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1 概述 ADE7757是美國AD公司推出的高精度電能測量集成芯片｡與原有的同系列ADE7755相比,其芯片引腳較少,且內置了一個精確的振蕩器電路來給芯片提供時鐘｡這就使得使用ADE7757的儀表省掉了外部晶體或者共振器,因此可以降低總體成本｡ 該芯片的內部電路除了ADC和參考電路是模擬電路外,其余均為數字電路,因此芯片在長時間與極端工作條件下具有卓越的穩定性與精度｡ ADE7757可在低頻輸出引腳F1､F2上輸出平均有功功率,并可直接驅動一個機電計數器或與MCU的接口｡而高頻CF邏輯則可輸出用于校準的瞬時有功功率｡ADE7757的基本特性和參數如下: ● 帶有片內振蕩器,可作為時鐘源; ● 精度高,且與50Hz/60Hz的IEC521/1036標準兼容; ● 邏輯輸出引腳REVP可用來指示可能的接線錯誤或負功率; ● 帶有片內電源監視器; ● 采用單5V電源,功耗較低; ● 采用交流輸入｡ 2 內部結構及引腳功能 ADE7757是16腳SOIC封裝,圖1為其內部結構框圖,各引腳的功能見表1所列｡ 3 ADE7757的原理特性 圖1所示是ADE7757的內部原理圖,圖中,兩個ADC電路將電流傳感器和電壓傳感器送入的電壓信號進行數字化｡這個模擬輸入結構大大簡化了傳感器接口電路,并提供了很大的動態范圍,同時簡化了濾波器的設計｡電流通道(V1通道)的高通濾波器(HPF)去掉了電流信號里的全部直流成分,從而減少了有功功率計算中由電壓或電流信號偏移帶來的不精確性｡ 有功功率的計算可由瞬時功率信號獲得｡瞬時功率等于電流與電壓信號的乘積｡ 低頻輸出F1､F2可由有功功率的積累來獲得｡低頻意味著在輸出脈沖之間的長時間積累｡因此,輸出頻率正比于平均有功功率｡平均有功功率的信息積累(如用一計數器)可得到有功能量｡相反地,CF腳輸出高頻率可縮短積累時間,其輸出頻率正比于瞬時有功功率｡ 3.1 片內振蕩器(OSC) ADE7757的片內振蕩器頻率與內部振蕩器的使能端RCLKIN的外接電阻成反比｡外接電阻為5.5~20kΩ時,振蕩器可正常工作,但一般選用5.5~6.4kΩ的范圍｡當RCLKIN接6.2kΩ電阻時,內部振蕩器的頻率為466kHz｡因為輸出頻率是與振蕩器頻率直接成比例的,因此外接電阻必須具有低公差和低溫度漂移等特性,以保證芯片的穩定性與線性度｡ 3.2 電流與電壓通道的模擬輸入 通常電流傳感器的電壓輸出可由通道V1接入ADE7757芯片｡通道V1是一個全微分電壓輸入通道,V1P是正極輸入,V1N是負極輸入｡特殊應用時,通道V1的最大微分信號應小于±30mV(相對于AGND),普通應用時為±6.25mV｡通道V1的典型連接電路如圖2所示,該圖中的電流傳感器實際上是一分流電阻,相對于其它電流傳感器(如電流變壓器),該分流電阻的功耗較低,這更有利于小電流儀表｡ 電壓傳感器的電壓輸出則由通道V2接入ADE7757芯片｡通道V2也是一個全微分電壓輸入通道,V2P是正極輸入,V2N是負極輸入｡其最大微分信號為±165mV｡輸入電壓以AGND為參考｡通道V2的典型連接電路見圖3｡典型情況下,ADE7757相對于中性線有一個偏差,可用一個電阻分配器提供一個正比于線電壓的電壓信號｡另外,調整Ra,Rb,Rf的比例也是調整儀表增益刻度的有效方法｡ 