CS5463的高速功率計算

CS5463可以通過(guò)使用低成本的分壓電阻器或電壓互感器測量電壓，使用分流器或電流互感器測量電流。

　　從而計算出有功功率，因此該電路特別適用于開(kāi)發(fā)單相2線(xiàn)、3線(xiàn)用電表。與上代的CS5460相比，CS5463還能提供視在功率、無(wú)功功率等多種參數計算，可滿(mǎn)足設計者的多方面需求。此外，CS5463片內還帶有溫度傳感器，有助于設計者調整溫度漂移誤差，提高測量精度。

　　CS5463的主要特點(diǎn)：
　　(1)電能數據在1000：l動(dòng)態(tài)范圍內的線(xiàn)性度為±0.1%；
　　(2)精確測量瞬時(shí)電壓、電流、功率以及電壓、電流有效值；
　　(3)計算視在、有功和無(wú)功功率，基波有功、諧波功率和功率因數；
　　(4)電能/脈沖轉換功能；
　　(5)低功耗(小于12 mW)；
　　(6)單電源地參考信號；
　　(7)內置電源監視器；
　　(8)從串行EEPROM“自引導”，可以不用微控制器；
　　(9)簡(jiǎn)單的3線(xiàn)數字串行接口；
　　(10)優(yōu)化的分流電阻器的輸入接口；
　　(11)帶有溫度傳感器；
　　(12)具有機械計數器/步進(jìn)電機的驅動(dòng)器

　　CS5463由2個(gè)可編程增益放大器、2個(gè)△-∑調制器、配套的高速濾波器、功率計算引擎、偏置和增益校正、功率監測、串行接口及相應功能寄存器等組成。2個(gè)可編程放大器采集電壓和電流數據，△-∑調制器對模擬量采樣處理，高速數字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數字信號，功率計算引擎計算各類(lèi)型的功率，電壓、電流，并將計算的功率值通過(guò)串行接口對外輸出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。該電路還有能量脈沖信號輸出模塊，可以直接外接計數器或步進(jìn)電機，從而省去微控制器而直接外送用電量，降低電表類(lèi)產(chǎn)品的成本。

　　引腳功能
　　VA+/VA-：正負模擬電源，+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供電；
　　VD+/DGND：數字電源和數字地，+5V/0V供電；
　　PFMON：掉電監視器，監視模擬電源狀況。
　　VIN+/VIN-：電壓通道的差模模擬輸入，范圍是±250mV；
　　IIN+/IIN-：電流通道的差模模擬輸入，范圍是±50 mV(PGA設置為50×時(shí))；
　　VREFIN/VREFOUT：參考電壓輸入/輸出，為片上調制器提供參考電壓及其輸出，通常為2.5 V。
　　MODB模式選擇，用于配置CS5463自引導模式；
　　RESET/INT：復位及中斷；
　　CS：片選信號，為低電平時(shí)，端口可識別串行時(shí)鐘等信號。
　　SCLK：串行時(shí)鐘輸入，該時(shí)鐘信號確定SDI、SDO的輸入/輸出速率，只在CS低電平時(shí)有效；
　　SDI/SDO：串行數據輸入/輸出；
　　E1/E2/E3(EOUT)：能量輸出，輸出低電平有效、頻率和能量成比例關(guān)系的脈沖，3個(gè)引腳分別對應有功功率、視在功率和無(wú)功功率。CS5463的工作原理

　　電壓和電流通道的輸入模擬信號送入可編程PGA進(jìn)行增益放大，放大后由△-∑調制器以一定的采樣速度采樣，采樣的結果再進(jìn)行高速數字濾波，得到符合要求的數字信號。電壓輸入通道采用二階△-∑調制器，高速濾波器由一個(gè)固定的Sinc2濾波器實(shí)現；電流通道采用四階△-∑調制器，并用一個(gè)Sinc4濾波器實(shí)現，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)現電流通道的精確測量。2個(gè)通道的數據接著(zhù)通過(guò)2個(gè)FIR補償濾波器來(lái)補償通過(guò)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、電能計算之前除去電壓和電流信號中的直流成分。

　　濾波后的瞬態(tài)電壓和電流的數字量將進(jìn)行偏移量和增益調整，這是基于DC偏移量寄存器(加法運算)和增益寄存器(乘法運算)的調整。調整后的24位瞬態(tài)數據采樣值將存入瞬態(tài)電壓和電流寄存器，用戶(hù)可以通過(guò)串口從中讀出采樣數據。

　　以有功功率的計算為例，采樣得到瞬態(tài)電壓和電流的數字量，把每對瞬態(tài)電壓和電流的數據相乘，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算以后放在能量寄存器中的數值，它與電路在N個(gè)A/D轉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(xiàn)CS、SCLK和2條數據線(xiàn)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，狀態(tài)機在SCLK的上升沿解析8位命令字，根據對命令的解碼執行相應的操作，或者為被尋址的寄存器的數據傳輸做準備，內部寄存器都是24位。讀操作需將被尋址的內部寄存器的數據傳送到發(fā)送緩沖區；寫(xiě)操作在數據傳輸前要等24個(gè)SCLK周期。

　　所有的命令字長(cháng)度均為1個(gè)字節。寫(xiě)寄存器命令后必須緊跟1、2或3個(gè)字節的寄存器數據；讀寄存器命令則發(fā)出3字節的寄存器數據。

　　數據的讀和寫(xiě)通過(guò)向串口SDI引腳寫(xiě)入相應的8位命令字(高位在前)來(lái)啟動(dòng)。當命令包含寫(xiě)操作時(shí)，串口將在下面24個(gè)SCLK周期記錄SDI引腳的數據(從高位開(kāi)始)。寄存器寫(xiě)指令后必須跟24位的數據，一旦收到數據，狀態(tài)機便將數據寫(xiě)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)行內容轉移(從高位開(kāi)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，并立即執行新指令，同時(shí)終止讀操作?！?/span>

　　CS5463的典型應用

　　首先在線(xiàn)路上串、并聯(lián)適當阻值的分壓和分流電阻器，對從電阻器上采樣的電壓信號進(jìn)行濾波，圖中對稱(chēng)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，送入電路進(jìn)行實(shí)時(shí)計算。CS5463提供了數字校準，用戶(hù)通過(guò)設置校準命令字中的相應位來(lái)決定執行哪種校準。對于電壓和電流通道，都有AC校準和DC校準。

　　該電路中用于監測電流的分流電阻器串聯(lián)在電源的火線(xiàn)端，因為在大多數住宅電能測量應用中，電度表分流器接在火線(xiàn)上有助于發(fā)現竊電行為。從這種類(lèi)型的分流電阻器得到的共模輸入電壓應以火線(xiàn)電壓為參考．這意味著(zhù)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電壓之間振蕩。因此，在設計CS5463的數字輸出接口與外部數字接口(如其他通信網(wǎng)絡(luò ))時(shí)應謹慎。

　　CS5463的數字串行接口引腳必須與外部數字接口隔離，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。