內(nèi)置振蕩器的電能測(cè)量芯片ADE7757及其應(yīng)用

圖１所示是ＡＤＥ７７５７的內(nèi)部原理圖，圖中，兩個(gè)ＡＤＣ電路將電流傳感器和電壓傳感器送入的電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。這個(gè)模擬輸入結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了傳感器接口電路，并提供了很大的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)簡(jiǎn)化了濾波器的設(shè)計(jì)。電流通道（Ｖ１通道）的高通濾波器（ＨＰＦ）去掉了電流信號(hào)里的全部直流成分，從而減少了有功功率計(jì)算中由電壓或電流信號(hào)偏移帶來(lái)的不精確性。

有功功率的計(jì)算可由瞬時(shí)功率信號(hào)獲得。瞬時(shí)功率等于電流與電壓信號(hào)的乘積。

低頻輸出Ｆ１、Ｆ２可由有功功率的積累來(lái)獲得。低頻意味著在輸出脈沖之間的長(zhǎng)時(shí)間積累。因此，輸出頻率正比于平均有功功率。平均有功功率的信息積累（如用一計(jì)數(shù)器）可得到有功能量。相反地，ＣＦ腳輸出高頻率可縮短積累時(shí)間，其輸出頻率正比于瞬時(shí)有功功率。

３．１ 片內(nèi)振蕩器（ＯＳＣ）

ＡＤＥ７７５７的片內(nèi)振蕩器頻率與內(nèi)部振蕩器的使能端ＲＣＬＫＩＮ的外接電阻成反比。外接電阻為５．５～２０ｋΩ時(shí)，振蕩器可正常工作，但一般選用５．５～６．４ｋΩ的范圍。當(dāng)ＲＣＬＫＩＮ接６．２ｋΩ電阻時(shí)，內(nèi)部振蕩器的頻率為４６６ｋＨｚ。因?yàn)檩敵鲱l率是與振蕩器頻率直接成比例的，因此外接電阻必須具有低公差和低溫度漂移等特性，以保證芯片的穩(wěn)定性與線性度。

３．２ 電流與電壓通道的模擬輸入

通常電流傳感器的電壓輸出可由通道Ｖ１接入ＡＤＥ７７５７芯片。通道Ｖ１是一個(gè)全微分電壓輸入通道，Ｖ１Ｐ是正極輸入，Ｖ１Ｎ是負(fù)極輸入。特殊應(yīng)用時(shí)，通道Ｖ１的最大微分信號(hào)應(yīng)小于±３０ｍＶ（相對(duì)于ＡＧＮＤ），普通應(yīng)用時(shí)為±６．２５ｍＶ。通道Ｖ１的典型連接電路如圖２所示，該圖中的電流傳感器實(shí)際上是一分流電阻，相對(duì)于其它電流傳感器（如電流變壓器），該分流電阻的功耗較低，這更有利于小電流儀表。

電壓傳感器的電壓輸出則由通道Ｖ２接入ＡＤＥ７７５７芯片。通道Ｖ２也是一個(gè)全微分電壓輸入通道，Ｖ２Ｐ是正極輸入，Ｖ２Ｎ是負(fù)極輸入。其最大微分信號(hào)為±１６５ｍＶ。輸入電壓以ＡＧＮＤ為參考。通道Ｖ２的典型連接電路見(jiàn)圖３。典型情況下，ＡＤＥ７７５７相對(duì)于中性線有一個(gè)偏差，可用一個(gè)電阻分配器提供一個(gè)正比于線電壓的電壓信號(hào)。另外，調(diào)整Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｆ的比例也是調(diào)整儀表增益刻度的有效方法。

３．３ 數(shù)／頻轉(zhuǎn)換

如前所述，低通濾波器（ＬＰＦ）的數(shù)字輸出中包括有功功率信息。然而由于ＬＰＦ不是理想的濾波器，因此輸出信號(hào)還包括有削弱了的線頻率及其諧波成分ｃｏｓ（ｈωｔ），其中ｈ＝１，２，３……。由于瞬時(shí)功率計(jì)算的原因，主要諧波成分為線頻率的兩倍，即２ω。實(shí)際上，ＬＰＦ輸出的瞬時(shí)有功功率信號(hào)仍包括了大量的瞬時(shí)功率信息，例如ｃｏｓ（２ωｔ）。

此信號(hào)被送入數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器并經(jīng)過(guò)積累，即可得到輸出頻率。信號(hào)的積累可以減少瞬時(shí)有功功率信號(hào)中的任何非直流成分。另外，由于正弦信號(hào)的平均值為０，因此ＡＤＥ７７５７產(chǎn)生的頻率與平均有功功率成比例。

