基于電能芯片和AT-Mega16單片機(jī)的單相電表計(jì)量設(shè)計(jì)

電能表作為電能計(jì)量的專用儀表,在電能管理儀器儀表中占有很大比例,其性能直接影響著電能管理的效率和科技水平。從產(chǎn)品的功能、性能及經(jīng)濟(jì)效益等多方面來看,全電子電能表與傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表相比,存在著明顯的優(yōu)勢(shì)。而且電能表作為計(jì)量管理和用電管理的終端,它所提供的各種功能是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化管理必不可少的。傳統(tǒng)的測(cè)量都是采用A／D轉(zhuǎn)換電路,但這種方法使部分電參量測(cè)量精度欠佳,性價(jià)比不理想,且軟件編程相對(duì)復(fù)雜,微控制器必須對(duì)采樣電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(如電壓、電流的平均值、有效值,有功、無功計(jì)算等)。而隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,測(cè)量電路的集成化、模塊化成為未來發(fā)展的趨勢(shì),各大器件公司也紛紛推出自己的電能計(jì)量芯片。這種集成芯片不僅精確度高,而且硬件、軟件設(shè)計(jì)簡單,價(jià)格便宜,性價(jià)比高,極具市場(chǎng)潛力。本文給出了基于Microchip公司的MCP3906單相電能計(jì)量芯片,并以AVR公司的ATMega16為MCU設(shè)計(jì)開發(fā)的一款新型單相電能表實(shí)現(xiàn)方案。與以往電能表相比,該方案具有設(shè)計(jì)接口簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點(diǎn)。

1 MCP3906單相電能計(jì)量芯片

MCP3906是Microchip公司推出的單相電能計(jì)量芯片,它支持國際電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范IEC62053,可提供與平均有功功率成比例的頻率輸出,以及與瞬時(shí)功率成比例的高頻輸出用于電表校準(zhǔn)。MCP3906內(nèi)部包含兩個(gè)16位△-∑ADC,可用于各種IB和IMAX電流和小分流器(200μΩ )的電表設(shè)計(jì)。該芯片還包含一個(gè)超低溫漂(15ppm／℃)參考電壓,通過特殊設(shè)計(jì)的帶隙溫度曲線,可在整個(gè)工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)使溫度梯度達(dá)到最小。固定功能的片上DSP模塊可用于計(jì)算有功功率,此外,片上還有驅(qū)動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器的高輸出驅(qū)動(dòng)器,可以減少現(xiàn)場(chǎng)故障和機(jī)械計(jì)數(shù)器咬合。芯片的空載門限模塊可防止任何電流潛變(Creep)測(cè)量,而上電復(fù)位(Power on Reset,POR)模塊則可在低電壓時(shí)限制電表測(cè)量。因此,MCP3906是具備高現(xiàn)場(chǎng)可靠性的精密電能計(jì)量IC,并采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的引腳配置。

1.1 MCP3906的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

MCP3906是混合模擬／數(shù)字信號(hào)的CMOS集成電路,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

MCP3906可提供與有功功率成比例的頻率輸出和與瞬時(shí)功率成比例的高頻輸出來用于校準(zhǔn)。它的兩個(gè)通道均使用16位二階△-∑ADC,能以MCLK／4的頻率對(duì)輸入進(jìn)行采樣,同時(shí)允許對(duì)動(dòng)態(tài)范圍很寬的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。可編程增益放大器(Programmable Gain Amplifier,PGA)擴(kuò)大了電流輸入通道(通道0)的可用范圍。其有功功率的計(jì)算以及與計(jì)算有關(guān)的濾波均可在數(shù)字域中完成,從而提高了其穩(wěn)定性和溫漂性能。

MCP3906的兩個(gè)數(shù)字高通濾波器(HPF1和HPF2)可以濾除兩個(gè)通道的系統(tǒng)偏移量,因此,有功功率的計(jì)算不含任何電路或系統(tǒng)偏移量。經(jīng)過高通濾波后,電壓和電流信號(hào)相乘,即可得出瞬時(shí)功率信號(hào)。此信號(hào)不含直流偏移分量,因此可有效利用求平均法(Averaging Technique)計(jì)算出所需的有功功率輸出。

瞬時(shí)功率信號(hào)包含的有功功率信息就是瞬時(shí)功率的直流分量。求平均法可用于計(jì)算正弦和非正弦波形,以及所有功率因數(shù)。瞬時(shí)功率經(jīng)過低通濾波器(LPF)就可以產(chǎn)生瞬時(shí)有功功率信號(hào)。

通過MCP3906的DTF轉(zhuǎn)換器可對(duì)瞬時(shí)有功功率信息進(jìn)行累加,以產(chǎn)生輸出脈沖,此脈沖的頻率與平均有功功率成比例。FOUT0和FOUT1輸出的低頻脈沖可用于設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器和雙相步進(jìn)電機(jī),以便顯示實(shí)際消耗的有功功率。每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)于一個(gè)固定的有功電量值,其功能可由F2、F1和F0的邏輯進(jìn)行選擇。HFOUT輸出具有較高的頻率設(shè)定和較低的積分周期,可用于表征瞬時(shí)有功功率信號(hào)。由于累加時(shí)間較短,該輸出可使用戶在穩(wěn)定的負(fù)載條件下進(jìn)行快速的校準(zhǔn)。

1.2 MCP3906的引腳功能

MCP3906采用24引腳SSOP封裝,其引腳排列如圖2所示。各引腳的功能說明如表1所列。