基于CS5463的新型多功能電能表電路設(shè)計(jì)

1、基于cs5463的新型多功能電能表電路設(shè)計(jì)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(cè)量范圍小，穩(wěn)定性差，精度低等缺點(diǎn)而不能適應(yīng)社會(huì)進(jìn)展的需要。隨著微技術(shù)和的進(jìn)展和普及，新型智能化測(cè)控技術(shù)快速進(jìn)展。以單片機(jī)為核心的電子式電能表顯示了其顯然的優(yōu)勢(shì)。本文采納單片機(jī)作為儀表的主控制器，并由 logic公司的電能計(jì)量芯片負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，因而具有性價(jià)比高，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。1 工作原理本設(shè)計(jì)采納開(kāi)關(guān)，將220 v溝通市電整流穩(wěn)壓為模擬、數(shù)字兩路+5 v，為囫圇電表電路供電。該系統(tǒng)通過(guò)互感器檢測(cè)電流信號(hào)，而通過(guò)分壓采集電壓信號(hào)，然后將其送入單相功率電能集成芯片cs5463內(nèi)，并在片內(nèi)完

2、成信號(hào)采樣、計(jì)算和誤差校正等。囫圇過(guò)程在單片機(jī)916控制下舉行。其原理框圖1所示。2 專用計(jì)量芯片cs5463cs5463是內(nèi)含兩個(gè)模-數(shù)轉(zhuǎn)換器()、高速電能計(jì)算功能和一個(gè)串行接口的高集成模轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器。它可以精確測(cè)量和計(jì)算有功電能、瞬時(shí)功率、無(wú)功功率、irms和vrms，可用于研制開(kāi)發(fā)單相2線或3線電表。cs5463可以用法低成本的分流器或電流互感器來(lái)測(cè)量電流，并用法分壓電阻或電壓互感器來(lái)測(cè)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具有便利的片上acdc系統(tǒng)校準(zhǔn)功能。其“自引導(dǎo)”的特點(diǎn)使得cs5463能獨(dú)自工作，并在系統(tǒng)上電后自動(dòng)初始化。

3、在自引導(dǎo)模式，cs5463可從一個(gè)外部eep-rom中讀取校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和啟動(dòng)命令。用法該模式，cs5463在工作時(shí)不需要外加微控制器，因此，當(dāng)電表用于大批量住所電能測(cè)量時(shí)，可降低電表的成本。cs5463可以提供瞬時(shí)電壓電流功率數(shù)據(jù)采樣及有功能量、irms、vrms的周期計(jì)算結(jié)果。為適應(yīng)低價(jià)測(cè)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(cè)量舉行了優(yōu)化，適合于與分流器或電流互感器相連來(lái)測(cè)量電流，并與分壓電阻或電壓互感器相連來(lái)測(cè)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(gè)增益可編程(pga)，它可使輸入電平滿量程挑選

4、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(duì)于va+和va-兩端接單+5 v電源的狀況，兩個(gè)通道的差模輸入引腳間所加的共模信號(hào)電壓為-0.25"+5 v。另外，設(shè)計(jì)時(shí)，還可以在某一個(gè)通道或兩個(gè)通道實(shí)現(xiàn)雙端差模輸入，此時(shí)，其輸入信號(hào)的共模電壓將加在agnd上。cs5463每通道都有一個(gè)高速數(shù)字，可將兩個(gè)調(diào)制器的輸出衰減10倍并積分。濾波器以(mclkk)1024的字輸出速率(owr)輸出24位數(shù)據(jù)。為了便利與外部微控制器通訊，cs5463集成有一個(gè)容易的三線串行接口。該串口與spitm和micro wi

5、retm標(biāo)準(zhǔn)兼容。串口的串行時(shí)鐘(sclk)和reset引腳內(nèi)包含有一個(gè)施密特觸發(fā)器，故可允許用法升高速度較慢的信號(hào)。cs5463的主要特性如下：在1000：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，其電能數(shù)據(jù)的線性度為±0.1；可以測(cè)量瞬時(shí)電壓、電流和功率，包括irms和vrms、視在功率、有功和無(wú)功功率以及有功的基波和睦波功率、無(wú)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(zhǔn)和相位補(bǔ)償功能；帶有溫度；具有兩種無(wú)功計(jì)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(zhǔn)；具有機(jī)械計(jì)度器驅(qū)動(dòng)器；符合iec6871036，jis工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；功耗帶有優(yōu)化的分流器接

