脈沖輸出的電能計量集成電路AD7755的工作原理及應(yīng)用

1、脈沖輸出的電能計量集成電路AT7021的工作原理及應(yīng)用2011-01-14 15:03:39|分類：AD、ADI模擬器|標(biāo)簽：脈沖輸出的電能計量集成電路ad7755的丁作原 理及應(yīng)用|字號大中小訂閱脈沖輸出的電能計量集成電路AD7755的工作原理及應(yīng)用一.概述AD7755是一種高準(zhǔn)確度電能測量集成電路，其技術(shù)指標(biāo)超過了 IEC1306規(guī)定的準(zhǔn)確度要求。有關(guān) IEC1306電能表參考設(shè)計方案介紹，請參見ADI公司應(yīng)用筆記AN559。AD7755只在ADC和基準(zhǔn)源中使用模擬電路，所有其它信號處理都使用數(shù)字電路，這使AD7755在 惡劣的環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長期穩(wěn)定性。AD7755的引腳

2、F1和F2以較低頻率形式輸出有功功率平均值，能直接驅(qū)動機(jī)電式計度器或與微控 制器接口。引腳CF以較高頻率形式輸出有功功率瞬時值，用于校驗或與微控制器接口。AD7755內(nèi)部包含一個對AVDD電源引腳的監(jiān)控電路，在AVDD上升到4V之前，AD7755 一直保 持在復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)AVDD降到4V 一下，AD7755也被復(fù)位，此時F1，F(xiàn)2和CF都沒有輸出。內(nèi)部相位匹配電路使電壓和電流通道的相位始終是匹配的，無論通道1內(nèi)的高通濾波器（HPL）是 接通的還是斷開的。內(nèi)部的空載閾值特性保證AD7755在空載時沒有潛動。特點高準(zhǔn)確度，支持50Hz/60Hz，IEC 687/1036標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度要求，在500：

3、 1的動態(tài)范圍內(nèi)誤差小于0.1% ；有功功率平均值從AD7755的引腳F1和F2以頻率方式輸出；有功功率瞬時值從引腳CF以較高頻 率方式輸出，能用于儀表校驗。邏輯輸出引腳REVP能指示負(fù)功率或錯線。F1和F2能直接驅(qū)動機(jī)電式計度器和兩相步進(jìn)電機(jī)。電流通道中的可編程增益放大器（PGA）使儀表能使用小阻值的分流電阻。在環(huán)境和時間有很大變化的條件下，采用專利模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器，仍保證高準(zhǔn)確度。片內(nèi)設(shè)有電源監(jiān)控電路。片內(nèi)帶有防潛動功能（空載閾值）。片內(nèi)基準(zhǔn)電壓2.5V8%（溫度系數(shù)典型值30ppm/C），能為外部電路提供基準(zhǔn)。+ 5V單電源，低功耗（典型值15mW ）。低成本CMOS工藝。功能

4、框圖及引腳定義功能框圖見圖1,引腳定義見圖2。110何1圖1功能框圖小按比例GNO ftEVPL24V基推源4kn -V/x-i卜Ty間 CLKOUT 互CLKtN 回GO 回G1 凹SO Til StNC 書連拯圖2引腳定義引腳功能說明如下引腳號符號說明1DVDD數(shù)字電源。該引腳提供AD7755數(shù)字電路的電源，正常工作電源電壓應(yīng) 保持在5V5%，應(yīng)并接10uF及104瓷介電容去耦。2AC/D高通濾波器HPF選擇引腳，接高電平時，通道1 （電流通道）內(nèi)的HPF 被選通，該濾波器所涉及的相位響應(yīng)在45Hz至1KHz范圍內(nèi)在片內(nèi)已得到補(bǔ)C償。在電能計量的應(yīng)用中，應(yīng)使HPF選通。3AVDD模擬電源。

