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CS5463的高速功率的計(jì)算

作者: 時(shí)間:2012-10-27 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

可以通過使用低成本的分壓或電壓測(cè)量電壓,使用分流器或電流測(cè)量電流。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/193016.htm

從而計(jì)算出有功功率,因此該電路特別適用于開發(fā)單相2線、3線用電表。與上代的CS5460相比,還能提供視在功率、無功功率等多種參數(shù)計(jì)算,可滿足設(shè)計(jì)者的多方面需求。此外,片內(nèi)還帶有溫度傳感器,有助于設(shè)計(jì)者調(diào)整溫度漂移誤差,提高測(cè)量精度。

CS5463的主要特點(diǎn):

(1)電能數(shù)據(jù)在1000:l動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的線性度為±0.1%;

(2)精確測(cè)量瞬時(shí)電壓、電流、功率以及電壓、電流有效值;

(3)計(jì)算視在、有功和無功功率,基波有功、諧波功率和功率因數(shù);

(4)電能/脈沖轉(zhuǎn)換功能;

(5)低功耗(小于12 mW);

(6)單電源地參考信號(hào);

(7)內(nèi)置電源監(jiān)視器;

(8)從串行EEPROM“自引導(dǎo)”,可以不用微控制器;

(9)簡(jiǎn)單的3線數(shù)字串行接口;

(10)優(yōu)化的分流的輸入接口;

(11)帶有溫度傳感器;

(12)具有機(jī)械計(jì)數(shù)器/步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器

CS5463由2個(gè)可編程增益放大器、2個(gè)△-∑調(diào)制器、配套的高速濾波器、功率計(jì)算引擎、偏置和增益校正、功率監(jiān)測(cè)、串行接口及相應(yīng)功能寄存器等組成。2個(gè)可編程放大器采集電壓和電流數(shù)據(jù),△-∑調(diào)制器對(duì)模擬量采樣處理,高速數(shù)字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數(shù)字信號(hào),功率計(jì)算引擎計(jì)算各類型的功率,電壓、電流,并將計(jì)算的功率值通過串行接口對(duì)外輸出,既可以接EEPROM,也可以接微控制器。該電路還有能量脈沖信號(hào)輸出模塊,可以直接外接計(jì)數(shù)器或步進(jìn)電機(jī),從而省去微控制器而直接外送用電量,降低電表類產(chǎn)品的成本。

引腳功能

VA+/VA-:正負(fù)模擬電源,+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供電;

VD+/DGND:數(shù)字電源和數(shù)字地,+5V/0V供電;

PFMON:掉電監(jiān)視器,監(jiān)視模擬電源狀況。

VIN+/VIN-:電壓通道的差模模擬輸入,范圍是±250mV;

IIN+/IIN-:電流通道的差模模擬輸入,范圍是±50 mV(PGA設(shè)置為50×時(shí));

VREFIN/VREFOUT:參考電壓輸入/輸出,為片上調(diào)制器提供參考電壓及其輸出,通常為2.5 V。

MODB模式選擇,用于配置CS5463自引導(dǎo)模式;

RESET/INT:復(fù)位及中斷;

CS:片選信號(hào),為低電平時(shí),端口可識(shí)別串行時(shí)鐘等信號(hào)。

SCLK:串行時(shí)鐘輸入,該時(shí)鐘信號(hào)確定SDI、SDO的輸入/輸出速率,只在CS低電平時(shí)有效;

SDI/SDO:串行數(shù)據(jù)輸入/輸出;

E1/E2/E3(EOUT):能量輸出,輸出低電平有效、頻率和能量成比例關(guān)系的脈沖,3個(gè)引腳分別對(duì)應(yīng)有功功率、視在功率和無功功率。CS5463的工作原理

電壓和電流通道的輸入模擬信號(hào)送入可編程PGA進(jìn)行增益放大,放大后由△-∑調(diào)制器以一定的采樣速度采樣,采樣的結(jié)果再進(jìn)行高速數(shù)字濾波,得到符合要求的數(shù)字信號(hào)。電壓輸入通道采用二階△-∑調(diào)制器,高速濾波器由一個(gè)固定的Sinc2濾波器實(shí)現(xiàn);電流通道采用四階△-∑調(diào)制器,并用一個(gè)Sinc4濾波器實(shí)現(xiàn),與電壓通道的范圍相比,可以在輸入跨度更大的情況下實(shí)現(xiàn)電流通道的精確測(cè)量。2個(gè)通道的數(shù)據(jù)接著通過2個(gè)FIR補(bǔ)償濾波器來補(bǔ)償通過低通濾波器后產(chǎn)生的幅值損耗。另外,2個(gè)通道都提供了一個(gè)可選的高通濾波器(HPF),它可以在有效值、電能計(jì)算之前除去電壓和電流信號(hào)中的直流成分。

