新型多功能電能表電路設計

0 引言

傳統(tǒng)感應式電能表用其結構和原理上的制約，通常存在著測量范圍小，穩(wěn)定性差，精度低等缺點而不能適應社會發(fā)展的需要。隨著微電子技術和單片機的發(fā)展和普及，新型智能化測控技術迅速發(fā)展。以單片機為核心的電子式電能表顯示了其明顯的優(yōu)勢。本文采用單片機作為儀表的主控制器，并由Cirrus Logic公司的電能計量芯片負責采集數(shù)據(jù)，因而具有性價比高，抗干擾能力強，測量精度高等優(yōu)點。

1 電路工作原理

本設計采用開關穩(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，為整個電表電路供電。該系統(tǒng)通過電流互感器檢測電流信號，而通過分壓電阻采集電壓信號，然后將其送入單相功率／電能集成芯片CS5463內(nèi)，并在片內(nèi)完成信號采樣、計算和誤差校正等。整個過程在單片機PLC916控制下進行。其原理框圖如圖1所示。



2 專用計量芯片CS5463

CS5463是內(nèi)含兩個△∑模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速電能計算功能和一個串行接口的高集成△∑模—轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、無功功率、IRMS和VRMS，可用于研制開發(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測量電流，并使用分壓電阻或電壓互感器來測量電壓。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)校準功能。其“自引導”的特點使得CS5463能獨自工作，并在系統(tǒng)上電后自動初始化。在自引導模式，CS5463可從一個外部EEP-ROM中讀取校準數(shù)據(jù)和啟動指令。使用該模式，CS5463在工作時不需要外加微控制器，因此，當電表用于大批量住宅電能測量時，可降低電表的成本。

CS5463可以提供瞬時電壓／電流／功率數(shù)據(jù)采樣及有功能量、IRMS、VRMS的周期計算結果。為適應低價測量應用，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專為功率測量進行了優(yōu)化，適合于與分流器或電流互感器相連來測量電流，并與分壓電阻或電壓互感器相連來測量電壓。為適應不同電平的輸入電壓，CS5463的電流通道集成有一個增益可編程放大器(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±250 mV的輸入電壓范圍。對于VA+和VA-兩端接單+5 V電源的情況，兩個通道的差模輸入引腳間所加的共模信號電壓為-0.25~+5 V。另外，設計時，還可以在某一個通道或兩個通道實現(xiàn)雙端差模輸入，此時，其輸入信號的共模電壓將加在AGND上。CS5463每通道都有一個高速數(shù)字濾波器，可將兩個△∑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集成有一個簡單的三線串行接口。該串口與SPITM和Micro wireTM標準兼容。串口的串行時鐘(SCLK)和RESET引腳內(nèi)包含有一個施密特觸發(fā)器，故可允許使用上升速度較慢的信號。

CS5463的主要特性如下：

◇在1000：1的動態(tài)范圍內(nèi)，其電能數(shù)據(jù)的線性度為±0.1％；
   
◇可以測量瞬時電壓、電流和功率，包括IRMS和VRMS、視在功率、有功和無功功率以及有功的基波和諧波功率、無功的基波功率、功率因數(shù)、頻率等；
   
◇具有電能-脈沖轉(zhuǎn)換功能；
   
◇具有系統(tǒng)校準和相位補償功能；
   
◇帶有溫度傳感器；
   
◇具有兩種無功計算方式；
   
◇可以從串行EEPROM智能“自引導”，而不需要微控制器；
   
◇可AC或DC系統(tǒng)校準；
   
◇具有機械計度器／步進電機驅(qū)動器；
   
◇符合IEC687／1036，JIS工業(yè)標準；
   
◇功耗<12mW；
   
◇帶有優(yōu)化的分流器接口；
   
◇帶有單電源地參考信號；
   
◇片內(nèi)帶有2.5 V參考電壓(最大溫漂為25ppm/℃)；
   
◇帶有簡單的三線數(shù)字串行接口；

◇內(nèi)帶電源監(jiān)視器。

3 電源電路設計

開關穩(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，因此，目前電子設備的變壓器穩(wěn)壓電源正逐漸被開關穩(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)在開關穩(wěn)壓電源部分需要有兩路+5 V輸出。

