基于電能芯片和AT-Mega16單片機的單相電表計量設計

電能表作為電能計量的專(zhuān)用儀表,在電能管理儀器儀表中占有很大比例,其性能直接影響著(zhù)電能管理的效率和科技水平。從產(chǎn)品的功能、性能及經(jīng)濟效益等多方面來(lái)看,全電子電能表與傳統的感應式電能表相比,存在著(zhù)明顯的優(yōu)勢。而且電能表作為計量管理和用電管理的終端,它所提供的各種功能是實(shí)現電力系統自動(dòng)化管理必不可少的。傳統的測量都是采用A／D轉換電路,但這種方法使部分電參量測量精度欠佳,性?xún)r(jià)比不理想,且軟件編程相對復雜,微控制器必須對采樣電路進(jìn)行數據處理(如電壓、電流的平均值、有效值,有功、無(wú)功計算等)。而隨著(zhù)現代電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,測量電路的集成化、模塊化成為未來(lái)發(fā)展的趨勢,各大器件公司也紛紛推出自己的電能計量芯片。這種集成芯片不僅精確度高,而且硬件、軟件設計簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,性?xún)r(jià)比高,極具市場(chǎng)潛力。本文給出了基于Microchip公司的MCP3906單相電能計量芯片,并以AVR公司的ATMega16為MCU設計開(kāi)發(fā)的一款新型單相電能表實(shí)現方案。與以往電能表相比,該方案具有設計接口簡(jiǎn)單、結構緊湊、可靠性高等特點(diǎn)。

1 MCP3906單相電能計量芯片

MCP3906是Microchip公司推出的單相電能計量芯片,它支持國際電能計量標準技術(shù)規范IEC62053,可提供與平均有功功率成比例的頻率輸出,以及與瞬時(shí)功率成比例的高頻輸出用于電表校準。MCP3906內部包含兩個(gè)16位△-∑ADC,可用于各種IB和IMAX電流和小分流器(200μΩ )的電表設計。該芯片還包含一個(gè)超低溫漂(15ppm／℃)參考電壓,通過(guò)特殊設計的帶隙溫度曲線(xiàn),可在整個(gè)工業(yè)級溫度范圍內使溫度梯度達到最小。固定功能的片上DSP模塊可用于計算有功功率,此外,片上還有驅動(dòng)機械計數器的高輸出驅動(dòng)器,可以減少現場(chǎng)故障和機械計數器咬合。芯片的空載門(mén)限模塊可防止任何電流潛變(Creep)測量,而上電復位(Power on Reset,POR)模塊則可在低電壓時(shí)限制電表測量。因此,MCP3906是具備高現場(chǎng)可靠性的精密電能計量IC,并采用業(yè)界標準的引腳配置。

1.1 MCP3906的內部結構及工作原理

MCP3906是混合模擬／數字信號的CMOS集成電路,其內部結構框圖如圖1所示。

MCP3906可提供與有功功率成比例的頻率輸出和與瞬時(shí)功率成比例的高頻輸出來(lái)用于校準。它的兩個(gè)通道均使用16位二階△-∑ADC,能以MCLK／4的頻率對輸入進(jìn)行采樣,同時(shí)允許對動(dòng)態(tài)范圍很寬的輸入信號進(jìn)行采樣?？删幊淘鲆娣糯笃?Programmable Gain Amplifier,PGA)擴大了電流輸入通道(通道0)的可用范圍。其有功功率的計算以及與計算有關(guān)的濾波均可在數字域中完成,從而提高了其穩定性和溫漂性能。

MCP3906的兩個(gè)數字高通濾波器(HPF1和HPF2)可以濾除兩個(gè)通道的系統偏移量,因此,有功功率的計算不含任何電路或系統偏移量。經(jīng)過(guò)高通濾波后,電壓和電流信號相乘,即可得出瞬時(shí)功率信號。此信號不含直流偏移分量,因此可有效利用求平均法(Averaging Technique)計算出所需的有功功率輸出。

瞬時(shí)功率信號包含的有功功率信息就是瞬時(shí)功率的直流分量。求平均法可用于計算正弦和非正弦波形,以及所有功率因數。瞬時(shí)功率經(jīng)過(guò)低通濾波器(LPF)就可以產(chǎn)生瞬時(shí)有功功率信號。

通過(guò)MCP3906的DTF轉換器可對瞬時(shí)有功功率信息進(jìn)行累加,以產(chǎn)生輸出脈沖,此脈沖的頻率與平均有功功率成比例。FOUT0和FOUT1輸出的低頻脈沖可用于設計驅動(dòng)機電式計數器和雙相步進(jìn)電機,以便顯示實(shí)際消耗的有功功率。每個(gè)脈沖對應于一個(gè)固定的有功電量值,其功能可由F2、F1和F0的邏輯進(jìn)行選擇。HFOUT輸出具有較高的頻率設定和較低的積分周期,可用于表征瞬時(shí)有功功率信號。由于累加時(shí)間較短,該輸出可使用戶(hù)在穩定的負載條件下進(jìn)行快速的校準。

1.2 MCP3906的引腳功能

MCP3906采用24引腳SSOP封裝,其引腳排列如圖2所示。各引腳的功能說(shuō)明如表1所列。