新型多功能電能表的電路設(shè)計(jì)

0 引言

傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表用其結(jié)構(gòu)和原理上的制約，通常存在著測(cè)量范圍小，穩(wěn)定性差，精度低等缺點(diǎn)而不能適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要。隨著微電子技術(shù)和單片機(jī)的發(fā)展和普及，新型智能化測(cè)控技術(shù)迅速發(fā)展。以單片機(jī)為核心的電子式電能表顯示了其明顯的優(yōu)勢(shì)。本文采用單片機(jī)作為儀表的主控制器，并由Cirrus Logic公司的電能計(jì)量芯片負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，因而具有性價(jià)比高，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 電路工作原理

本設(shè)計(jì)采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，將220 V交流市電整流穩(wěn)壓為模擬、數(shù)字兩路+5 V電壓，為整個(gè)電表電路供電。該系統(tǒng)通過(guò)電流互感器檢測(cè)電流信號(hào)，而通過(guò)分壓電阻采集電壓信號(hào)，然后將其送入單相功率/電能集成芯片CS5463內(nèi)，并在片內(nèi)完成信號(hào)采樣、計(jì)算和誤差校正等。整個(gè)過(guò)程在單片機(jī)PLC916控制下進(jìn)行。其原理框圖如圖1所示。

2 專用計(jì)量芯片CS5463

CS5463是內(nèi)含兩個(gè)△∑模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速電能計(jì)算功能和一個(gè)串行接口的高集成△∑模—轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測(cè)量和計(jì)算有功電能、瞬時(shí)功率、無(wú)功功率、IRMS和VRMS，可用于研制開(kāi)發(fā)單相2線或3線電表。CS5463可以使用低成本的分流器或電流互感器來(lái)測(cè)量電流，并使用分壓電阻或電壓互感器來(lái)測(cè)量電壓。CS5463具有與微控制器通訊的雙向串口，其芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5463具有方便的片上AC/DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。其“自引導(dǎo)”的特點(diǎn)使得CS5463能獨(dú)自工作，并在系統(tǒng)上電后自動(dòng)初始化。在自引導(dǎo)模式，CS5463可從一個(gè)外部EEP-ROM中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動(dòng)指令。使用該模式，CS5463在工作時(shí)不需要外加微控制器，因此，當(dāng)電表用于大批量住宅電能測(cè)量時(shí)，可降低電表的成本。

CS5463可以提供瞬時(shí)電壓/電流/功率數(shù)據(jù)采樣及有功能量、IRMS、VRMS的周期計(jì)算結(jié)果。為適應(yīng)低價(jià)測(cè)量應(yīng)用，CS5463也能在給定引腳上輸出脈沖串，輸出的脈沖數(shù)與有功能量寄存器的數(shù)值成正比。CS5463專為功率測(cè)量進(jìn)行了優(yōu)化，適合于與分流器或電流互感器相連來(lái)測(cè)量電流，并與分壓電阻或電壓互感器相連來(lái)測(cè)量電壓。為適應(yīng)不同電平的輸入電壓，CS5463的電流通道集成有一個(gè)增益可編程放大器(PGA)，它可使輸入電平滿量程選擇為±250 mVRMS或±50 mVRMS。電壓通道的PGA可適應(yīng)±250 mV的輸入電壓范圍。對(duì)于VA+和VA-兩端接單+5 V電源的情況，兩個(gè)通道的差模輸入引腳間所加的共模信號(hào)電壓為-0.25~+5 V。另外，設(shè)計(jì)時(shí)，還可以在某一個(gè)通道或兩個(gè)通道實(shí)現(xiàn)雙端差模輸入，此時(shí)，其輸入信號(hào)的共模電壓將加在AGND上。CS5463每通道都有一個(gè)高速數(shù)字濾波器，可將兩個(gè)△∑調(diào)制器的輸出衰減10倍并積分。濾波器以(MCLK/K)/1024的字輸出速率(OWR)輸出24位數(shù)據(jù)。為了方便與外部微控制器通訊，CS5463集成有一個(gè)簡(jiǎn)單的三線串行接口。該串口與SPITM和Micro wireTM標(biāo)準(zhǔn)兼容。串口的串行時(shí)鐘(SCLK)和RESET引腳內(nèi)包含有一個(gè)施密特觸發(fā)器，故可允許使用上升速度較慢的信號(hào)。

CS5463的主要特性如下：

◇在1000：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，其電能數(shù)據(jù)的線性度為±0.1%;