濾波后的瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量將進(jìn)行偏移量和增益調(diào)整,這是基于DC偏移量寄存器(加法運(yùn)算)和增益寄存器(乘法運(yùn)算)的調(diào)整。調(diào)整后的24位瞬態(tài)數(shù)據(jù)采樣值將存入瞬態(tài)電壓和電流寄存器,用戶可以通過串口從中讀出采樣數(shù)據(jù)。

以有功功率的計(jì)算為例,采樣得到瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量,把每對(duì)瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)據(jù)相乘,得到瞬時(shí)有功功率的采樣值。每個(gè)A/D采樣周期后,新的瞬態(tài)功率采樣值就存入功率寄存器,N個(gè)瞬時(shí)功率采樣值為一組,每組的值累加和用于計(jì)算以后放在能量寄存器中的數(shù)值,它與電路在N個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期中的有功功率值成正比。同樣原理,電壓和電流有效值也利用最近的N個(gè)瞬態(tài)電壓、電流采樣值計(jì)算,并可從RMS電壓和電流寄存器中讀出。

CS5463的串行接口使用了包括2條控制線CS、SCLK和2條數(shù)據(jù)線SDI、SDO的外接方式。串行接口集成了帶有發(fā)送、接收緩沖器的狀態(tài)機(jī),狀態(tài)機(jī)在SCLK的上升沿解析8位命令字,根據(jù)對(duì)命令的解碼執(zhí)行相應(yīng)的操作,或者為被尋址的寄存器的數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備,內(nèi)部寄存器都是24位。讀操作需將被尋址的內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送緩沖區(qū);寫操作在數(shù)據(jù)傳輸前要等24個(gè)SCLK周期。

所有的命令字長(zhǎng)度均為1個(gè)字節(jié)。寫寄存器命令后必須緊跟1、2或3個(gè)字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù);讀寄存器命令則發(fā)出3字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的讀和寫通過向串口SDI引腳寫入相應(yīng)的8位命令字(高位在前)來啟動(dòng)。當(dāng)命令包含寫操作時(shí),串口將在下面24個(gè)SCLK周期記錄SDI引腳的數(shù)據(jù)(從高位開始)。寄存器寫指令后必須跟24位的數(shù)據(jù),一旦收到數(shù)據(jù),狀態(tài)機(jī)便將數(shù)據(jù)寫入配置寄存器,然后等待下一個(gè)命令。啟動(dòng)讀命令后,串口將在下8個(gè)、16個(gè)或24個(gè)SCLK周期啟動(dòng)SDO引腳上的寄存器進(jìn)行內(nèi)容轉(zhuǎn)移(從高位開始),寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上。讀寄存器時(shí),微控制器可以同時(shí)發(fā)送新指令,并立即執(zhí)行新指令,同時(shí)終止讀操作。

CS5463的典型應(yīng)用

首先在線路上串、并聯(lián)適當(dāng)阻值的分壓和分流,對(duì)從電阻器上采樣的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波,圖中對(duì)稱的阻容濾波器更有助于減小電磁干擾,最后得到符合要求的電壓信號(hào),送入電路進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。CS5463提供了數(shù)字校準(zhǔn),用戶通過設(shè)置校準(zhǔn)命令字中的相應(yīng)位來決定執(zhí)行哪種校準(zhǔn)。對(duì)于電壓和電流通道,都有AC校準(zhǔn)和DC校準(zhǔn)。

該電路中用于監(jiān)測(cè)電流的分流電阻器串聯(lián)在電源的火線端,因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)住宅電能測(cè)量應(yīng)用中,電度表分流器接在火線上有助于發(fā)現(xiàn)竊電行為。從這種類型的分流電阻器得到的共模輸入電壓應(yīng)以火線電壓為參考.這意味著CS5463的輸入共模電壓相對(duì)于地電位會(huì)在很高的正電壓和負(fù)電壓之間振蕩。因此,在設(shè)計(jì)CS5463的數(shù)字輸出接口與外部數(shù)字接口(如其他通信網(wǎng)絡(luò))時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。

CS5463的數(shù)字串行接口引腳必須與外部數(shù)字接口隔離,使測(cè)量端的參考地電位與外部接口地參考地電位不相互影響,另外,CS5463及其電路必須密封絕緣以防觸電。

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