多功能電能表的電路設(shè)計

　　L1和C1可消除信號中的尖峰波并抑制干擾。經(jīng)L1、C1濾波后的信號接入到整流橋，再將從整流橋中輸出的高壓直流信號經(jīng)過C2進行濾波后，即可得到電壓Vi。在圖2中，T1為高頻變壓器，它能夠快速存儲和釋放能量，經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流連續(xù)輸出。高頻變壓器T1的1腳和3腳為輸入初始繞組，4、5兩腳為反饋繞組，次級繞組分別為6，9腳和7，10腳(其中1，4，6，7為各繞組的同名端)。并且6，9繞組是主繞組，用它經(jīng)進一步變換產(chǎn)生的+5 V直流穩(wěn)壓電源可作為主電壓源，即數(shù)字電壓源(Vo1);7，10繞組為輔繞組，用它經(jīng)電容C8～C11濾波和78L05穩(wěn)壓產(chǎn)生的+5 V直流穩(wěn)壓電源為輔電壓源，即模擬電壓源(Vo2)。鑒于在TOP221Y內(nèi)的功率MOSFET關(guān)斷瞬間，高頻變壓器的漏感會產(chǎn)生尖峰電壓，另外，在1，3初始繞組上還會產(chǎn)生感應(yīng)電壓(即反向電動勢)，而且二者又會疊加在Vi上，使電壓嚴(yán)重增大，因而要求功率MOSFET能夠承受高壓。同時，還必須在漏極增加鉗位電路，以吸收尖峰電壓，保護TOP221Y內(nèi)的功率MOSFET不受損害。本設(shè)計利用R1，C3，ZD1，D1組成鉗位電路。當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時，T1的初始繞組的電壓極性為(3端)為正，1端為負，此時D1截止，鉗位電路不起作用;而在MOSFET截止的瞬間，初始繞組變?yōu)?端為正，3端為負，此時D2導(dǎo)通，尖峰電壓就被R1和C3吸收掉。

　　4 計量電路的設(shè)計

　　電量檢測電路是該電表設(shè)計的核心。選用PHILIPS公司的P89LPC916是一款低成本的16腳單片封裝的微控制器。該芯片適合于許多要求高集成度低成本的場合，可以滿足多方面的性能要求。P89LPC916采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間只需2～4個時鐘周期，其速度6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件。由于P89LPC916集成了許多系統(tǒng)級功能，故可大大減少元件的數(shù)目和電路板面積，提高電路可靠性，并降低系統(tǒng)的成本。

　　本儀表由P89LPC916控制CS5463的檢測過程和數(shù)值顯示。電路上電以后，通過撥碼開關(guān)可對電路進行初始化。通過撥碼開關(guān)輸入單片機要初始化的電量代碼后，再由單片機根據(jù)設(shè)定好的編碼規(guī)則向CS5463發(fā)出相應(yīng)的指令，CS5463根據(jù)單片機發(fā)來的指令將相應(yīng)的要初始化的電量的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)值傳給單片機，單片機再將此數(shù)據(jù)傳給X5045并存儲在其中，以供CS5463復(fù)位時再次獲得校準(zhǔn)值，并供單片機用于隨時校準(zhǔn)檢測值，從而提高精度。也就是說，在LPC916的控制下，由CS5463檢測電信號并輸出測量值給單片機，其中X5045可存放標(biāo)準(zhǔn)校正值。該計量電路中的控制模塊如圖3所示。

　　該電壓采樣電路由電阻網(wǎng)絡(luò)、過壓保護及去抖動電容組成。為保證采樣精度，電阻應(yīng)全部采用高穩(wěn)定度的精密電阻。

　　本系統(tǒng)中的電流采樣電路由電流互感器、過壓保護、電阻網(wǎng)絡(luò)和去抖動電容組成。采用電流互感器的主要優(yōu)點在于可實現(xiàn)高壓與低壓的隔離。由于CS5463的電流檢測實際上是將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡蟮碾妷簷z測，所以，在電路中，先由采樣電阻將互感電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，再通過限流電阻和電容濾波后輸人到CS5463的電流檢測管腳(16、15腳)。另外，在兩路輸入中，還分別用二極管進行電壓嵌位，以避免電壓過高損壞CS5463。CS5463的3、14腳分別為模擬、數(shù)字+5V電源。同時，為了濾除電壓波動，增加電源的穩(wěn)定性，在兩路電源輸入時，分別加了濾波電容。由于此為電流檢測，所以電壓檢測的兩輸入腳9和10也應(yīng)接模擬地以避免干擾。另外，13腳VA要接模擬地，4腳DGND接數(shù)字地，模擬地和數(shù)字地之間用電感連接。1、24(XOUT，XIN)兩腳接4.096 NHz的晶振。并用程序控制CS5463自動完成輸入信號的檢測，同時通過6腳SDO輸出數(shù)據(jù);而分別由5腳SCLK、7腳、19腳RES、20腳INT、23腳SDI輸出單片機的時鐘脈沖、片選信號、復(fù)位信號、中斷信號以及單片機對CS5463的控制信號。由于CS5463要完成對模擬信號的檢測并以數(shù)字信號輸出檢測值，即一個芯片同時有模擬、數(shù)字兩種信號，因而需要模擬和數(shù)字兩路電源;同時，其需要接地的管腳一定要正確接相應(yīng)的地，不然將會引入很大的干擾。

　　5 顯示電路

　　本儀表系統(tǒng)采用七段LED顯示。移位寄存器74HC164的時鐘信號由單片機提供。從單片機輸出數(shù)據(jù)信號時，先輸出低位，后輸出高位。數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)綄?yīng)顯示高位數(shù)碼管的74HC164，每當(dāng)?shù)絹硪粋€時鐘脈沖時，數(shù)據(jù)便移位一次，經(jīng)過一個周期后，數(shù)據(jù)將全部傳輸?shù)狡鋵?yīng)各位的74HC164并由數(shù)碼管顯示出來。

　　6 結(jié)束語

　　本文給出了一種多功能電能表的設(shè)計方法，詳細說明了電能表的工作原理和設(shè)計思路，重點介紹了電源設(shè)計和電能計量模塊的原理、實現(xiàn)及注意事項。經(jīng)使用證明，該電能表具有運行穩(wěn)定、可靠性高、精度高、成本低等優(yōu)點，而且實用性強。此外，還可針對不同的需求來改進功能，如增加通訊模塊等。