隨著電能計量行業(yè)從機電儀表轉(zhuǎn)向更精確的固態(tài)儀表，電源系統(tǒng)設(shè)計人員有機會整合以前無法實現(xiàn)的新功能。現(xiàn)在需要的是固態(tài)電表，它們比機電電表更準(zhǔn)確地測量能量，包含多費率計費，并且能夠由公用事業(yè)公司遠(yuǎn)程讀取。本文介紹AD7755電能表集成電路如何用于具有斷電檢測和測量備份功能的三相電能計量，以及遠(yuǎn)程、自動、多速率計量。

AD7755是一款精密（至0.1%）單相電能測量IC。它接受一對表示電源線電壓和電流的電壓輸入。在內(nèi)部，這些信號通過過采樣A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。固定功能的數(shù)字信號處理器連續(xù)將兩個信號相乘;它們的乘積與瞬時功率成正比。經(jīng)過低通濾波后，數(shù)字信號被轉(zhuǎn)換為頻率（根據(jù)可選設(shè)置進行縮放），以在端子F1、F2和CF產(chǎn)生頻率輸出。 F1和F2的信號可用于驅(qū)動機電計數(shù)器（通常以0.5至5 Hz的滿量程速率），而更高頻率的CF信號適用于校準(zhǔn)。脈沖輸出的頻率（或速率）與儀表監(jiān)控的瞬時有功功率成正比。因此，在給定的時間間隔內(nèi)，在這些輸出端產(chǎn)生的脈沖總數(shù)與傳輸?shù)截?fù)載的能量成正比。反極性邏輯信號指示測量的瞬時功率何時變?yōu)樨?fù)（即負(fù)載將凈功率返回到線路）。

圖1.AD7755的原理框圖

CF 頻率輸出是與 F1、F2 輸出成比例的脈沖序列，交流輸入的滿量程輸出速率為 21.76 Hz、43.52 Hz 和 5.57 kHz。它非常適合與執(zhí)行計算和決策的微控制器接口。圖2顯示了三個AD7755（每相一個）如何與微控制器配合使用來制作三相電表。

圖2.基于三相微控制器的電能表功能框圖

微控制器充當(dāng)系統(tǒng)的“大腦”，執(zhí)行所有必需的內(nèi)務(wù)管理任務(wù)，并與其他組件（電能表IC、電源、EEPROM、顯示器和操作儀表的按鈕）進行交互，以查看能量或功率、校準(zhǔn)相位或清除讀數(shù)。除了低成本之外，微控制器的基本要求是：

*足夠的 I/O 來驅(qū)動顯示器。

如果使用LCD顯示屏，則需要驅(qū)動程序。如果未將
LED 顯示屏集成到 MCU 中，則可以通過 3 到 8 解碼器輕松控制 LED 顯示屏。

*中斷。

為避免錯過任何能量指示脈沖，可以將系統(tǒng)配置為
觸發(fā)MCU中的中斷。電源監(jiān)視器在檢測到掉電情況時可以生成
MCU中斷，并啟動
緊急電能測量備份。

*EEPROM串行接口。

只需使用兩條或三條I/O線即可創(chuàng)建簡單的串行接口。
內(nèi)置串行接口的MCU使設(shè)計更加容易。

*定時器。

需要保持兩個主要的時間間隔。首先，必須
將顯示更新速率設(shè)置為大約 2 秒。此外，如果使用LED顯示屏，
計時器必須以足夠的速率循環(huán)顯示數(shù)字，以盡量減少閃爍。
此外，校準(zhǔn)程序必須仔細(xì)定時，但可以使用
中斷后分頻器來實現(xiàn)。

作為一項附加功能，可以使用第二個串行接口與主機系統(tǒng)通信，以進行遠(yuǎn)程/自動計量。此外，可以使用外部或內(nèi)部時鐘來實現(xiàn)多速率計量。

參考設(shè)計

我們采用三相電能表參考設(shè)計（圖2）演示如何將多個AD7755連接至微控制器。它使用Microchip PIC16C67微控制器、串行EEPROM、8位LED顯示屏、用于電流檢測的電流互感器和用于電壓檢測的電阻分壓器。電源由基于變壓器的電源提供，具有功率損耗檢測功能。

