如何基于CS5463型电能测量电路原理进行高速功率计算

2012-07-13 10:42:24来源: 21ic

  1 引言
  
  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。

[1] [2]

关键字:CS5463  电能测量  高速功率计算

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/0713/article_5438.html
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