5、該引腳提供AD7755模擬電路的電源，正常工作電源電壓應(yīng) 保持在5V5%，為使電源的紋波和噪聲減小到最低程度，應(yīng)并接10uF及104 瓷介電容去耦。4,19NC不連接5,6V1P,V1N通道1（電流通道）的正、負(fù)模擬輸入端，完全差動輸入方式，正常工 作最大信號電平為470mV。通道1有一個PGA，其增益選擇見表1。這兩個 引腳相對于AGND的最大信號電平為1V。兩個引腳內(nèi)部都有ESD保護(hù)電路， 能承受6V的過電壓，而不造成永久性損壞。7,8V2N,V2P通道2 （電壓通道）的負(fù)、正模擬輸入端，完全差動輸入方式，正常工 作最大信號電平為660mV。相對于AGND的最大信號電平為1V。兩個引腳 內(nèi)

6、部都有ESD保護(hù)電路，能承受6V的過電壓，而不造成永久性損壞。9RESET復(fù)位引腳，為低電平時，ADC和數(shù)字電路保持復(fù)位狀態(tài)，在RESET的 下降沿，清除AD7755的內(nèi)部寄存器。10REFIN/OUT基準(zhǔn)電壓的輸入，輸出端，片內(nèi)基準(zhǔn)電壓的標(biāo)稱值為2.5V8%，典型溫 度系數(shù)為30ppm/C。無論用內(nèi)部或外部基準(zhǔn)源，該引腳都應(yīng)使用10uF鉭電 容和104瓷介電容對AGND進(jìn)行去耦。11AGND模擬電路（即ADC和基準(zhǔn)源）的接地參考點，該引腳應(yīng)連到PCB的接 地面，模擬接地面是所有模擬電路的接地參考點，為了有效的抑制噪聲，模擬 接地面與數(shù)字節(jié)地面只應(yīng)有一點連接。星形接地方法有助于使數(shù)字電流噪聲遠(yuǎn)

7、 離模擬電路。12SCF校驗頻率選擇。該引腳的邏輯輸入電平確定CF引腳的輸出頻率，如何 選擇校驗頻率見表4.13,14S1,S0這兩個引腳的邏輯輸入用來選擇數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換系數(shù)，這為電能表的設(shè)計 提供了很大的靈活性。15,16G1,G0這兩個引腳的邏輯輸入用來選擇通道1的增益，可能的增益是1,2,8和16。17,18CLKIN,CLKOUT接晶體振蕩器，其值為3.579545MHz，匹配電容為33P的瓷介電容器。20REVP當(dāng)檢測到負(fù)功率時，即電壓和電流的相位差大于90C時，輸出高電平， 該輸出的邏輯狀態(tài)隨CF輸出脈沖同時變化。21GND數(shù)字接地參考點。22CF頻率校驗輸出引腳。其輸出頻率反映瞬

8、時有功功率的大小，常用于儀表 校驗。23,24F2,F1低頻邏輯輸出引腳，其輸出頻率反映平均有功功率的大小。這兩個邏輯 輸出可直接驅(qū)動機(jī)電式計度器或兩相步進(jìn)電機(jī)。二.工作原理兩個ADC對來自電流和電壓傳感器的電壓信號進(jìn)行數(shù)字化，這兩個ADC都是16位二階一模數(shù) 轉(zhuǎn)換器，過采樣速率達(dá)900kHz。AD7755的模擬輸入結(jié)構(gòu)具有寬動態(tài)范圍，大大簡化了傳感器接口（可以 與傳感器直接連接）。電流通道中的PGA進(jìn)一步簡化了傳感器接口。電流通道中的HPF濾掉電流信號中 的直流分量，從而消除了由于電壓或電流失調(diào)所造成的有功功率計算上的誤差。有功功率是從瞬時功率信號推到計算出來的，瞬時功率信號是用電流和電壓信

