《計(jì)量電路芯片介紹》PPT課件

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1、電子式電能表計(jì)量芯片原理與常用計(jì)量芯片簡介主講人:胡寧2006－1－12三星科技有限公司電子式電能表計(jì)量芯片原理與常用計(jì)量芯片簡介1．電能計(jì)量芯片的原理電能表是電力部門計(jì)費(fèi)的唯一工具，需保證其性能穩(wěn)定性、測量準(zhǔn)確性和可靠性。目前已有大量的電子式電能表在實(shí)際運(yùn)行之中。電子式電能表的技術(shù)特性主要取決于電能計(jì)量集成電路的特性，所以對(duì)電能表計(jì)量芯片進(jìn)行研究，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和理論意義。電能計(jì)量芯片的計(jì)量原理主要分為模擬乘法器和數(shù)字乘法器兩大類:模擬乘法器原理主要分為時(shí)分割乘法器原理和吉爾波特變跨導(dǎo)乘法器原理兩大類。采用時(shí)分割原理的電能計(jì)量芯片多數(shù)

2、采用電流平衡型時(shí)分割乘法器，利用脈沖寬度調(diào)制的方法完成運(yùn)算；代表性國產(chǎn)產(chǎn)品有上海貝嶺電子公司的BL0931和BL0932[5]。采用吉爾波特變跨導(dǎo)乘法器原理的電能計(jì)量芯片利用晶體管的伏安特性完成運(yùn)算，可實(shí)現(xiàn)兩象限或四象限的線性乘法。采用數(shù)字乘法器的電能芯片依據(jù)采樣原理，采用過零同步采樣法，對(duì)一連續(xù)波形經(jīng)A/D變換器進(jìn)行整周期數(shù)字采樣，把連續(xù)波形離散化，MCU根據(jù)均方根算法計(jì)算出電流、電壓的有效值，再相乘得出功率值。每一芯片有一獨(dú)立的時(shí)基信號(hào)發(fā)生器，功率值乘以時(shí)間就可完成電能測量。數(shù)字乘法器電能計(jì)量芯片特點(diǎn)：能進(jìn)行多種電參數(shù)的測量；當(dāng)采樣頻率選擇得

3、當(dāng)，可進(jìn)行非正弦信號(hào)的測量；動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，不適合對(duì)負(fù)載變化大的信號(hào)進(jìn)行測量；電能測量準(zhǔn)確度級(jí)別一般為1.0~0.5級(jí)。采用數(shù)字乘法器原理的電能計(jì)量芯片對(duì)波形進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的A/D轉(zhuǎn)換器主要有兩類:(1)逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器主要有四部分構(gòu)成：一個(gè)比較器、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)逐次逼近寄存器和一個(gè)邏輯控制單元。轉(zhuǎn)換中的逐次逼近是按對(duì)分原理、由邏輯控制單元完成的。在邏輯控制單元的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，逐次逼近寄存器不斷進(jìn)行比較和移位操作，直到完成最低有效位的轉(zhuǎn)換。由于提高分辨率需要相當(dāng)復(fù)雜的比較網(wǎng)絡(luò)和極高精度的模擬電子器件，難以大規(guī)模集成，

4、所以逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理的電能計(jì)量芯片的測量等級(jí)都不高。這一類型產(chǎn)品如南非Sames公司生產(chǎn)的SA91系列單、三相電能計(jì)量芯片等。(2)Σ-Δ原理A/D轉(zhuǎn)換器基于FIR(有限長單位脈沖響應(yīng))數(shù)字濾波原理的A/D轉(zhuǎn)換器即Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器。該芯片主要采取了增量調(diào)制、噪聲整形、數(shù)字濾波和采樣抽取等技術(shù)，能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高線性度和高分辨率，所以應(yīng)用Σ-Δ原理的A/D轉(zhuǎn)換器的電能計(jì)量芯片，其測量等級(jí)都較高；又由于Σ-Δ原理A/D轉(zhuǎn)換器是根據(jù)模擬信號(hào)波形的包絡(luò)形狀來進(jìn)行量化編碼，對(duì)波形幅值的變化不敏感，所以此類電能芯片具有良好的電磁兼容性。這一類

5、型產(chǎn)品如美國ADI公司于1998年首先研制出的ADE7755系列產(chǎn)品；Cry-stal公司的CS5460，Atmel公司的AT73C500、AT73C501和AT13C502系列產(chǎn)品等。早期的電能計(jì)量芯片有的只是一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，即使有DSP引擎，功能也不強(qiáng)，和單片機(jī)系統(tǒng)的連接也只是提供高、低頻率的脈沖輸出；單片機(jī)一般利用自身的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器記取脈沖數(shù)。目前的電能計(jì)量芯片(包括即將推出的)較以前的有了很大不同，不僅有數(shù)據(jù)采集功能，還有被測電源系統(tǒng)的狀態(tài)信息記錄功能；芯片對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了大量的加工和運(yùn)算，直接給出了需要的各種電量，如電壓、電流、有功

6、和無功功率(電能)、相角和頻率等量值；與單片機(jī)系統(tǒng)的連接一般采用SPI或I2C串行口，把被測電源系統(tǒng)的過電壓、過電流、欠電壓、欠電流、斷相、錯(cuò)相、過零等狀態(tài)利用中斷和單片機(jī)系統(tǒng)交流信息。此外，芯片一般有校正特性，如偏移校正、增益校正和相位校正。單片機(jī)系統(tǒng)對(duì)寄存器寫入一定的位值就能對(duì)電能表進(jìn)行校正，即軟件校正。為了使電能表正常工作或者按某種需要方式工作，單片機(jī)只要對(duì)計(jì)量芯片的控制器寫入適當(dāng)?shù)目刂谱志涂梢粤?。芯片中可通過串行口讀寫的寄存器有數(shù)十個(gè)之多，可以讀入所需的所有電量數(shù)據(jù)。所以，電能計(jì)量芯片不僅決定了電能表的主要性能(見GB/T17215)，而

7、且在技術(shù)上無論是硬件還是軟件(已固化在芯片內(nèi))也都比后續(xù)單片機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜的多。單片機(jī)系統(tǒng)的主要任務(wù)，在系統(tǒng)的前端是寫計(jì)量芯片的控制寄存器、讀計(jì)量芯片的數(shù)據(jù)寄存器和接受狀態(tài)信息及處理中斷；在系統(tǒng)的后端就是顯示、計(jì)量分時(shí)電能和需量、管理(如通過RS485、紅外等通信接口進(jìn)行通信)等。這樣，電能表的兩個(gè)單元——計(jì)量單元和數(shù)據(jù)處理單元較為均衡、合理。目前的電能計(jì)量芯片的另一特點(diǎn)是把電測量理論關(guān)于電功率(電能)的一些基本理論融入了芯片制造技術(shù)之中，如：功率表的角誤差、乘法器的瞬時(shí)功率信號(hào)頻譜、關(guān)于無功功率(電能)的處理方法以及電源周波電能累計(jì)模式應(yīng)用于校正等

8、。2．常用電能計(jì)量芯片國內(nèi)常用的一些電能計(jì)量芯片大致情況如下：用于電壓、電流等電量的數(shù)據(jù)采集器；脈沖輸出的單、三相電能計(jì)量芯片；內(nèi)置串口