AD7755s的模擬接口配有用于電壓通道的分壓器電阻和用于電流通道的電流互感器。電流互感器提供一定程度的電氣隔離，無需在儀表內(nèi)安裝電流檢測分流器。微控制器代碼以 C 編程語言編寫，并已編程到 PIC16C67 中。所使用的特定編譯器還包括一組連接到Microchip串行EEPROM的指令，該EEPROM存儲能量測量數(shù)字和在校準(zhǔn)模式下獲得的計算限值。顯示屏由 8 個 LED 數(shù)字組成，由 3 至 8 解碼器多路復(fù)用。電源使用三個變壓器、一個整流器和一個穩(wěn)壓器將 220V 三相交流電轉(zhuǎn)換為直流電壓，即使一相熄滅也能為電表供電。提供參考設(shè)計數(shù)據(jù)手冊/應(yīng)用筆記。

由于電表決定了用戶的能源成本，因此電能表最重要的要求是隨著時間的推移可靠性和準(zhǔn)確性。能量以相當(dāng)簡單的方式測量 - 通過脈沖極限比較。在這種方法中，微控制器計算相位上的脈沖數(shù)，直到總數(shù)達到校準(zhǔn)限值。此時，能量讀數(shù)按顯示器范圍內(nèi)的最小單位遞增（在本例中為 0.01 kWh）。這種技術(shù)意味著顯示寄存器只需要在必要時更新，并且還避免了可能導(dǎo)致儀表運行效率低下的復(fù)雜數(shù)字操作。

慢速模式下CF的最大輸出頻率為43.52 Hz，或156，672脈沖/小時?？紤]到裕量，可以校準(zhǔn) 220 伏、60 安培的系統(tǒng)，以便 0.01 kWh 的測量能量在 CF 上產(chǎn)生大約 100 個脈沖。 校準(zhǔn)在高頻模式下完成，其中 CF 上的最大頻率快 128 倍，即 5.57 kHz。在校準(zhǔn)期間，線路上的固定功率設(shè)置為在校準(zhǔn)間隔內(nèi)產(chǎn)生 1/128 kWh 的值。由于比例因子為128，當(dāng)AD1返回到低頻模式時，校準(zhǔn)期間計數(shù)的脈沖數(shù)相當(dāng)于7755 kWh。

假設(shè)在此間隔內(nèi)計數(shù)了 10287 個脈沖。然后，顯示器必須每 0.01 個脈沖增加 102.87 kWh，而不是每 100 個脈沖增加一次。這種小數(shù)N分計數(shù)可以通過多種方式完成。例如，在以 100 個增量推進顯示器所需的時間內(nèi)（即，以 1.00 kWH 的步長累積 0.01 kWh），其中 13 個步驟可以通過 102 個脈沖計數(shù)產(chǎn)生，其他 87 個步驟需要計數(shù) 103 個脈沖。已經(jīng)使用的替代方案是，從每步 102 個脈沖開始，每 8 個脈沖增加 10 個脈沖千步進，每 7 個脈沖增加 100 個脈沖千步。

AD7755s上的高頻設(shè)置可在更短的校準(zhǔn)時間（約30秒）內(nèi)產(chǎn)生更好的結(jié)果。由于系統(tǒng)可能的變化和歷史慣例，三相電表的每個相位都是獨立校準(zhǔn)的。

結(jié)論

像上面描述的基本固態(tài)儀表設(shè)計很可能比機電儀表更準(zhǔn)確、更可靠、更便宜，并且將允許增加有利于客戶和公用事業(yè)公司的功能。在不久的將來，公用事業(yè)公司將遠(yuǎn)程監(jiān)控您的能源消耗，并根據(jù)高峰和非周期使用向您收費，甚至（在摩托羅拉系統(tǒng)中）允許您跟蹤使用情況。不僅測量將更加準(zhǔn)確，而且在整個電網(wǎng)中實施的固態(tài)計量可實現(xiàn)更高效的能源管理。

審核編輯：郭婷