3.3 數/頻轉換 如前所述,低通濾波器(LPF)的數字輸出中包括有功功率信息｡然而由于LPF不是理想的濾波器,因此輸出信號還包括有削弱了的線頻率及其諧波成分cos(hωt),其中h=1,2,3……｡由于瞬時功率計算的原因,主要諧波成分為線頻率的兩倍,即2ω｡實際上,LPF輸出的瞬時有功功率信號仍包括了大量的瞬時功率信息,例如cos(2ωt)｡ 此信號被送入數字頻率轉換器并經過積累,即可得到輸出頻率｡信號的積累可以減少瞬時有功功率信號中的任何非直流成分｡另外,由于正弦信號的平均值為0,因此ADE7757產生的頻率與平均有功功率成比例｡ 頻率輸出CF隨著時間而變化的原因主要是瞬時有功功率信號中的cos(2ωt)成分所致｡CF輸出的頻率可以達到F1和F2輸出頻率的2048倍,這個高頻輸出是在數字轉換為頻率時積累了很短的時間而產生的｡積累時間很短意味著只包括很少的cos(2ωt)成分,這就使得一些瞬時有功功率信號通過了數字頻率轉換器｡這在實際應用中不成問題,因為當CF用作校準時,頻率將會通過頻率計數器來平均,由此去掉波紋｡ 由于F1和F2的輸出頻率很低,因此引入了很多的瞬時有功功率信號的平均值,所以輸出的是大大削弱了正弦成分的頻率｡ 3.4 傳輸函數 a. F1和F2的頻率輸出 如前所述,F1和F2的頻率輸出是對有功功率信號較長時間的積累,它與平均有功功率成比例｡輸出頻率與輸入電壓和電流信號的關系如下: Freq=(515.84V1rms V2rms F1-4)/V2ref 其中,Freq為F1和F2的輸出頻率,單位為Hz,V1rms和V2rms是通道V1和V2的差分電壓信號輸入(V),Vref為參考電壓(2.5V±8%),F1-4是表2中由邏輯輸入S0和S1選擇的四種可能的頻率之一｡ b. CF的頻率輸出 表3所列為CF最大輸出頻率與F1､F2之間的關系｡當邏輯輸入SCF為0,而S1和S0為1時,其最大值為2.867kHz｡ 3.5 ADE7757與微控制器的接口 ADE7757與微控制器最簡易的連接方式可利用CF的高頻輸出來完成｡連接時,可將CF設置為最大輸出頻率(如圖4所示),并將CF連接至MCU計數器或接口,然后在MCU內部定時器規定的時間內計數脈沖,并取平均功率等于平均頻率,同時,該值也等于計數所得值與計數時間的比值｡這樣,此計數時間內所消耗的能量為平均功率與時間的乘積,也就是說計數值/時間與時間乘積的計數值｡ 4 應用電路 利用ADE7757可以很方便地構成一個完整的低成本､微功耗的電能測量儀表｡圖5為其應用電路,圖中,A3和A4接入電流傳感器送來的電壓信號,并經電容濾波后送入V1通道｡A1和A2接入電壓傳感器送來的電壓信號并經可變電阻(用來調節精度)送入V2通道｡A7､A8接到記度器,用CF輸出的脈沖來驅動記度器走字｡A5､A6輸出F1和F2的脈沖可接到脈沖線｡其中,VD3用來指示輸出的脈沖,VD4指示反向輸入,78L05用來給ADE7757提供+5V電源｡RCLKIN直接接6.2kΩ電阻,從而使該電路不用外加振蕩器｡ 筆者按照上述原理與電路研制了一臺電能表,并用它來驅動記度器,使用結果非常滿意,誤差非常小,其跳變在0.2以內,且功耗也非常小｡ 5 結論 通過上述分析與試驗,ADE7757必將在電能測量中得到廣泛的應用｡它不僅具有較為簡單的電路結構,而且所需的單片機資源也很少｡ |