頻率輸出ＣＦ隨著時(shí)間而變化的原因主要是瞬時(shí)有功功率信號(hào)中的ｃｏｓ（２ωｔ）成分所致。ＣＦ輸出的頻率可以達(dá)到Ｆ１和Ｆ２輸出頻率的２０４８倍，這個(gè)高頻輸出是在數(shù)字轉(zhuǎn)換為頻率時(shí)積累了很短的時(shí)間而產(chǎn)生的。積累時(shí)間很短意味著只包括很少的ｃｏｓ（２ωｔ）成分，這就使得一些瞬時(shí)有功功率信號(hào)通過(guò)了數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器。這在實(shí)際應(yīng)用中不成問(wèn)題，因?yàn)楫?dāng)ＣＦ用作校準(zhǔn)時(shí)，頻率將會(huì)通過(guò)頻率計(jì)數(shù)器來(lái)平均，由此去掉波紋。

由于Ｆ１和Ｆ２的輸出頻率很低，因此引入了很多的瞬時(shí)有功功率信號(hào)的平均值，所以輸出的是大大削弱了正弦成分的頻率。

３．４ 傳輸函數(shù)

ａ． Ｆ１和Ｆ２的頻率輸出

如前所述，Ｆ１和Ｆ２的頻率輸出是對(duì)有功功率信號(hào)較長(zhǎng)時(shí)間的積累，它與平均有功功率成比例。輸出頻率與輸入電壓和電流信號(hào)的關(guān)系如下：

Ｆｒｅｑ＝（５１５．８４Ｖ１ｒｍｓ Ｖ２ｒｍｓ Ｆ１－４）／Ｖ２ｒｅｆ

其中，Ｆｒｅｑ為Ｆ１和Ｆ２的輸出頻率，單位為Ｈｚ，Ｖ１ｒｍｓ和Ｖ２ｒｍｓ是通道Ｖ１和Ｖ２的差分電壓信號(hào)輸入（Ｖ），Ｖｒｅｆ為參考電壓（２．５Ｖ±８％），Ｆ１－４是表２中由邏輯輸入Ｓ０和Ｓ１選擇的四種可能的頻率之一。

表2 F1-4頻率選擇及F1，F(xiàn)2的最大輸出頻率

表3 CF最大輸出頻率與F1，F(xiàn)2的關(guān)系

ｂ． ＣＦ的頻率輸出

表３所列為ＣＦ最大輸出頻率與Ｆ１、Ｆ２之間的關(guān)系。當(dāng)邏輯輸入ＳＣＦ為０，而Ｓ１和Ｓ０為１時(shí)，其最大值為２．８６７ｋＨｚ。

３．５ ＡＤＥ７７５７與微控制器的接口

ＡＤＥ７７５７與微控制器最簡(jiǎn)易的連接方式可利用ＣＦ的高頻輸出來(lái)完成。連接時(shí)，可將ＣＦ設(shè)置為最大輸出頻率（如圖４所示），并將ＣＦ連接至ＭＣＵ計(jì)數(shù)器或接口，然后在ＭＣＵ內(nèi)部定時(shí)器規(guī)定的時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖，并取平均功率等于平均頻率，同時(shí)，該值也等于計(jì)數(shù)所得值與計(jì)數(shù)時(shí)間的比值。這樣，此計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)所消耗的能量為平均功率與時(shí)間的乘積，也就是說(shuō)計(jì)數(shù)值／時(shí)間與時(shí)間乘積的計(jì)數(shù)值。

圖5 ADE7757在電能測(cè)量?jī)x表中的應(yīng)用電路

４　應(yīng)用電路

利用ＡＤＥ７７５７可以很方便地構(gòu)成一個(gè)完整的低成本、微功耗的電能測(cè)量?jī)x表。圖５為其應(yīng)用電路，圖中，Ａ３和Ａ４接入電流傳感器送來(lái)的電壓信號(hào)，并經(jīng)電容濾波后送入Ｖ１通道。Ａ１和Ａ２接入電壓傳感器送來(lái)的電壓信號(hào)并經(jīng)可變電阻（用來(lái)調(diào)節(jié)精度）送入Ｖ２通道。Ａ７、Ａ８接到記度器，用ＣＦ輸出的脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)記度器走字。Ａ５、Ａ６輸出Ｆ１和Ｆ２的脈沖可接到脈沖線。其中，ＶＤ３用來(lái)指示輸出的脈沖，ＶＤ４指示反向輸入，７８Ｌ０５用來(lái)給ＡＤＥ７７５７提供＋５Ｖ電源。ＲＣＬＫＩＮ直接接６．２ｋΩ電阻，從而使該電路不用外加振蕩器。

筆者按照上述原理與電路研制了一臺(tái)電能表，并用它來(lái)驅(qū)動(dòng)記度器，使用結(jié)果非常滿意，誤差非常小，其跳變?cè)冢埃惨詢?nèi)，且功耗也非常小。

５　結(jié)論

通過(guò)上述分析與試驗(yàn)，ＡＤＥ７７５７必將在電能測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。它不僅具有較為簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)，而且所需的單片機(jī)資源也很少。