6、口；帶有單電源地參考信號(hào)；片內(nèi)帶有2.5 v參考電壓(最大溫漂為25ppm/)；帶有容易的三線數(shù)字串行接口；內(nèi)帶電源監(jiān)視器。3 電源電路設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有功耗低，穩(wěn)壓范圍寬，體積小，分量輕，平安牢靠等優(yōu)點(diǎn)，因此，目前電子設(shè)備的穩(wěn)壓電源正逐漸被開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源所取代。本系統(tǒng)中的電源電路2所示。因?yàn)樵跈z測(cè)電路部分要用到cs5463，為了避開(kāi)模數(shù)間的干擾，本系統(tǒng)在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源部分需要有兩路+5 v輸出。溝通電首先經(jīng)過(guò)一個(gè)由保險(xiǎn)絲和壓敏電阻組成的庇護(hù)電路，保險(xiǎn)絲主要起過(guò)流庇護(hù)作用；壓敏電阻則起過(guò)壓庇護(hù)作用。在正常工作狀況下，電路的壓敏電阻相當(dāng)于斷路。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)或受外界影響(如閃電，電源驟然接入等)而

7、引起電壓眨眼激增時(shí)，壓敏電阻會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通，并由壓敏電阻和保險(xiǎn)絲組成回路。因?yàn)楦邏合碌膲好綦娮枳柚递^小，所以回路電流很大，保險(xiǎn)絲自動(dòng)斷開(kāi)，這樣就起到了庇護(hù)內(nèi)部電路的作用。該保險(xiǎn)絲是可以自復(fù)原的，也就是說(shuō)，它可以反復(fù)用法而無(wú)需更換。l1和c1可消退信號(hào)中的尖峰波并抑制干擾。經(jīng)l1、c1濾波后的信號(hào)接入到整流橋，再將從整流橋中輸出的高壓直流信號(hào)經(jīng)過(guò)c2舉行濾波后，即可得到電壓vi。在圖2中，t1為高頻變壓器，它能夠迅速存儲(chǔ)和釋放能量，經(jīng)高頻整流濾波后即可獲得直流延續(xù)輸出。高頻變壓器t1的1腳和3腳為輸入初始繞組，4、5兩腳為反饋繞組，次級(jí)繞組分離為6，9腳和7，10腳(其中1，4，6，7為各繞組的同名

8、端)。并且6，9繞組是主繞組，用它經(jīng)進(jìn)一步變換產(chǎn)生的+5 v直流穩(wěn)壓電源可作為主電壓源，即數(shù)字電壓源(vo1)；7，10繞組為輔繞組，用它經(jīng)c8c11濾波和78l05穩(wěn)壓產(chǎn)生的+5 v直流穩(wěn)壓電源為輔電壓源，即模擬電壓源(vo2)。鑒于在top221y內(nèi)的功率關(guān)斷眨眼，高頻變壓器的漏感會(huì)產(chǎn)生尖峰電壓，另外，在1，3初始繞組上還會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓(即反向電動(dòng)勢(shì))，而且二者又會(huì)疊加在vi上，使電壓嚴(yán)峻增大，因而要求功率mosfet能夠承受高壓。同時(shí)，還必需在漏極增強(qiáng)鉗位電路，以汲取尖峰電壓，庇護(hù)top221y內(nèi)的功率mosfet不受傷害。本設(shè)計(jì)利用r1，c3，zd1，d1組成鉗位電路。當(dāng)mosfet導(dǎo)

9、通時(shí)，t1的初始繞組的電壓極性為(3端)為正，1端為負(fù)，此時(shí)d1截止，鉗位電路不起作用；而在mosfet截止的眨眼，初始繞組變?yōu)?端為正，3端為負(fù)，此時(shí)d2導(dǎo)通，尖峰電壓就被r1和c3汲取掉。4 計(jì)量電路的設(shè)計(jì)電量檢測(cè)電路是該電表設(shè)計(jì)的核心。選用philips公司的p89lpc916是一款低成本的16腳單片封裝的微控制器。該芯片適合于許多要求高集成度低成本的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求。p89lpc916采納了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，命令執(zhí)行時(shí)光只需24個(gè)時(shí)鐘周期，其速度6倍于標(biāo)準(zhǔn)80c51器件。因?yàn)閜89lpc916集成了許多系統(tǒng)級(jí)功能，故可大大削減元件的數(shù)目和電路板面積，提高電路牢靠性，并降