◇可以測(cè)量瞬時(shí)電壓、電流和功率，包括IRMS和VRMS、視在功率、有功和無(wú)功功率以及有功的基波和諧波功率、無(wú)功的基波功率、功率因數(shù)、頻率等;

◇具有電能-脈沖轉(zhuǎn)換功能;

◇具有系統(tǒng)校準(zhǔn)和相位補(bǔ)償功能;

◇帶有溫度傳感器;

◇具有兩種無(wú)功計(jì)算方式;

◇可以從串行EEPROM智能“自引導(dǎo)”，而不需要微控制器;

◇可AC或DC系統(tǒng)校準(zhǔn);

◇具有機(jī)械計(jì)度器/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;

◇符合IEC687/1036，JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn);

◇功耗<12mW;

◇帶有優(yōu)化的分流器接口;

◇帶有單電源地參考信號(hào);

◇片內(nèi)帶有2.5 V參考電壓(最大溫漂為25ppm/℃);

◇帶有簡(jiǎn)單的三線數(shù)字串行接口;

◇內(nèi)帶電源監(jiān)視器。

3 電源電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有功耗低，穩(wěn)壓范圍寬，體積小，重量輕，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前電子設(shè)備的變壓器穩(wěn)壓電源正逐漸被開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源所取代。本系統(tǒng)中的電源電路如圖2所示。由于在檢測(cè)電路部分要用到CS5463，為了避免模數(shù)間的干擾，本系統(tǒng)在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源部分需要有兩路+5 V輸出。

交流電首先經(jīng)過(guò)一個(gè)由保險(xiǎn)絲和壓敏電阻組成的保護(hù)電路，保險(xiǎn)絲主要起過(guò)流保護(hù)作用;壓敏電阻則起過(guò)壓保護(hù)作用。在正常工作情況下，電路的壓敏電阻相當(dāng)于斷路。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或受外界影響(如閃電，電源突然接入等)而引起電壓瞬間激增時(shí)，壓敏電阻會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，并由壓敏電阻和保險(xiǎn)絲組成回路。由于高壓下的壓敏電阻阻值較小，所以回路電流很大，保險(xiǎn)絲自動(dòng)斷開(kāi)，這樣就起到了保護(hù)內(nèi)部電路的作用。該保險(xiǎn)絲是可以自恢復(fù)的，也就是說(shuō)，它可以反復(fù)使用而無(wú)需更換。

L1和C1可消除信號(hào)中的尖峰波并抑制干擾。經(jīng)L1、C1濾波后的信號(hào)接入到整流橋，再將從整流橋中輸出的高壓直流信號(hào)經(jīng)過(guò)C2進(jìn)行濾波后，即可得到電壓Vi。在圖2中，T1為高頻變壓器，它能夠快速存儲(chǔ)和釋放能量，經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續(xù)輸出。高頻變壓器T1的1腳和3腳為輸入初始繞組，4、5兩腳為反饋繞組，次級(jí)繞組分別為6，9腳和7，10腳(其中1，4，6，7為各繞組的同名端)。并且6，9繞組是主繞組，用它經(jīng)進(jìn)一步變換產(chǎn)生的+5 V直流穩(wěn)壓電源可作為主電壓源，即數(shù)字電壓源(Vo1);7，10繞組為輔繞組，用它經(jīng)電容C8～C11濾波和78L05穩(wěn)壓產(chǎn)生的+5 V直流穩(wěn)壓電源為輔電壓源，即模擬電壓源(Vo2)。鑒于在TOP221Y內(nèi)的功率MOSFET關(guān)斷瞬間，高頻變壓器的漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，另外，在1，3初始繞組上還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓(即反向電動(dòng)勢(shì))，而且二者又會(huì)疊加在Vi上，使電壓嚴(yán)重增大，因而要求功率MOSFET能夠承受高壓。同時(shí)，還必須在漏極增加鉗位電路，以吸收尖峰電壓，保護(hù)TOP221Y內(nèi)的功率MOSFET不受損害。本設(shè)計(jì)利用R1，C3，ZD1，D1組成鉗位電路。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，T1的初始繞組的電壓極性為(3端)為正，1端為負(fù)，此時(shí)D1截止，鉗位電路不起作用;而在MOSFET截止的瞬間，初始繞組變?yōu)?端為正，3端為負(fù)，此時(shí)D2導(dǎo)通，尖峰電壓就被R1和C3吸收掉。

4 計(jì)量電路的設(shè)計(jì)

