内置振荡器的电能测量芯片ADE7757及其应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:ADE7757是美国AD公司研制生产的高精度电能测量芯片。这种芯片非常适合动态范围大,干扰严重的测量系统。文中介绍了ADE7757的结构特点和工作原理,给出了ADE7757在电能测量仪表中的应用电路。 关键词:ADE7757;瞬时有功功率;平均有功功率 1 概述 ADE7757是美国AD公司推出的高精度电能测量集成芯片。与原有的同系列ADE7755相比,其芯片引脚较少,且内置了一个精确的振荡器电路来给芯片提供时钟。这就使得使用ADE7757的仪表省掉了外部晶体或者共振器,因此可以降低总体成本。 该芯片的内部电路除了ADC和参考电路是模拟电路外,其余均为数字电路,因此芯片在长时间与极端工作条件下具有卓越的稳定性与精度。 ADE7757可在低频输出引脚F1、F2上输出平均有功功率,并可直接驱动一个机电计数器或与MCU的接口。而高频CF逻辑则可输出用于校准的瞬时有功功率。ADE7757的基本特性和参数如下: ● 带有片内振荡器,可作为时钟源; ● 精度高,且与50Hz/60Hz的IEC521/1036标准兼容; ● 逻辑输出引脚REVP可用来指示可能的接线错误或负功率; ● 带有片内电源监视器; ● 采用单5V电源,功耗较低; ● 采用交流输入。 2 内部结构及引脚功能 ADE7757是16脚SOIC封装,图1为其内部结构框图,各引脚的功能见表1所列。 表1 ADE7757的引脚功能 引 脚 名 称 功 能 1 VDD 电源 2,3 V2P,V2N 通道V2(电压通道)的模拟输入 4,5 V1P,V1N 通道V1(电流通道)的模拟输入 6 AGND 模拟地 7 REF IN/OUT 片内参考电压 8 SCF 选择校准频率 9,10 S1,S0 频率选择 11 RCLKIN 内部振荡器使能端 12 REVP 负功率检测脚 13 DGND 数字地 14 CF 校准频率逻辑输出 15,16 F2,F1 低频逻辑输出 3 ADE7757的原理特性 图1所示是ADE7757的内部原理图,图中,两个ADC电路将电流传感器和电压传感器送入的电压信号进行数字化。这个模拟输入结构大大简化了传感器接口电路,并提供了很大的动态范围,同时简化了滤波器的设计。电流通道(V1通道)的高通滤波器(HPF)去掉了电流信号里的全部直流成分,从而减少了有功功率计算中由电压或电流信号偏移带来的不精确性。 有功功率的计算可由瞬时功率信号获得。瞬时功率等于电流与电压信号的乘积。 低频输出F1、F2可由有功功率的积累来获得。低频意味着在输出脉冲之间的长时间积累。因此,输出频率正比于平均有功功率。平均有功功率的信息积累(如用一计数器)可得到有功能量。相反地,CF脚输出高频率可缩短积累时间,其输出频率正比于瞬时有功功率。 3.1 片内振荡器(OSC) ADE7757的片内振荡器频率与内部振荡器的使能端RCLKIN的外接电阻成反比。外接电阻为5.5~20kΩ时,振荡器可正常工作,但一般选用5.5~6.4kΩ的范围。当RCLKIN接6.2kΩ电阻时,内部振荡器的频率为466kHz。因为输出频率是与振荡器频率直接成比例的,因此外接电阻必须具有低公差和低温度漂移等特性,以保证芯片的稳定性与线性度。 3.2 电流与电压通道的模拟输入 通常电流传感器的电压输出可由通道V1接入ADE7757芯片。通道V1是一个全微分电压输入通道,V1P是正极输入, V1N是负极输入。特殊应用时,通道V1的最大微分信号应小于%26;#177;30mV(相对于AGND),普通应用时为%26;#177;6.25mV。通道V1的典型连接电路如图2所示,该图中的电流传感器实际上是一分流电阻,相对于其它电流传感器(如电流变压器),该分流电阻的功耗较低,这更有利于小电流仪表。 电压传感器的电压输出则由通道V2接入ADE7757芯片。通道V2也是一个全微分电压输入通道,V2P是正极输入,V2N是负极输入。其最大微分信号为%26;#177;165mV。输入电压以AGND为参考。通道V2的典型连接电路见图3。典型情况下,ADE7757相对于中性线有一个偏差,可用一个电阻分配器提供一个正比于线电压的电压信号。另外,调整Ra,Rb,Rf的比例也是调整仪表增益刻度的有效方法。 3.3 数/频转换 如前所述,低通滤波器(LPF)的数字输出中包括有功功率信息。