基于CS5463電能測量電路進(jìn)行高速功率計(jì)算

　　CS5463的工作原理

　　電壓和電流通道的輸入模擬信號(hào)送入可編程PGA進(jìn)行增益放大，放大后由△-∑調(diào)制器以一定的采樣速度采樣，采樣的結(jié)果再進(jìn)行高速數(shù)字濾波，得到符合要求的數(shù)字信號(hào)。電壓輸入通道采用二階△-∑調(diào)制器，高速濾波器由一個(gè)固定的Sinc2濾波器實(shí)現(xiàn)；電流通道采用四階△-∑調(diào)制器，并用一個(gè)Sinc4濾波器實(shí)現(xiàn)，與電壓通道的范圍相比，可以在輸入跨度更大的情況下實(shí)現(xiàn)電流通道的精確測量。2個(gè)通道的數(shù)據(jù)接著通過2個(gè)FIR補(bǔ)償濾波器來補(bǔ)償通過低通濾波器后產(chǎn)生的幅值損耗。另外，2個(gè)通道都提供了一個(gè)可選的高通濾波器(HPF)，它可以在有效值、電能計(jì)算之前除去電壓和電流信號(hào)中的直流成分。

　　濾波后的瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量將進(jìn)行偏移量和增益調(diào)整，這是基于DC偏移量寄存器(加法運(yùn)算)和增益寄存器(乘法運(yùn)算)的調(diào)整。調(diào)整后的24位瞬態(tài)數(shù)據(jù)采樣值將存入瞬態(tài)電壓和電流寄存器，用戶可以通過串口從中讀出采樣數(shù)據(jù)。

　　以有功功率的計(jì)算為例，采樣得到瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量，把每對瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)據(jù)相乘，得到瞬時(shí)有功功率的采樣值。每個(gè)A/D采樣周期后，新的瞬態(tài)功率采樣值就存入功率寄存器，N個(gè)瞬時(shí)功率采樣值為一組，每組的值累加和用于計(jì)算以后放在能量寄存器中的數(shù)值，它與電路在N個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期中的有功功率值成正比。同樣原理，電壓和電流有效值也利用最近的N個(gè)瞬態(tài)電壓、電流采樣值計(jì)算，并可從RMS電壓和電流寄存器中讀出。

　　CS5463的串行接口使用了包括2條控制線CS、SCLK和2條數(shù)據(jù)線SDI、SDO的外接方式。串行接口集成了帶有發(fā)送、接收緩沖器的狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)在SCLK的上升沿解析8位命令字，根據(jù)對命令的解碼執(zhí)行相應(yīng)的操作，或者為被尋址的寄存器的數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備，內(nèi)部寄存器都是24位。讀操作需將被尋址的內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送緩沖區(qū)；寫操作在數(shù)據(jù)傳輸前要等24個(gè)SCLK周期。

　　所有的命令字長度均為1個(gè)字節(jié)。寫寄存器命令后必須緊跟1、2或3個(gè)字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)；讀寄存器命令則發(fā)出3字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)的讀和寫通過向串口SDI引腳寫入相應(yīng)的8位命令字(高位在前)來啟動(dòng)。當(dāng)命令包含寫操作時(shí)，串口將在下面24個(gè)SCLK周期記錄SDI引腳的數(shù)據(jù)(從高位開始)。寄存器寫指令后必須跟24位的數(shù)據(jù)，一旦收到數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)便將數(shù)據(jù)寫入配置寄存器，然后等待下一個(gè)命令。啟動(dòng)讀命令后，串口將在下8個(gè)、16個(gè)或24個(gè)SCLK周期啟動(dòng)SDO引腳上的寄存器進(jìn)行內(nèi)容轉(zhuǎn)移(從高位開始)，寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上。讀寄存器時(shí)，微控制器可以同時(shí)發(fā)送新指令，并立即執(zhí)行新指令，同時(shí)終止讀操作?！?p>　　CS5463的典型應(yīng)用

　　首先在線路上串、并聯(lián)適當(dāng)阻值的分壓和分流電阻器，對從電阻器上采樣的電壓信號(hào)進(jìn)行濾波，圖中對稱的阻容濾波器更有助于減小電磁干擾，最后得到符合要求的電壓信號(hào)，送入電路進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。CS5463提供了數(shù)字校準(zhǔn)，用戶通過設(shè)置校準(zhǔn)命令字中的相應(yīng)位來決定執(zhí)行哪種校準(zhǔn)。對于電壓和電流通道，都有AC校準(zhǔn)和DC校準(zhǔn)。

　　該電路中用于監(jiān)測電流的分流電阻器串聯(lián)在電源的火線端，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)住宅電能測量應(yīng)用中，電度表分流器接在火線上有助于發(fā)現(xiàn)竊電行為。從這種類型的分流電阻器得到的共模輸入電壓應(yīng)以火線電壓為參考．這意味著CS5463的輸入共模電壓相對于地電位會(huì)在很高的正電壓和負(fù)電壓之間振蕩。因此，在設(shè)計(jì)CS5463的數(shù)字輸出接口與外部數(shù)字接口(如其他通信網(wǎng)絡(luò))時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。

　　CS5463的數(shù)字串行接口引腳必須與外部數(shù)字接口隔離，使測量端的參考地電位與外部接口地參考地電位不相互影響，另外，CS5463及其電路必須密封絕緣以防觸電。