9、號直接相成得到的。 為了得到有功功率分量（即直流分量），只要對瞬時功率信號進(jìn)行低通濾波就行了。圖3示出了瞬時有功 功率信號如何通過對瞬時有功功率信號進(jìn)行低通濾波來獲取有功功率，這個設(shè)計方案也能正確計算非正弦 電流和電壓波形在不同功率因數(shù)情況下的有功功率。所有的信號處理都是由數(shù)字電路完成的，因此具有優(yōu) 良的溫度和時間穩(wěn)定性。果法黑/中： w(1) = -i(l) Hpc“噂HPF海o褊時有功率信號瞬時功率值號-PWT數(shù)字-頻窣轉(zhuǎn)換器數(shù)字-顓率轉(zhuǎn)率器F1F2圖3AD7755的低頻輸出是通過對上述有功功率信息的累計產(chǎn)生，即在兩個輸出脈沖之間經(jīng)過長時間的累 加，輸出頻率正比于平均有功功率。當(dāng)這個平均有

10、功功率信息進(jìn)一步被累加，就能獲得電能計量信息。CF 輸出的頻率較高，累加時間較短，因此CF的輸出頻率正比于瞬時有功功率，這對于在穩(wěn)定負(fù)載條件下進(jìn) 行系統(tǒng)校驗是很有用的。功率因數(shù)的考慮上述從瞬時功率信號獲取有功功率信息的方法（即低通濾波）對于電壓和電流信號不同相的情況也 是有效的。圖4示出了相移功率因數(shù)（PF）等于1和0.5的兩種情況，后者也就是電流信號滯后于電壓信 號60度。假設(shè)電壓和電流波形都是正弦的那么瞬時功率信號中的有功功率分量（即直流分量）為：這是正確的有功功率計算方法。瞬時功率信號瞬n寸石功功率信導(dǎo)瞬時功率信號瞬時有功功率信號圖4i .模擬輸入通道V1 （電流通道）線路電流傳感器的輸

11、出電壓接到AD7755的通道V1,該通道完全查分輸入，V1P為正輸入端，V1N 為負(fù)輸入端。通道1的最大差動峰值電壓應(yīng)小于470mV （純正弦電壓有效值330mV）。應(yīng)當(dāng)注意，通道1有一 個PGA,其增益可由用戶選擇為1, 2, 8或16 （見表1）。這使傳感器接口的設(shè)計大為簡單。圖5給出了 V1P和V1N引腳上的最大信號電平，最大差動電壓是47mV,由增益選擇而定。在這兩 個引腳上的差動信號必須以一個共模端作為參考點，如AGND。最大共模信號為100mV。表I通道1的增益選擇G1GO增益最大差動信號001 470mV012+ 235mV108 60mV1116士 30mV圖5通道1的最大信號

12、電平（G=1）通道V2 （電壓通道）線路電壓傳感器的輸出接到AD7755的通道V2,，該通道的最大差動峰值電壓為660mV,圖6給出 了允許連接到AD7755通道2的最大信號電平。加在通道2上的差動信號電壓必須以一個共模端作為參考點（通常是AGND），最大共模電壓為 100mV。然而，當(dāng)共模電壓為0V時能獲得最好的測量結(jié)果。典型接線圖圖7給出了通道1的典型接線圖，本例選擇電流互感器（CT）作為電流傳感器。注意，這里通道1 的共模電壓是AGND,它是通過負(fù)載電阻的中間抽頭接到AGND上的，對V1P和V1N上的模擬電壓起到 互補(bǔ)作用。CT的變比和負(fù)載電阻Rb的大小根據(jù)差動峰值電壓而定，即在最大負(fù)載

13、條件下，通道1的差動 峰值電壓應(yīng)為470mV/G。圖8給出了通道2的兩種典型接方法，第一種方法是使用一個電壓互感器（PT），它能使AD7755 與主電網(wǎng)完全隔離。第二種方法是以電網(wǎng)的中線（零線）為基準(zhǔn)，用一個電阻分壓器提供與線路電壓成正 比的電壓信號，調(diào)整Ra，Rb，和VR的比值能很方便地完成儀表的增益校驗。圖6通道2的最大信號電平圖7通道1的典型接線圖圖8通道2的典型接線圖電源監(jiān)控電路AD7755片內(nèi)包含一個電源監(jiān)控電路，連續(xù)對模擬電源（AVDD）進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)電源電壓低于4V5% 時，AD7755將被復(fù)位。這對于保證上電和掉電時芯片的正確啟動和正常工作是有用的。電源監(jiān)控電路被 安排在延時和濾

