基于ADE7758 和MCU的多相多功能電能測量電表

0引言

我國與發(fā)達國家一樣， 隨著電力供應市場化的逐步深入和計算機網絡的快速普及和發(fā)展，為了緩解電力供應緊張的現狀，正在大力推廣分時電價，雙費率電子電能表成為電能表新的發(fā)展趨勢和需求熱點。僅上海市自 2001 年起，五年內需要 600 萬臺復費率電能表。

國外電能表正在向大電流、大動態(tài)的需求方向發(fā)展。美國模擬器件公司開發(fā)出一種體積小巧、動態(tài)范圍可達 1000 ： 1 的新型電能測量集成電路ADE7758 ，該 IC 內嵌了高精度的模數轉換器和固定模式的數字處理信號處理器（DSP），具有數字積分、數字濾波和具有眾多實用電能監(jiān)測、計量功能，正成為新一代高性能全數字電能表的理想芯片。

截止到 2002 年 10 月， AD775X 系列全數字電能測量處理芯片在全世界的銷量已超過 5000 萬片。 ADE7758 是具有每相信息的多相多功能電能測量 IC 芯片，是美國 ADI 公司 2003 年 8 月推出的專用電能測量 IC 新產品。

ADE775X 系列電能測量專用集成電路芯片的推出 , 不僅簡化了 電力測量新應用模塊的設計難度，可做到全電子或真正固體化、靜止化 , 以有利于提高性能，降低成本；還可以利用現有的電話線、專線、高頻無線電調制解調器、光纜、低壓配電線載波等技術手段完成自動抄讀表、分時電價、實時電價、多功能計量、預付費等擴充應用功能。使電能計量具有高精度、高可靠性、免維護和雙向通訊功能，適應電力市場化下的電力公司提供新的增值服務。

ADE7758 是一款功能先進的數字電能表芯片，它與單片機PIC16F877 、LCD模塊、電源等構成的一種多費率電子電能表電路見圖。 ADE7753 通過串行接口與單片機通信，接收單片機控制，實現多費率計量。

1 ADE7758引腳功能及設計要點

ADE7758 引腳功能分布參見圖 1 。

⑴ APCF ：有功功率校正頻率邏輯輸出引腳。

該引腳的輸出主要用于校準和操作的目的。滿刻度輸出頻率可以寫入 APCFNUM 和 APEFDEN 寄存器中。

⑵ DGND ： ADE7758 數字電路部分參考地端，例如乘法器、濾波器、數－頻轉換器的地端。

由于 ADE7758 中的回路電流很小，可以直接跟整個系統(tǒng)的模擬地端（ AGND ）相連，但是 DOUT 端的大總線電容產生的數字噪聲電流可能會影響其性能。

⑶ DVDD ：數字電源。該引腳為 ADE7758 數字部分提供電壓源。

電壓維持在 5V±5% 。該引腳可用一個 10μF 的電容和一個 100nF 的瓷片電容并聯后進行去耦合。

⑷ AVDD ：模擬電源端。該引腳為 ADE7758 模擬部分提供電壓源。電壓維持在 5V±5% 。

該引腳應該采用正確的去耦方法，盡量減小電源波動和噪聲。該引腳用一個 10μF 的電容和一個 100nF 的瓷片電容并聯后，再連接到 AGAND 引腳來去耦合。

⑸~⑽ IAP ， IAN ； IBP ， IBN ； ICP ， ICN ：電流通道模擬輸入。

這些輸入是全差動電壓輸入，最大的差動輸入信號為 ±0.5V ， ±0.25V ， ±0.125V 。根據內部放大器的增益選擇，來設定輸入電壓的最大值，增益選擇放大器的增益由PGA寄存器來設定。所有的輸入引腳均能承受 ±6V 的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電釋放保護電路。

(11) AGND ：模擬電路部分的參考地端。

該引腳為內部的 ADCS 、溫度敏感元件、參考電壓端等部分的參考地端。該引腳應該連接到系統(tǒng)的標準模擬地或者干擾最小的接地參考點。干擾最小的接地參考點應該跟所有的模擬線路相連。為了減小 ADE7758 的地端噪聲，模擬地端應該和數字地端只用一個點來連接。也可以把整個器件都安放在模擬接地面上。

（ 12) REFIN/OUT：該引腳是片上基準電壓。

片上基準電壓標稱值為 2.5V±8% 。外部參考端也可以與該腳相連。無論是否連接外部參考電壓端，該引腳都應該用一個 1μF 的瓷片電容跟 AGND 端連接以去偶合。

(13)~(16) VN ， VCP ， CBP ， VAP ：電壓通道的模擬輸入。

這些輸入是單端電壓輸入，最大信號電壓為 ±0.5V ，（相對于 VN 端）?？梢酝ㄟ^內部寄存器 PGA 選擇輸入信號的最大值為 ±0.5V ， ±0.25V 或者 ±0.125V 。所有的輸入引腳均能承受 ±6V 的過電壓而不會造成永久損壞，并具有靜電釋放保護電路。

