内置振荡器的电能测量芯片ADE7757及其应用

摘要：ADE7757是美国AD公司研制生产的高精度电能测量芯片。这种芯片非常适合动态范围大，干扰严重的测量系统。文中介绍了ADE7757的结构特点和工作原理，给出了ADE7757在电能测量仪表中的应用电路。 关键词：ADE7757；瞬时有功功率；平均有功功率 １　概述 ＡＤＥ７７５７是美国ＡＤ公司推出的高精度电能测量集成芯片。与原有的同系列ＡＤＥ７７５５相比，其芯片引脚较少，且内置了一个精确的振荡器电路来给芯片提供时钟。这就使得使用ＡＤＥ７７５７的仪表省掉了外部晶体或者共振器，因此可以降低总体成本。 该芯片的内部电路除了ＡＤＣ和参考电路是模拟电路外，其余均为数字电路，因此芯片在长时间与极端工作条件下具有卓越的稳定性与精度。 ＡＤＥ７７５７可在低频输出引脚Ｆ１、Ｆ２上输出平均有功功率，并可直接驱动一个机电计数器或与ＭＣＵ的接口。而高频ＣＦ逻辑则可输出用于校准的瞬时有功功率。ＡＤＥ７７５７的基本特性和参数如下： ● 带有片内振荡器，可作为时钟源； ● 精度高，且与５０Ｈｚ／６０Ｈｚ的ＩＥＣ５２１／１０３６标准兼容； ● 逻辑输出引脚ＲＥＶＰ可用来指示可能的接线错误或负功率； ● 带有片内电源监视器； ● 采用单５Ｖ电源，功耗较低； ● 采用交流输入。 ２　内部结构及引脚功能 ＡＤＥ７７５７是１６脚ＳＯＩＣ封装，图１为其内部结构框图，各引脚的功能见表１所列。 表1 ADE7757的引脚功能 引 脚 名 称 功 能 1 VDD 电源 2，3 V2P，V2N 通道V2（电压通道）的模拟输入 4，5 V1P，V1N 通道V1（电流通道）的模拟输入 6 AGND 模拟地 7 REF IN/OUT 片内参考电压 8 SCF 选择校准频率 9，10 S1，S0 频率选择 11 RCLKIN 内部振荡器使能端 12 REVP 负功率检测脚 13 DGND 数字地 14 CF 校准频率逻辑输出 15，16 F2，F1 低频逻辑输出 ３　ＡＤＥ７７５７的原理特性 图１所示是ＡＤＥ７７５７的内部原理图，图中，两个ＡＤＣ电路将电流传感器和电压传感器送入的电压信号进行数字化。这个模拟输入结构大大简化了传感器接口电路，并提供了很大的动态范围，同时简化了滤波器的设计。电流通道（Ｖ１通道）的高通滤波器（ＨＰＦ）去掉了电流信号里的全部直流成分，从而减少了有功功率计算中由电压或电流信号偏移带来的不精确性。 有功功率的计算可由瞬时功率信号获得。瞬时功率等于电流与电压信号的乘积。 低频输出Ｆ１、Ｆ２可由有功功率的积累来获得。低频意味着在输出脉冲之间的长时间积累。因此，输出频率正比于平均有功功率。平均有功功率的信息积累（如用一计数器）可得到有功能量。相反地，ＣＦ脚输出高频率可缩短积累时间，其输出频率正比于瞬时有功功率。 ３．１ 片内振荡器（ＯＳＣ） ＡＤＥ７７５７的片内振荡器频率与内部振荡器的使能端ＲＣＬＫＩＮ的外接电阻成反比。外接电阻为５．５～２０ｋΩ时，振荡器可正常工作，但一般选用５．５～６．４ｋΩ的范围。当ＲＣＬＫＩＮ接６．２ｋΩ电阻时，内部振荡器的频率为４６６ｋＨｚ。因为输出频率是与振荡器频率直接成比例的，因此外接电阻必须具有低公差和低温度漂移等特性，以保证芯片的稳定性与线性度。 ３．２ 电流与电压通道的模拟输入 通常电流传感器的电压输出可由通道Ｖ１接入ＡＤＥ７７５７芯片。通道Ｖ１是一个全微分电压输入通道，Ｖ１Ｐ是正极输入， Ｖ１Ｎ是负极输入。特殊应用时，通道Ｖ１的最大微分信号应小于%26;#177;３０ｍＶ（相对于ＡＧＮＤ），普通应用时为%26;#177;６．２５ｍＶ。通道Ｖ１的典型连接电路如图２所示，该图中的电流传感器实际上是一分流电阻，相对于其它电流传感器（如电流变压器），该分流电阻的功耗较低，这更有利于小电流仪表。 电压传感器的电压输出则由通道Ｖ２接入ＡＤＥ７７５７芯片。通道Ｖ２也是一个全微分电压输入通道，Ｖ２Ｐ是正极输入，Ｖ２Ｎ是负极输入。其最大微分信号为%26;#177;１６５ｍＶ。输入电压以ＡＧＮＤ为参考。通道Ｖ２的典型连接电路见图３。典型情况下，ＡＤＥ７７５７相对于中性线有一个偏差，可用一个电阻分配器提供一个正比于线电压的电压信号。另外，调整Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｆ的比例也是调整仪表增益刻度的有效方法。 ３．３ 数／频转换 如前所述，低通滤波器（ＬＰＦ）的数字输出中包括有功功率信息。然而由于ＬＰＦ不是理想的滤波器，因此输出信号还包括有削弱了的线频率及其谐波成分ｃｏｓ（ｈωｔ），其中ｈ＝１，２，３……。由于瞬时功率计算的原因，主要谐波成分为线频率的两倍，即２ω。实际上，ＬＰＦ输出的瞬时有功功率信号仍包括了大量的瞬时功率信息，例如ｃｏｓ（２ωｔ）。 此信号被送入数字频率转换器并经过积累，即可得到输出频率。信号的积累可以减少瞬时有功功率信号中的任何非直流成分。另外，由于正弦信号的平均值为０，因此ＡＤＥ７７５７产生的频率与平均有功功率成比例。 频率输出ＣＦ随着时间而变化的原因主要是瞬时有功功率信号中的ｃｏｓ（２ωｔ）成分所致。ＣＦ输出的频率可以达到Ｆ１和Ｆ２输出频率的２０４８倍，这个高频输出是在数字转换为频率时积累了很短的时间而产生的。积累时间很短意味着只包括很少的ｃｏｓ（２ωｔ）成分，这就使得一些瞬时有功功率信号通过了数字频率转换器。这在实际应用中不成问题，因为当ＣＦ用作校准时，频率将会通过频率计数器来平均，由此去掉波纹。 由于Ｆ１和Ｆ２的输出频率很低，因此引入了很多的瞬时有功功率信号的平均值，所以输出的是大大削弱了正弦成分的频率。 ３．４ 传输函数 ａ． Ｆ１和Ｆ２的频率输出 如前所述，Ｆ１和Ｆ２的频率输出是对有功功率信号较长时间的积累，它与平均有功功率成比例。输出频率与输入电压和电流信号的关系如下： Ｆｒｅｑ＝（５１５．８４Ｖ１ｒｍｓ Ｖ２ｒｍｓ Ｆ１－４）／Ｖ２ｒｅｆ 其中，Ｆｒｅｑ为Ｆ１和Ｆ２的输出频率，单位为Ｈｚ，Ｖ１ｒｍｓ和Ｖ２ｒｍｓ是通道Ｖ１和Ｖ２的差分电压信号输入（Ｖ），Ｖｒｅｆ为参考电压（２．５Ｖ%26;#177;８％），Ｆ１－４是表２中由逻辑输入Ｓ０和Ｓ１选择的四种可能的频率之一。 表2 F1-4频率选择及F1，F2的最大输出频率 S1 S0 F1-4值 最大频率 0 0 OSC/2 19 0.176 0 1 OSC/2 18 0.352 1 0 OSC/2 17 0.704 1 1 OSC/2 16 1.408 表3 CF最大输出频率与F1，F2的关系 SCF S1 S0 CF（Hz） 1 0 0 128%26;#215;F1,F2=22.5 0 0 0 64%26;#215;F1,F2=11.26 1 0 1 64%26;#215;F1,F2=22.5 0 0 1 32F1,F2=11.5 1 1 0 32F1,F2=22.5 0 1 0 16%26;#215;F1,F2=11.26 1 1 1 16%26;#215;F1,F2=22.5 0 1 1 2048%26;#215;F1,F2=2.867k ｂ． ＣＦ的频率输出 表３所列为ＣＦ最大输出频率与Ｆ１、Ｆ２之间的关系。当逻辑输入ＳＣＦ为０，而Ｓ１和Ｓ０为１时，其最大值为２．８６７ｋＨｚ。 ３．５ ＡＤＥ７７５７与微控制器的接口 ＡＤＥ７７５７与微控制器最简易的连接方式可利用ＣＦ的高频输出来完成。连接时，可将ＣＦ设置为最大输出频率（如图４所示），并将ＣＦ连接至ＭＣＵ计数器或接口，然后在ＭＣＵ内部定时器规定的时间内计数脉冲，并取平均功率等于平均频率，同时，该值也等于计数所得值与计数时间的比值。这样，此计数时间内所消耗的能量为平均功率与时间的乘积，也就是说计数值／时间与时间乘积的计数值。 图5 ADE7757在电能测量仪表中的应用电路 ４　应用电路 利用ＡＤＥ７７５７可以很方便地构成一个完整的低成本、微功耗的电能测量仪表。图５为其应用电路，图中，Ａ３和Ａ４接入电流传感器送来的电压信号，并经电容滤波后送入Ｖ１通道。Ａ１和Ａ２接入电压传感器送来的电压信号并经可变电阻（用来调节精度）送入Ｖ２通道。Ａ７、Ａ８接到记度器，用ＣＦ输出的脉冲来驱动记度器走字。Ａ５、Ａ６输出Ｆ１和Ｆ２的脉冲可接到脉冲线。其中，ＶＤ３用来指示输出的脉冲，ＶＤ４指示反向输入，７８Ｌ０５用来给ＡＤＥ７７５７提供＋５Ｖ电源。ＲＣＬＫＩＮ直接接６．２ｋΩ电阻，从而使该电路不用外加振荡器。 笔者按照上述原理与电路研制了一台电能表，并用它来驱动记度器，使用结果非常满意，误差非常小，其跳变在０．２以内，且功耗也非常小。 ５　结论 通过上述分析与试验，ＡＤＥ７７５７必将在电能测量中得到广泛的应用。它不仅具有较为简单的电路结构，而且所需的单片机资源也很少。