交流電首先經(jīng)過一個由保險絲和壓敏電阻組成的保護電路，保險絲主要起過流保護作用；壓敏電阻則起過壓保護作用。在正常工作情況下，電路的壓敏電阻相當于斷路。當電網(wǎng)電壓波動或受外界影響(如閃電，電源突然接入等)而引起電壓瞬間激增時，壓敏電阻會自動導通，并由壓敏電阻和保險絲組成回路。由于高壓下的壓敏電阻阻值較小，所以回路電流很大，保險絲自動斷開，這樣就起到了保護內(nèi)部電路的作用。該保險絲是可以自恢復的，也就是說，它可以反復使用而無需更換。

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L1和C1可消除信號中的尖峰波并抑制干擾。經(jīng)L1、C1濾波后的信號接入到整流橋，再將從整流橋中輸出的高壓直流信號經(jīng)過C2進行濾波后，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關斷瞬間，高頻變壓器的漏感會產(chǎn)生尖峰電壓，另外，在1，3初始繞組上還會產(chǎn)生感應電壓(即反向電動勢)，而且二者又會疊加在Vi上，使電壓嚴重增大，因而要求功率MOSFET能夠承受高壓。同時，還必須在漏極增加鉗位電路，以吸收尖峰電壓，保護TOP221Y內(nèi)的功率MOSFET不受損害。本設計利用R1，C3，ZD1，D1組成鉗位電路。當MOSFET導通時，T1的初始繞組的電壓極性為(3端)為正，1端為負，此時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，此時D2導通，尖峰電壓就被R1和C3吸收掉。

4 計量電路的設計

電量檢測電路是該電表設計的核心。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構，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，其速度6倍于標準80C51器件。由于P89LPC916集成了許多系統(tǒng)級功能，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的檢測過程和數(shù)值顯示。電路上電以后，通過撥碼開關可對電路進行初始化。通過撥碼開關輸入單片機要初始化的電量代碼后，再由單片機根據(jù)設定好的編碼規(guī)則向CS5463發(fā)出相應的指令，CS5463根據(jù)單片機發(fā)來的指令將相應的要初始化的電量的標準校準值傳給單片機，單片機再將此數(shù)據(jù)傳給X5045并存儲在其中，以供CS5463復位時再次獲得校準值，并供單片機用于隨時校準檢測值，從而提高精度。也就是說，在LPC916的控制下，由CS5463檢測電信號并輸出測量值給單片機，其中X5045可存放標準校正值。該計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、過壓保護及去抖動電容組成。為保證采樣精度，電阻應全部采用高穩(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、過壓保護、電阻網(wǎng)絡和去抖動電容組成。采用電流互感器的主要優(yōu)點在于可實現(xiàn)高壓與低壓的隔離。由于CS5463的電流檢測實際上是將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡蟮碾妷簷z測，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?，再通過限流電阻和電容濾波后輸人到CS5463的電流檢測管腳(16、15腳)。另外，在兩路輸入中，還分別用二極管進行電壓嵌位，以避免電壓過高損壞CS5463。CS5463的3、14腳分別為模擬、數(shù)字+5V電源。同時，為了濾除電壓波動，增加電源的穩(wěn)定性，在兩路電源輸入時，分別加了濾波電容。由于此為電流檢測，所以電壓檢測的兩輸入腳9和10也應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自動完成輸入信號的檢測，同時通過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輸出單片機的時鐘脈沖、片選信號、復位信號、中斷信號以及單片機對CS5463的控制信號。由于CS5463要完成對模擬信號的檢測并以數(shù)字信號輸出檢測值，即一個芯片同時有模擬、數(shù)字兩種信號，因而需要模擬和數(shù)字兩路電源；同時，其需要接地的管腳一定要正確接相應的地，不然將會引入很大的干擾。

5 顯示電路

本儀表系統(tǒng)采用七段LED顯示。移位寄存器74HC164的時鐘信號由單片機提供。從單片機輸出數(shù)據(jù)信號時，先輸出低位，后輸出高位。數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)綄@示高位數(shù)碼管的74HC164，每當?shù)絹硪粋€時鐘脈沖時，數(shù)據(jù)便移位一次，經(jīng)過一個周期后，數(shù)據(jù)將全部傳輸?shù)狡鋵魑坏?4HC164并由數(shù)碼管顯示出來。

6 結束語

本文給出了一種多功能電能表的設計方法，詳細說明了電能表的工作原理和設計思路，重點介紹了電源設計和電能計量模塊的原理、實現(xiàn)及注意事項。經(jīng)使用證明，該電能表具有運行穩(wěn)定、可靠性高、精度高、成本低等優(yōu)點，而且實用性強。此外，還可針對不同的需求來改進功能，如增加通訊模塊等。