電量檢測(cè)電路是該電表設(shè)計(jì)的核心。選用PHILIPS公司的P89LPC916是一款低成本的16腳單片封裝的微控制器。該芯片適合于許多要求高集成度低成本的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求。P89LPC916采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需2～4個(gè)時(shí)鐘周期，其速度6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。由于P89LPC916集成了許多系統(tǒng)級(jí)功能，故可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積，提高電路可靠性，并降低系統(tǒng)的成本。

本儀表由P89LPC916控制CS5463的檢測(cè)過(guò)程和數(shù)值顯示。電路上電以后，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)可對(duì)電路進(jìn)行初始化。通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)輸入單片機(jī)要初始化的電量代碼后，再由單片機(jī)根據(jù)設(shè)定好的編碼規(guī)則向CS5463發(fā)出相應(yīng)的指令，CS5463根據(jù)單片機(jī)發(fā)來(lái)的指令將相應(yīng)的要初始化的電量的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)值傳給單片機(jī)，單片機(jī)再將此數(shù)據(jù)傳給X5045并存儲(chǔ)在其中，以供CS5463復(fù)位時(shí)再次獲得校準(zhǔn)值，并供單片機(jī)用于隨時(shí)校準(zhǔn)檢測(cè)值，從而提高精度。也就是說(shuō)，在LPC916的控制下，由CS5463檢測(cè)電信號(hào)并輸出測(cè)量值給單片機(jī)，其中X5045可存放標(biāo)準(zhǔn)校正值。該計(jì)量電路中的控制模塊如圖3所示。

該電壓采樣電路由電阻網(wǎng)絡(luò)、過(guò)壓保護(hù)及去抖動(dòng)電容組成。為保證采樣精度，電阻應(yīng)全部采用高穩(wěn)定度的精密電阻。

本系統(tǒng)中的電流采樣電路由電流互感器、過(guò)壓保護(hù)、電阻網(wǎng)絡(luò)和去抖動(dòng)電容組成。采用電流互感器的主要優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)高壓與低壓的隔離。由于CS5463的電流檢測(cè)實(shí)際上是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后的電壓檢測(cè)，所以，在電路中，先由采樣電阻將互感電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再通過(guò)限流電阻和電容濾波后輸人到CS5463的電流檢測(cè)管腳(16、15腳)。另外，在兩路輸入中，還分別用二極管進(jìn)行電壓嵌位，以避免電壓過(guò)高損壞CS5463。CS5463的3、14腳分別為模擬、數(shù)字+5V電源。同時(shí)，為了濾除電壓波動(dòng)，增加電源的穩(wěn)定性，在兩路電源輸入時(shí)，分別加了濾波電容。由于此為電流檢測(cè)，所以電壓檢測(cè)的兩輸入腳9和10也應(yīng)接模擬地以避免干擾。另外，13腳VA要接模擬地，4腳DGND接數(shù)字地，模擬地和數(shù)字地之間用電感連接。1、24(XOUT，XIN)兩腳接4.096 NHz的晶振。并用程序控制CS5463自動(dòng)完成輸入信號(hào)的檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)6腳SDO輸出數(shù)據(jù);而分別由5腳SCLK、7腳、19腳RES、20腳INT、23腳SDI輸出單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖、片選信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、中斷信號(hào)以及單片機(jī)對(duì)CS5463的控制信號(hào)。由于CS5463要完成對(duì)模擬信號(hào)的檢測(cè)并以數(shù)字信號(hào)輸出檢測(cè)值，即一個(gè)芯片同時(shí)有模擬、數(shù)字兩種信號(hào)，因而需要模擬和數(shù)字兩路電源;同時(shí)，其需要接地的管腳一定要正確接相應(yīng)的地，不然將會(huì)引入很大的干擾。

5 顯示電路

本儀表系統(tǒng)采用七段LED顯示。移位寄存器74HC164的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)提供。從單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，先輸出低位，后輸出高位。數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)顯示高位數(shù)碼管的74HC164，每當(dāng)?shù)絹?lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，數(shù)據(jù)便移位一次，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，數(shù)據(jù)將全部傳輸?shù)狡鋵?duì)應(yīng)各位的74HC164并由數(shù)碼管顯示出來(lái)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了一種多功能電能表的設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)說(shuō)明了電能表的工作原理和設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)介紹了電源設(shè)計(jì)和電能計(jì)量模塊的原理、實(shí)現(xiàn)及注意事項(xiàng)。經(jīng)使用證明，該電能表具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高、精度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且實(shí)用性強(qiáng)。此外，還可針對(duì)不同的需求來(lái)改進(jìn)功能，如增加通訊模塊等。