这意味着CS5463的输入共模电压相对于地电位会在很高的正电压和负电压之间振荡。因此,在设计CS5463的数字输出接口与外部数字接口(如其他通信网络)时应谨慎。CS5463的数字串行接口引脚必须与外部数字接口隔离,使测量端的参考地电位与外部接口地参考地电位不相互影响,另外,CS5463及其电路必须密封绝缘以防触电。

关键字:CS5463  电能测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/1227/article_4286.html
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