14、波環(huán)節(jié)中，這在最大程度上防止了由電源噪聲引發(fā)的錯誤。如圖9所示，電源監(jiān)控電路的正常觸發(fā)電平為4V，觸發(fā)電平的允許誤差約為5%。為保證芯片正 常工作應(yīng)對電源去耦，使AVDD的波動不超過5V5%。高通濾波和失調(diào)影響圖10給出了失調(diào)對有功功率計算的影響，由圖可見，通道1和通道2的失調(diào)信號相乘后將產(chǎn)生 一個直流分量。由于這個直流分量要通過低通濾波器（LPF）產(chǎn)生有功功率，因此失調(diào)將對有功功率產(chǎn)生 一個固定的誤差。為避免這個問題，只要把通道1中的HPF設(shè)置成選通（即引腳AC/DC置高電平）就行 了。至少一個通道的失調(diào)被消除后，相乘就不會產(chǎn)生直流誤差分量。通道1的HPF與相位響應(yīng)相關(guān)聯(lián)，但它在片內(nèi)已得到補(bǔ)

15、償。當(dāng)HPF為選通時，相位補(bǔ)償自動起 作用；當(dāng)HPF無效時，相位補(bǔ)償也無效。圖11和圖12給出了相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有效時的兩個通道之間的相 位誤差。從圖上可見，AD7755的相位補(bǔ)償能達(dá)1kHz這就保證了在低功率因數(shù)下對諧波功率計算的正確。圖9片內(nèi)電源監(jiān)控特性圖10通道失調(diào)對有功功率計算的影響頻率Ok）圖11通道間的相位誤差（01kHz）圖12通道間的相位誤差（4070Hz）數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換如前所述，電流電壓信號相乘后低通濾波器的數(shù)字輸出包含有有功功率信息，這個LPF不是理想 濾波器，因此輸出信號仍含有經(jīng)衰減的線路基波和諧波頻率成分，即cos（hwt），其中h=1,2,3,4.。該濾波器的幅頻響應(yīng)特性

16、為：在線路頻率為50Hz的情況下，對23（100Hz）成分的衰減大約為一22dB，這是兩倍于線路頻率的 主諧波，即cos（23t），這是由瞬時有功功率引起的。圖13給出了 LPF輸出的瞬時有功功率信號還包含了相當(dāng)大的瞬時功率信息，即cos（23t）。這個信 號通過數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換器，隨時間被積分（累加），進(jìn)而產(chǎn)生輸出頻率。這種累加起到平均作用，將抑制 了瞬時有功功率信號中的非直流成分，正弦信號的平均值等于零。因此，AD7755產(chǎn)生的頻率與平均有功 功率成正比。在穩(wěn)定負(fù)載（即恒定電壓和電流）條件下的數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換如圖13所示。瞬liT功切率信1瀕域圖13有功功率到頻率的轉(zhuǎn)換從圖13可見，即使在穩(wěn)定

17、負(fù)載條件下CF輸出頻率仍然隨時間變化，這種頻率的變化是由瞬時有功 功率信號中的cos(2wt)成分引起的。CF輸出頻率能高達(dá)F1和F2輸出頻率的2048倍。CF能以較高的頻 率輸出，是因為在對瞬時有功功率進(jìn)行累加完成頻率轉(zhuǎn)換的過程中，采用了較短的累加世間。較短的累加 世間意味著減弱了對cos(23t)的平均作用，于是部分瞬時功率信號成分通過了數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換器，但這在 實際應(yīng)用中不成為問題。當(dāng)CF用于校驗時，CF輸出頻率還應(yīng)該用頻率計度器進(jìn)一步平均，以消除紋波。 如果CF用于帶微處理器的電能計量場合，CF也應(yīng)該進(jìn)行平均后再計算功率F1和F2以很低的頻率輸出， 對瞬時有功功率已有足夠的平均作用，因

