一種新型電網(wǎng)數(shù)顯功率表的電路設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)工作原理
??? 在直流電路中，有功功率反映被測(cè)電路的電壓和電流的乘積(P=UI)；在交流電路中，除了這個(gè)乘積外，還應(yīng)反映其相位差的余弦，即電路的功率因數(shù)cosψ，有P=UI／cosψ。對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的測(cè)量電網(wǎng)功率是必不可少的。本系統(tǒng)采用開關(guān)穩(wěn)壓電壓源，將220 V交流市電整流穩(wěn)壓為模擬、數(shù)字兩路+5 V電源，為整個(gè)電表電路供電。采用先進(jìn)的單相雙向功率／電能集成芯片CS5460A。通過電流互感器檢測(cè)的電流信號(hào)，通過電阻分壓器輸入的電壓信號(hào)，可直接輸入該集成芯片，在片內(nèi)完成A／D轉(zhuǎn)換和瞬時(shí)有功功率計(jì)算。其基本結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

2 開關(guān)電源電路
??? 電源是電子設(shè)備的核心部分，其質(zhì)量的好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障大都來自電源，因此在設(shè)計(jì)電子設(shè)備時(shí)，電源的設(shè)計(jì)十分重要。現(xiàn)代電子設(shè)備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)電源兩大類。所謂線性穩(wěn)壓電源，就是其調(diào)整管工作在線性放大區(qū)。這種穩(wěn)壓電源的主要缺點(diǎn)是變換效率低，一般只有35％～60％；開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)，主要的優(yōu)越性就是變換效率高，可達(dá)70％～95％。此外，開關(guān)穩(wěn)壓電源還有功耗小、穩(wěn)壓范圍寬、體積小、重量輕、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。目前電子設(shè)備的穩(wěn)壓電源逐漸被開關(guān)穩(wěn)壓電源所取代。在本系統(tǒng)中，由于在檢測(cè)部分要用到C55460A，為了避免干擾，需要模擬和數(shù)字兩路+5 V電源，因此，在開關(guān)穩(wěn)壓電源部分也需要有兩路+5 V電源。該部分電路原理圖，如圖2所示。

3 功率檢測(cè)電路
??? 功率檢測(cè)電路是該功率表設(shè)計(jì)的主要部分。其主要功能是在單片機(jī)P89LPC916的控制下由CS5460A檢測(cè)功率并輸出功率值，其中X5045存放標(biāo)準(zhǔn)校正值，供單片機(jī)隨時(shí)校準(zhǔn)功率值。其電路原理圖，如圖3所示。檢測(cè)電路中主要器件有功率互感器、CS5460A、單片機(jī)P89LPC916、X5045等。

3．1 CS5460A功能概述
??? CS5460A是一個(gè)包含兩個(gè)△∑模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速電能計(jì)算功能和一個(gè)串行接口的高度集成的△∑模一數(shù)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測(cè)量和計(jì)算有功電能、瞬時(shí)功率、IRMS和VRMS，用于研制開發(fā)單相2線或3線電表。

?CS5460A可以使用低成本的分流器或電流互感器測(cè)量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測(cè)量電壓。CS5460A具有與微控制器通訊的雙向串口，芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5460A具有方便的片上AC／DC系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。“自引導(dǎo)”的特點(diǎn)使CS5460A能獨(dú)立工作，系統(tǒng)上電后自動(dòng)初始化。在自引導(dǎo)模式中，CC5460A從一個(gè)外部EEPROM中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動(dòng)指令。使用該模式時(shí)，CS5460A工作時(shí)不需要外加微控制器，因此當(dāng)電表用于大批量住宅電能測(cè)量時(shí)，可降低電表的成本。
??? CS5460A是具有有功功率計(jì)算引擎的CMOS單片功率測(cè)量芯片，它包含了兩個(gè)增益可編程放大器、兩個(gè)△∑調(diào)制器、兩個(gè)高速濾波器，具有系統(tǒng)校準(zhǔn)和有效值／功率計(jì)算功能，以提供瞬時(shí)電壓／電流／功率數(shù)據(jù)采樣及有功能量、IRMS、VRMS的周期計(jì)算結(jié)果。為適應(yīng)低價(jià)測(cè)量應(yīng)用，CS5460A也能在給定引腳上輸出脈沖串，輸出的脈沖數(shù)與有功能量寄存器的數(shù)值成正比。CS5460A專為功率測(cè)量進(jìn)行了優(yōu)化，它適合與分流器或電流互感器相連來測(cè)量電流；與分壓電阻或電壓互感器相連來測(cè)量電壓。為適應(yīng)不同電平的輸入電壓，電流通道集成有一個(gè)增益可編程放大器(PGA)，使輸入電平滿量程可選擇為±250 mVRMS或±50 mVRMS。電壓通道的PGA可適應(yīng)±250 mV的輸入電壓范圍。對(duì)于VA+和VA－兩端接單+5 V電源的情況，兩個(gè)通道的差模輸入引腳間所加的共模+信號(hào)電壓為－0．25～+5 V。另外，設(shè)計(jì)時(shí)可以在某一個(gè)通道或兩個(gè)通道實(shí)現(xiàn)雙端差模輸入，此時(shí)輸入信號(hào)的共模電壓加在AGND上。CS5460A每通道都有一個(gè)高速數(shù)字濾波器，將兩個(gè)△∑調(diào)制器的輸出衰減10倍并積分。濾波器以(MCLK／K)／1 024的字輸出速率(OWR)輸出24位數(shù)據(jù)。為了方便與外部微控制器通訊，CS5460A集成有一個(gè)簡(jiǎn)單的三線串行接口，該串口與SPITM和Micro WireTM標(biāo)準(zhǔn)兼容。串口的串行時(shí)鐘(SCLK)和RESET引腳內(nèi)包含一個(gè)施密特觸發(fā)器，允許使用上升速度較慢的信號(hào)。
??? CS5460A特性：
??? (1)電能數(shù)據(jù)線性度：在1 000：1動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)線性度為±0．1％；
??? (2)片內(nèi)功能：可以測(cè)量電能(有功)，I×V，IRMS和VRMS，具有電能一脈沖轉(zhuǎn)換功能；
??? (3)可以從串行EEPROM智能“自引導(dǎo)”，不需要微控制器；
??? (4)AC或DC系統(tǒng)校準(zhǔn)；
??? (5)具有機(jī)械計(jì)度器／步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；
??? (6)符合IEC687／1036，JIS工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；
??? (7)功耗<12 mW；
??? (8)優(yōu)化的分流器接口；
??? (9)V對(duì)I向相位補(bǔ)償；
??? (10)單電源地參考信號(hào)；
??? (11)片內(nèi)2．5 V參考電壓(最大溫漂60 ppm／°C)；
??? (12)簡(jiǎn)單的三線數(shù)字串行接口；
??? (13)看門狗定時(shí)器；
??? (14)內(nèi)帶電源監(jiān)視器；
??? (15)電源配置為VA+=+5 V；VA－=0 V；
??? VD+=+3．3～+5 V。
??? 如圖4所示為CS5460A在單電源單相2線系統(tǒng)的功率測(cè)量方案，該圖用于監(jiān)控電源線電流的電阻分流器聯(lián)接在電源的火線端。

