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。