然而由于LPF不是理想的滤波器,因此输出信号还包括有削弱了的线频率及其谐波成分cos(hωt),其中h=1,2,3……。由于瞬时功率计算的原因,主要谐波成分为线频率的两倍,即2ω。实际上,LPF输出的瞬时有功功率信号仍包括了大量的瞬时功率信息,例如cos(2ωt)。 此信号被送入数字频率转换器并经过积累,即可得到输出频率。信号的积累可以减少瞬时有功功率信号中的任何非直流成分。另外,由于正弦信号的平均值为0,因此ADE7757产生的频率与平均有功功率成比例。 频率输出CF随着时间而变化的原因主要是瞬时有功功率信号中的cos(2ωt)成分所致。CF输出的频率可以达到F1和F2输出频率的2048倍,这个高频输出是在数字转换为频率时积累了很短的时间而产生的。积累时间很短意味着只包括很少的cos(2ωt)成分,这就使得一些瞬时有功功率信号通过了数字频率转换器。这在实际应用中不成问题,因为当CF用作校准时,频率将会通过频率计数器来平均,由此去掉波纹。 由于F1和F2的输出频率很低,因此引入了很多的瞬时有功功率信号的平均值,所以输出的是大大削弱了正弦成分的频率。 3.4 传输函数 a. F1和F2的频率输出 如前所述,F1和F2的频率输出是对有功功率信号较长时间的积累,它与平均有功功率成比例。输出频率与输入电压和电流信号的关系如下: Freq=(515.84V1rms V2rms F1-4)/V2ref 其中,Freq为F1和F2的输出频率,单位为Hz,V1rms和V2rms是通道V1和V2的差分电压信号输入(V),Vref为参考电压(2.5V%26;#177;8%),F1-4是表2中由逻辑输入S0和S1选择的四种可能的频率之一。 表2 F1-4频率选择及F1,F2的最大输出频率 S1 S0 F1-4值 最大频率 0 0 OSC/2 19 0.176 0 1 OSC/2 18 0.352 1 0 OSC/2 17 0.704 1 1 OSC/2 16 1.408 表3 CF最大输出频率与F1,F2的关系 SCF S1 S0 CF(Hz) 1 0 0 128%26;#215;F1,F2=22.5 0 0 0 64%26;#215;F1,F2=11.26 1 0 1 64%26;#215;F1,F2=22.5 0 0 1 32F1,F2=11.5 1 1 0 32F1,F2=22.5 0 1 0 16%26;#215;F1,F2=11.26 1 1 1 16%26;#215;F1,F2=22.5 0 1 1 2048%26;#215;F1,F2=2.867k b. CF的频率输出 表3所列为CF最大输出频率与F1、F2之间的关系。当逻辑输入SCF为0,而S1和S0为1时,其最大值为2.867kHz。 3.5 ADE7757与微控制器的接口 ADE7757与微控制器最简易的连接方式可利用CF的高频输出来完成。连接时,可将CF设置为最大输出频率(如图4所示),并将CF连接至MCU计数器或接口,然后在MCU内部定时器规定的时间内计数脉冲,并取平均功率等于平均频率,同时,该值也等于计数所得值与计数时间的比值。这样,此计数时间内所消耗的能量为平均功率与时间的乘积,也就是说计数值/时间与时间乘积的计数值。 图5 ADE7757在电能测量仪表中的应用电路 4 应用电路 利用ADE7757可以很方便地构成一个完整的低成本、微功耗的电能测量仪表。图5为其应用电路,图中,A3和A4接入电流传感器送来的电压信号,并经电容滤波后送入V1通道。A1和A2接入电压传感器送来的电压信号并经可变电阻(用来调节精度)送入V2通道。A7、A8接到记度器,用CF输出的脉冲来驱动记度器走字。A5、A6输出F1和F2的脉冲可接到脉冲线。其中,VD3用来指示输出的脉冲,VD4指示反向输入,78L05用来给ADE7757提供+5V电源。RCLKIN直接接6.2kΩ电阻,从而使该电路不用外加振荡器。 笔者按照上述原理与电路研制了一台电能表,并用它来驱动记度器,使用结果非常满意,误差非常小,其跳变在0.2以内,且功耗也非常小。 5 结论 通过上述分析与试验,ADE7757必将在电能测量中得到广泛的应用。它不仅具有较为简单的电路结构,而且所需的单片机资源也很少。

关键字:内置  振荡器  测量  芯片

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