18、此大大衰減了正弦分量，獲得幾乎無紋波的輸出。三.AD7755與電能測量微控制器接口AD7755與微控制器(MCU)接口最簡單的方法是使用CF高頻輸出，輸出頻率設(shè)定為2048 (F1, F2)。這里要求設(shè)置SCF=0和S0=S1=1。當(dāng)模擬輸入端加有滿度交流信號時，CF輸出頻率將達(dá)5.5kHz 左右。圖14給出的方案能把輸出頻率數(shù)字化，并完成前面提到的平均作用。CFn頻率蚊波平均頻率ic%時間對F雙問電度表些霸要知道電能流向的情院必須使用REVP圖14 AD7755與MCU的接口如圖14所示，頻率輸出CF端連接到MCU的計數(shù)器端口，MCU在內(nèi)部定時器設(shè)定的幾分時間內(nèi)對 CF輸出的脈沖計數(shù)，平均功

19、率正比于平均頻率，由下式確定：平均功率=平均頻率=脈沖個數(shù)/積分時間在一個積分周期內(nèi)消耗的電能為：電能=平均功率x積分時間=（脈沖個數(shù)/積分時間）x積分時間= 脈沖個數(shù)用作儀表校驗時，積分時間應(yīng)在10至20秒，以便能累計足夠數(shù)量的脈沖，求得正確的平均頻率。 在正常運行時，積分時間可以減小到1至2秒，這取決于顯示器更新速率的需要。當(dāng)積分時間較短時即使 在穩(wěn)定負(fù)載條件下，在每個更新周期內(nèi)的電能計數(shù)值會有些小波動，然而，在1分或更長的時間內(nèi)，測出 的電能將沒有波動。四.功率測量的考慮計算和顯示功率信息總會有一些波動，這取決于MCU的測定平均功率所用的積分周期以及負(fù)載的大 小。例如，在輕載情況下，輸出

20、頻率為10Hz，積分周期為2秒，那么在一個積分周期內(nèi)只計到約20個脈 沖。因為AD7755的輸出頻率和MCU的定時器不是同步工作的，因此丟失一個脈沖的可能性總是存在的， 這就會導(dǎo)致二十分之一（5%）的測量誤差。1 .傳遞函數(shù)AD7755通過計算通道1和通道2兩個輸入電壓的乘積，然后對乘積進(jìn)行低通濾波 獲取有功功率信 息。再將這個有功功率信息進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成頻率，以低電平有效的脈沖信號從引腳F1和F2輸出。這個脈沖 信號的頻率是相當(dāng)?shù)偷?，例如，在S0=S1=1 （見表III），交流輸入的情況下，最高頻率僅0.34Hz。這意 味著，這個頻率是對有功功率信號經(jīng)過相當(dāng)長時間累計后產(chǎn)生的，因此這個輸出頻率與

21、平均有功功率成正 比，有功功率的平均過程是隱含在數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換中完成的。輸出頻率與輸入電壓大小有關(guān)，由下式確定:式中：F引腳F1，F(xiàn)2輸出的脈沖頻率（Hz）V1通道1差動輸入電壓有效值（V）V2通道2差動輸入電壓有效值（V）G1, 2, 8，16，取決于PGA的增益，由G0和G1的邏輯輸入確定VREF 準(zhǔn)電壓（2.58%） （V）F1-4由主時鐘CLKIN分頻獲得，分頻系數(shù)由S0和S1確定，見表II表【1 Fz的頻率選擇（CLKI N=3. 579MHz ）S1soFW分頻系數(shù)00L7221。13.42瀏10& 82-91113 一 &2k例1假設(shè)V1和V2端分別加有滿度差分直流電壓+ 470

22、mV和一660mV （470mV是通道1允許的最大差 動電壓，660mV是通道1允許的最大差動電壓），預(yù)期的輸出頻率計算如下：G = 1，G0=G1=0F1-4 = 1.7Hz，S0=S1=S0V1 = +470mVdc=0.47V（正直流有效值=dc）V2 = -660mVdc=0.66V （負(fù)正直流有效值= dc）VREF = 2.5V （基準(zhǔn)電壓）例2在這個例子中，加到V1和V2端的是峰值分別為470mV和660mV的交流電壓，預(yù)期的輸出頻率 計算如下：G = 1，G0=G1=0F1-4 = 1.7Hz，S0=S1=S0V1 =峰值為470mV的交流有效值= 0.47/21/2V2 =峰