3．2 功率檢測(cè)電路工作原理
??? 首先通過電流互感器獲取高壓電路的互感電流。采用電流互感器這種形式的主要優(yōu)點(diǎn)在于，實(shí)現(xiàn)了高壓與低壓的隔離。由于CS5460A的功率檢測(cè)實(shí)際上是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后的電壓檢測(cè)，所以在電路中由R48、R49將互感電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再通過R50、R51限流和C21、C22濾波后輸入到CS5460A的功率檢測(cè)管腳15、16。另外，在兩路輸人中分別用二極管進(jìn)行電壓嵌位，以避免電壓過高時(shí)損壞CS5460A。CS5460A的3、14腳分別為，模擬、數(shù)字+5 V電源。同時(shí)為了濾除電壓波動(dòng)增加電源的穩(wěn)定性，在兩路電源輸入時(shí)分別加一小濾波電容。由于此為功率檢測(cè)，所以電壓檢測(cè)的兩輸入腳9、10為了避免干擾也應(yīng)接模擬地。13腳VA－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)兩腳接頻率為4．096 MHz的晶振。CS5460A自動(dòng)完成輸入信號(hào)的檢測(cè)，并通過6腳SDO輸出數(shù)據(jù)；同時(shí)，分別由5腳SCLK、7腳CS、19腳R＼E＼S＼、20腳I＼N＼T＼、23腳SDI輸出單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖、片選信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、中斷信號(hào)和單片機(jī)對(duì)CS5460A的控制信號(hào)。由于CS5460A完成了對(duì)模擬信號(hào)的檢測(cè)并以數(shù)字信號(hào)輸出檢測(cè)值，即一個(gè)芯片同時(shí)有模擬、數(shù)字兩種信號(hào)，它需要模擬數(shù)字兩路電源；同時(shí)，其需要接地的管腳一定要正確接相應(yīng)的地，不然將會(huì)引入很大的干擾。

4 控制電路
??? 儀表中，由單片機(jī)P89LPC916控制CS5460A檢測(cè)功率和顯示數(shù)值。電路加電以后通過撥碼開關(guān)對(duì)電路進(jìn)行初始化。通過撥碼開關(guān)輸入單片機(jī)要初始化的電量的代碼，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定好的編碼規(guī)則向CS5460A發(fā)出相應(yīng)的指令，CS5460A根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的指令將相應(yīng)需要初始化的電量的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)值傳給單片機(jī)，單片機(jī)再將此數(shù)據(jù)傳給。X5045并存儲(chǔ)在其中，供CS5460A復(fù)位時(shí)再次獲得校準(zhǔn)值，同時(shí)供單片機(jī)隨時(shí)校準(zhǔn)檢測(cè)值，從而提高精度。X5045中的看門狗電路用于單片機(jī)復(fù)位，即通過編程可選擇3種定時(shí)時(shí)間，當(dāng)單片機(jī)因外界干擾而引起程序陷入死循環(huán)或跑飛狀態(tài)時(shí)，在設(shè)定的定時(shí)時(shí)間內(nèi)，如果沒有對(duì)：X5045進(jìn)行訪問，則X5045的復(fù)位信號(hào)引腳RESET。變?yōu)楦唠娖剑訒r(shí)約200 ms后RESET再變?yōu)榈碗娖健5045的RESET腳接著向IST，X5045發(fā)出復(fù)位信號(hào)引起單片機(jī)復(fù)位，從而避免單片機(jī)死機(jī)，增加了電表的穩(wěn)定性。

5 顯示電路
??? 儀表系統(tǒng)采用7段LED顯示，如圖5所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

??? 文中給出了該新型智能化變換器式功率表的設(shè)計(jì)，綜述了該儀表系統(tǒng)的工作原理和設(shè)計(jì)思想，重點(diǎn)介紹了功率檢測(cè)電路的原理和設(shè)計(jì)。本儀表經(jīng)實(shí)際使用證明，具有體積小、成本低、精度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，有較好的市場(chǎng)前景。此外，還可以針對(duì)不同的用戶，進(jìn)一步修改軟硬件系統(tǒng)，增加功能，滿足用戶實(shí)際需求。