多功能电能表的电路设计

2012-10-11 09:34:29来源: 21ic

  0 引言

  传统感应式电能表用其结构和原理上的制约,通常存在着测量范围小,稳定性差,精度低等缺点而不能适应社会发展的需要。随着微电子技术和单片机的发展和普及,新型智能化测控技术迅速发展。以单片机为核心的电子式电能表显示了其明显的优势。本文采用单片机作为仪表的主控制器,并由Cirrus Logic公司的电能计量芯片负责采集数据,因而具有性价比高,抗干扰能力强,测量精度高等优点。

  1 电路工作原理

  本设计采用开关稳压电源,将220 V交流市电整流稳压为模拟、数字两路+5 V电压,为整个电表电路供电。该系统通过电流互感器检测电流信号,而通过分压电阻采集电压信号,然后将其送入单相功率/电能集成芯片CS5463内,并在片内完成信号采样、计算和误差校正等。整个过程在单片机PLC916控制下进行。其原理框图如图1所示。

  

 

  2 专用计量芯片CS5463

  CS5463是内含两个△∑模-数转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高集成△∑模—转转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、无功功率、IRMS和VRMS,可用于研制开发单相2线或3线电表。CS5463可以使用低成本的分流器或电流互感器来测量电流,并使用分压电阻或电压互感器来测量电压。CS5463具有与微控制器通讯的双向串口,其芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5463具有方便的片上AC/DC系统校准功能。其“自引导”的特点使得CS5463能独自工作,并在系统上电后自动初始化。在自引导模式,CS5463可从一个外部EEP-ROM中读取校准数据和启动指令。使用该模式,CS5463在工作时不需要外加微控制器,因此,当电表用于大批量住宅电能测量时,可降低电表的成本。

  CS5463可以提供瞬时电压/电流/功率数据采样及有功能量、IRMS、VRMS的周期计算结果。为适应低价测量应用,CS5463也能在给定引脚上输出脉冲串,输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比。CS5463专为功率测量进行了优化,适合于与分流器或电流互感器相连来测量电流,并与分压电阻或电压互感器相连来测量电压。为适应不同电平的输入电压,CS5463的电流通道集成有一个增益可编程放大器(PGA),它可使输入电平满量程选择为±250 mVRMS或±50 mVRMS。电压通道的PGA可适应±250 mV的输入电压范围。对于VA+和VA-两端接单+5 V电源的情况,两个通道的差模输入引脚间所加的共模信号电压为-0.25~+5 V。另外,设计时,还可以在某一个通道或两个通道实现双端差模输入,此时,其输入信号的共模电压将加在AGND上。CS5463每通道都有一个高速数字滤波器,可将两个△∑调制器的输出衰减10倍并积分。滤波器以(MCLK/K)/1024的字输出速率(OWR)输出24位数据。为了方便与外部微控制器通讯,CS5463集成有一个简单的三线串行接口。该串口与SPITM和Micro wireTM标准兼容。串口的串行时钟(SCLK)和RESET引脚内包含有一个施密特触发器,故可允许使用上升速度较慢的信号。

  CS5463的主要特性如下:

  ◇在1000:1的动态范围内,其电能数据的线性度为±0.1%;

  ◇可以测量瞬时电压、电流和功率,包括IRMS和VRMS、视在功率、有功和无功功率以及有功的基波和谐波功率、无功的基波功率、功率因数、频率等;

  ◇具有电能-脉冲转换功能;

  ◇具有系统校准和相位补偿功能;

  ◇带有温度传感器;

  ◇具有两种无功计算方式;

  ◇可以从串行EEPROM智能“自引导”,而不需要微控制器;

  ◇可AC或DC系统校准;

  ◇具有机械计度器/步进电机驱动器;

  ◇符合IEC687/1036,JIS工业标准;

  ◇功耗<12mW;

  ◇带有优化的分流器接口;

  ◇带有单电源地参考信号;

  ◇片内带有2.5 V参考电压(最大温漂为25ppm/℃);

  ◇带有简单的三线数字串行接口;

  ◇内带电源监视器。

  3 电源电路设计

  开关稳压电源具有功耗低,稳压范围宽,体积小,重量轻,安全可靠等优点,因此,目前电子设备的变压器稳压电源正逐渐被开关稳压电源所取代。本系统中的电源电路如图2所示。由于在检测电路部分要用到CS5463,为了避免模数间的干扰,本系统在开关稳压电源部分需要有两路+5 V输出。

  交流电首先经过一个由保险丝和压敏电阻组成的保护电路,保险丝主要起过流保护作用;压敏电阻则起过压保护作用。在正常工作情况下,电路的压敏电阻相当于断路。当电网电压波动或受外界影响(如闪电,电源突然接入等)而引起电压瞬间激增时,压敏电阻会自动导通,并由压敏电阻和保险丝组成回路。由于高压下的压敏电阻阻值较小,所以回路电流很大,保险丝自动断开,这样就起到了保护内部电路的作用。该保险丝是可以自恢复的,也就是说,它可以反复使用而无需更换。

  

[1] [2]

关键字:多功能电能  CS5463  采集数据

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/1011/article_6065.html
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