23、值為660mV的交流有效值= 0.47/21/2VREF = 2.5V （基準(zhǔn)電壓）從上述兩個例子的計算可以看出，交流輸入的最高輸出頻率總是直流輸入的一半。表III列出了所有 可能的最高輸出頻率。表II F1和F2的最高輸出頻率S1so最高輸出頻率（由）直流輸入交流輸入000. S80.34011.36。, 6810N 72L36115. 442+ 722.頻率輸出CF脈沖輸出CF端主要用于儀表校驗。CF端輸出的脈沖頻率可高達(dá)F1和F2的輸出脈沖頻率的2048 倍。F1-4頻率選的越低，CF的倍率越高（高頻方式SCF=0,S1=S0=1的情況出外）。表IV給出了兩者之 間的關(guān)系，它們?nèi)Q于邏輯

24、輸入S0, S1和SCF的狀態(tài)。因為CF輸出的頻率比較高，它與瞬時有功功率 成正比。如同F(xiàn)1和F2一樣，CF輸出頻率也是在相乘后經(jīng)低通濾波器獲得的。然而，因為輸出頻率較高， 有功功率累積的時間非常短，因此在數(shù)字一頻率轉(zhuǎn)換過程中完成的平均作用較小。由于對有功功率信號的 平均作用較小，所以CF的輸出對功率波動的影響比較敏感。表IV CF的最高輸出頻率交流信號）SCFSIsoFi（Hz）OF的最高輸出頻率（版100L7128 X Fl. F2=43. 520001.764 XF11F2=2L761013.464XF1,F2=43. 520013.432 XF1,F夕2L761106.832 X F1

25、, F2F3. 520106.816 XFLF2-2J.7611113.616 XFLF2-43. 52。112048 X Fl, F2=55703.為電度表選擇頻率用戶可以從表II給出的4個頻率中選擇一個，這個頻率決定了 F1和F2的最高輸出頻率，F(xiàn)1和F2 的輸出用來驅(qū)動電能寄存器（機(jī)電式或其它形式）。由于僅有4個不同的頻率能被選擇，所以這4個可選 的頻率是針對儀表常數(shù)為100rmp/kWhr （即每千瓦小時對應(yīng)100個脈沖），最大電流在10A到120A之間 的情況優(yōu)化設(shè)計的。表V給出了線路電壓為220V情況下，幾種最大電流對應(yīng)的輸出頻率，儀表常數(shù)為 100rmp/kWhr。F1-4的頻率

26、完全能滿足上述F1和F2輸出頻率范圍的要求。在設(shè)計電表時，通道2的標(biāo)稱電壓應(yīng)設(shè) 在半滿度值，以便對儀表常數(shù)進(jìn)行校驗。電流通道在最大負(fù)載時也不應(yīng)超過半滿度值，這樣考慮能允許對 過電流信號和高峰值因數(shù)信號進(jìn)行累計。表VI給出了兩個模擬輸入均為半滿度時F1和F2的輸出頻率。 表VI列出的頻率與表V給出的最大負(fù)載頻率非常接近。在設(shè)計電表時為了選擇一個合適的F1-4頻率，首先從表V找到與最大負(fù)載電表V F1和F2輸出頻率(IQOimp/kWhr)F1 和 F2 (Hz)12. 5A0. 07625A0. 15340A0. 24460A0. 36780A0. 489I20A0. 733表VI半滿度交流輸入時F1和F2的輸出頻率soS1Fl和F2輸出頻率001.70. 085Q13 40+17106.80.34111160.68流Imax （儀表常數(shù)為100rmp/kWhr）對應(yīng)的頻率，然后與表VI第4列比較，從表中選出最接近的一個頻 率，與之對應(yīng)的F1-4就是最好的選擇。例如，要設(shè)計一個最大電