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          多功能電能表的電路設(shè)計

          作者: 時間:2012-10-11 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            0 引言

            傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表用其結(jié)構(gòu)和原理上的制約,通常存在著測量范圍小,穩(wěn)定性差,精度低等缺點而不能適應(yīng)社會發(fā)展的需要。隨著微電子技術(shù)和單片機的發(fā)展和普及,新型智能化測控技術(shù)迅速發(fā)展。以單片機為核心的電子式電能表顯示了其明顯的優(yōu)勢。本文采用單片機作為儀表的主控制器,并由Cirrus Logic公司的電能計量芯片負責(zé),因而具有性價比高,抗干擾能力強,測量精度高等優(yōu)點。

            1 電路工作原理

            本設(shè)計采用開關(guān)穩(wěn)壓電源,將220 V交流市電整流穩(wěn)壓為模擬、數(shù)字兩路+5 V電壓,為整個電表電路供電。該系統(tǒng)通過電流互感器檢測電流信號,而通過分壓電阻采集電壓信號,然后將其送入單相功率/電能集成芯片內(nèi),并在片內(nèi)完成信號采樣、計算和誤差校正等。整個過程在單片機PLC916控制下進行。其原理框圖如圖1所示。

            

            2 專用計量芯片

            是內(nèi)含兩個△∑模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、高速電能計算功能和一個串行接口的高集成△∑?!D(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、無功功率、IRMS和VRMS,可用于研制開發(fā)單相2線或3線電表。CS5463可以使用低成本的分流器或電流互感器來測量電流,并使用分壓電阻或電壓互感器來測量電壓。CS5463具有與微控制器通訊的雙向串口,其芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5463具有方便的片上AC/DC系統(tǒng)校準功能。其“自引導(dǎo)”的特點使得CS5463能獨自工作,并在系統(tǒng)上電后自動初始化。在自引導(dǎo)模式,CS5463可從一個外部EEP-ROM中讀取校準數(shù)據(jù)和啟動指令。使用該模式,CS5463在工作時不需要外加微控制器,因此,當電表用于大批量住宅電能測量時,可降低電表的成本。

            CS5463可以提供瞬時電壓/電流/功率數(shù)據(jù)采樣及有功能量、IRMS、VRMS的周期計算結(jié)果。為適應(yīng)低價測量應(yīng)用,CS5463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。CS5463專為功率測量進行了優(yōu)化,適合于與分流器或電流互感器相連來測量電流,并與分壓電阻或電壓互感器相連來測量電壓。為適應(yīng)不同電平的輸入電壓,CS5463的電流通道集成有一個增益可編程放大器(PGA),它可使輸入電平滿量程選擇為±250 mVRMS或±50 mVRMS。電壓通道的PGA可適應(yīng)±250 mV的輸入電壓范圍。對于VA+和VA-兩端接單+5 V電源的情況,兩個通道的差模輸入引腳間所加的共模信號電壓為-0.25~+5 V。另外,設(shè)計時,還可以在某一個通道或兩個通道實現(xiàn)雙端差模輸入,此時,其輸入信號的共模電壓將加在AGND上。CS5463每通道都有一個高速數(shù)字濾波器,可將兩個△∑調(diào)制器的輸出衰減10倍并積分。濾波器以(MCLK/K)/1024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,CS5463集成有一個簡單的三線串行接口。該串口與SPITM和Micro wireTM標準兼容。串口的串行時鐘(SCLK)和RESET引腳內(nèi)包含有一個施密特觸發(fā)器,故可允許使用上升速度較慢的信號。

            CS5463的主要特性如下:

            ◇在1000:1的動態(tài)范圍內(nèi),其電能數(shù)據(jù)的線性度為±0.1%;

            ◇可以測量瞬時電壓、電流和功率,包括IRMS和VRMS、視在功率、有功和無功功率以及有功的基波和諧波功率、無功的基波功率、功率因數(shù)、頻率等;

            ◇具有電能-脈沖轉(zhuǎn)換功能;

            ◇具有系統(tǒng)校準和相位補償功能;

            ◇帶有溫度傳感器;

            ◇具有兩種無功計算方式;

            ◇可以從串行EEPROM智能“自引導(dǎo)”,而不需要微控制器;

            ◇可AC或DC系統(tǒng)校準;

            ◇具有機械計度器/步進電機驅(qū)動器;

            ◇符合IEC687/1036,JIS工業(yè)標準;

            ◇功耗12mW;

            ◇帶有優(yōu)化的分流器接口;

            ◇帶有單電源地參考信號;

            ◇片內(nèi)帶有2.5 V參考電壓(最大溫漂為25ppm/℃);

            ◇帶有簡單的三線數(shù)字串行接口;

            ◇內(nèi)帶電源監(jiān)視器。

            3 電源電路設(shè)計

            開關(guān)穩(wěn)壓電源具有功耗低,穩(wěn)壓范圍寬,體積小,重量輕,安全可靠等優(yōu)點,因此,目前電子設(shè)備的變壓器穩(wěn)壓電源正逐漸被開關(guān)穩(wěn)壓電源所取代。本系統(tǒng)中的電源電路如圖2所示。由于在檢測電路部分要用到CS5463,為了避免模數(shù)間的干擾,本系統(tǒng)在開關(guān)穩(wěn)壓電源部分需要有兩路+5 V輸出。

            交流電首先經(jīng)過一個由保險絲和壓敏電阻組成的保護電路,保險絲主要起過流保護作用;壓敏電阻則起過壓保護作用。在正常工作情況下,電路的壓敏電阻相當于斷路。當電網(wǎng)電壓波動或受外界影響(如閃電,電源突然接入等)而引起電壓瞬間激增時,壓敏電阻會自動導(dǎo)通,并由壓敏電阻和保險絲組成回路。由于高壓下的壓敏電阻阻值較小,所以回路電流很大,保險絲自動斷開,這樣就起到了保護內(nèi)部電路的作用。該保險絲是可以自恢復(fù)的,也就是說,它可以反復(fù)使用而無需更換。

            

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