10、低系統(tǒng)的成本。本儀表由p89lpc916控制cs5463的檢測(cè)過(guò)程和數(shù)值顯示。電路上電以后，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)可對(duì)電路舉行初始化。通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)輸入單片機(jī)要初始化的電量代碼后，再由單片機(jī)按照設(shè)定好的編碼規(guī)章向cs5463發(fā)出相應(yīng)的命令，cs5463按照單片機(jī)發(fā)來(lái)的命令將相應(yīng)的要初始化的電量的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)值傳給單片機(jī)，單片機(jī)再將此數(shù)據(jù)傳給x5045并存儲(chǔ)在其中，以供cs5463復(fù)位時(shí)再次獲得校準(zhǔn)值，并供單片機(jī)用于隨時(shí)校準(zhǔn)檢測(cè)值，從而提高精度。也就是說(shuō)，在lpc916的控制下，由cs5463檢測(cè)電信號(hào)并輸出測(cè)量值給單片機(jī)，其中x5045可存放標(biāo)準(zhǔn)校正當(dāng)。該計(jì)量電路中的控制模塊3所示。該電壓采樣電路由電阻網(wǎng)絡(luò)、

11、過(guò)壓庇護(hù)及去顫動(dòng)電容組成。為保證采樣精度，電阻應(yīng)所有采納高穩(wěn)定度的精密電阻。本系統(tǒng)中的電流采樣電路由電流互感器、過(guò)壓庇護(hù)、電阻網(wǎng)絡(luò)和去顫動(dòng)電容組成。采納電流互感器的主要優(yōu)點(diǎn)在于可實(shí)現(xiàn)高壓與低壓的隔離。因?yàn)閏s5463的電流檢測(cè)事實(shí)上是將電流信號(hào)改變?yōu)殡妷盒盘?hào)后的電壓檢測(cè)，所以，在電路中，先由采樣電阻將互感電流改變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再通過(guò)限流電阻和電容濾波后輸人到cs5463的電流檢測(cè)管腳(16、15腳)。另外，在兩路輸入中，還分離用舉行電壓嵌位，以避開(kāi)電壓過(guò)高損壞cs5463。cs5463的3、14腳分離為模擬、數(shù)字+5v電源。同時(shí)，為了濾除電壓波動(dòng)，增強(qiáng)電源的穩(wěn)定性，在兩路電源輸入時(shí)，分離加了濾波

12、電容。因?yàn)榇藶殡娏鳈z測(cè)，所以電壓檢測(cè)的兩輸入腳9和10也應(yīng)接模擬地以避開(kāi)干擾。另外，13腳va要接模擬地，4腳dgnd接數(shù)字地，模擬地和數(shù)字地之間用銜接。1、24(xout，xin)兩腳接4.096 nhz的晶振。并用程序控制cs5463自動(dòng)完成輸入信號(hào)的檢測(cè)，同時(shí)通過(guò)6腳sdo輸出數(shù)據(jù)；而分離由5腳sclk、7腳、19腳res、20腳int、23腳sdi輸出單片機(jī)的時(shí)鐘脈沖、片選信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、中斷信號(hào)以及單片機(jī)對(duì)cs5463的控制信號(hào)。因?yàn)閏s5463要完成對(duì)模擬信號(hào)的檢測(cè)并以數(shù)字信號(hào)輸出檢測(cè)值，即一個(gè)芯片同時(shí)有模擬、數(shù)字兩種信號(hào)，因而需要模擬和數(shù)字兩路電源；同時(shí)，其需要接地的管腳一定要正確接相應(yīng)的地，不然將會(huì)引入很大的干擾。5 顯示電路本儀表系統(tǒng)采納七段顯示。移位寄存器74hc164的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)提供。從單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，先輸出低位，后輸出高位。數(shù)據(jù)首先傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)顯示高位數(shù)碼管的74hc164，每當(dāng)?shù)絹?lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，數(shù)