(17) VARCF ：復功率校準頻率邏輯輸出。

通過設置 WAVMODE 寄存器的 VACF 位來選擇輸出復功率或者視在功率。該輸出常用于電能表的校準。滿刻度輸出可以通過寫入 VARCFNUM 和 VARCFDEN 寄存器的數值來調節(jié)。

(18)IRQ：中斷請求輸出。低電平有效的開漏極邏輯輸出端。

可屏蔽的中斷包括：有功能量寄存器和視在功率寄存器半滿和波形采樣速率達到 26kSPS 。

(19) CLKIN ：數字信號處理 ADCS 的主時鐘。最高為 15MHz。

可以用一個外部時鐘信號來提供時鐘輸入，也可以在 CLKIN 和 CLKOUT 端并聯一個 AT 晶體來提供時鐘信號。應該根據晶體的參數確定所需要的負載電容值，接一個幾十 PF 的瓷片電容到振蕩門電。

(20) CLKOUT ：當外部時鐘提供或者連接一個晶體時，該引腳能驅動一個CMOS負載。

(21) CS ：片選信號，低電平有效。這時 ADE7758 與數據總線接通。

(22) DIN ：串行接口的數據輸入端。在串行口的時鐘信號 SCLK 的下降沿輸入數據。

(23) SCLK ：串行時鐘信號輸入端。

所有串行數據被該信號同步。該引腳具有施密特觸發(fā)輸入，以適應速度較慢的邊沿變化時間。

(24) DOUT ：串行口的數據輸出端。

在 SCLK 信號的上升沿數據從該引腳傳輸出去。在沒有數據的時候該引腳為高阻抗狀態(tài)。

2 ADE7758的工作原理與內部框圖

ADE7758 功能框圖如圖 2 所示。

ADE7758 是一種高精確度三相電能測量 IC ，帶有一個串行口，兩路脈沖輸出。 ADE7758 集成了數字積分、參考基準電壓源、溫度敏感元件等，有可用于有功功率、復功率、視在功率、有效值的測量以及以數字方式校正系統(tǒng)誤差 ( 增益、相位和失調等 ) 所必須的信號處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）中測量有功功率、復功率、視在功率。

來自電流傳感器和電壓傳感器的電壓信號經信號放大 PGA1,PGA2 和模數變換 ADC 轉換為對應的數字信號，然后，電流信號經電流通道內的高通濾波器HPF 濾除 DC 分量并數字積分后，與經相位校正 Φ 的電壓信號相乘，產生瞬時功率 ; 此信號經低通濾波 LPF2 產生瞬時有功功率信號 ; 各相功率相加得到總

的三相瞬時有功功率，經 DOUT 引腳輸出。視在功率和復功率的計算與此類似。

ADE7758 有六路模擬量輸入，分成電流和電壓兩個通道。

流通道由三對差分電壓輸入，分別是 IAP ， IAN ； IBP ， IBN ； ICP ， ICN 。這三個電流通道最大的信號電壓變化范圍為 ±0.5V 。電流通道有一個可編程增益放大器（ PGA1 ），放大器增益為 1 ， 2 或 4 。除了 PGA 功能外，用于A/D轉換時，通道 1 還具有輸入信號滿刻度選擇的功能。前面提到了，最大輸入電壓變化范圍為 ±0.5V ，利用增益寄存器的 3 和 4 位， ADC 的輸入電壓可以設置為 ±0.5V ， ±0.25V ， ±0.125V 。這是利用 ADC 的基準參考端來實現的。

電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為 VAP ， VBP 和 VCP 。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為 ±0.5V 。相對于 VN 來說，電流和電壓通道都有一個 PGA （可編程放大器），增益為 1 ， 2 或 4 ，由用戶編程來決定，所有的輸入通道的增益相同。

ADE7758 提供系統(tǒng)的校正功能如：有效值偏移的校正、相位和功率的校正等等。引腳 APCF 的邏輯輸出給出了有功功率的信息，引腳 VARCF 的輸出提供了瞬時復功率和視在功率的信息。 ADE7758 具有一個波形取樣寄存器，其值來自于 ADC 的輸出。波形采樣部分集成有一個用于短時持續(xù)低電平或高電平的監(jiān)測電路，門檻電平和持續(xù)時間是由用戶編程來決定的。三相中的任一相過零監(jiān)測是同步進行的，過零監(jiān)測的結果可用于測量三路電壓輸入中任一路的周期。

ADE7758 的所有功能都是通過讀、寫片上寄存器來實現的，即 ADE7758 的各種設定和操作主要是對其眾多寄存器的讀和寫。每個寄存器在讀、寫時，首先要執(zhí)行一個寫通信寄存器的操作，然后開始傳輸數據。 電能表的測控命令和