東北電力大學(xué) 郝靜，尹維春

    引言

    電能表作為電能計(jì)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(jì)效益等多方面來(lái)看，全電子電能表與傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表相比，存在著明顯的優(yōu)勢(shì)。而且電能表作為計(jì)量管理和用電管理的終端，它所提供的各種功能是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化管理必不可少的。傳統(tǒng)的測(cè)量都是采用a／d轉(zhuǎn)換電路，但這種方法使部分電參量測(cè)量精度欠佳，性價(jià)比不理想，且軟件編程相對(duì)復(fù)雜，微控制器必須對(duì)采樣電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(如電壓、電流的平均值、有效值，有功、無(wú)功計(jì)算等)。而隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，測(cè)量電路的集成化、模塊化成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，各大器件公司也紛紛推出自己的電能計(jì)量芯片。這種集成芯片不僅精確度高，而且硬件、軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，性價(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(jì)量芯片，并以avr公司的atmega16為mcu設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的一款新型單相電能表實(shí)現(xiàn)方案。與以往電能表相比，該方案具有設(shè)計(jì)接口簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高等特點(diǎn)。

    1 mcp3906單相電能計(jì)量芯片

    mcp3906是microchip公司推出的單相電能計(jì)量芯片，它支持國(guó)際電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)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(zhǔn)。mcp3906內(nèi)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(shè)計(jì)。該芯片還包含一個(gè)超低溫漂(<15ppm／℃)參考電壓，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的帶隙溫度曲線，可在整個(gè)工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)使溫度梯度達(dá)到最小。固定功能的片上dsp模塊可用于計(jì)算有功功率，此外，片上還有驅(qū)動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)器的高輸出驅(qū)動(dòng)器，可以減少現(xiàn)場(chǎng)故障和機(jī)械計(jì)數(shù)器咬合。芯片的空載門(mén)限模塊可防止任何電流潛變(creep)測(cè)量，而上電復(fù)位(power on reset，por)模塊則可在低電壓時(shí)限制電表測(cè)量。因此，mcp3906是具備高現(xiàn)場(chǎng)可靠性的精密電能計(jì)量ic，并采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的引腳配置。

    1.1 mcp3906的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

    mcp3906是混合模擬／數(shù)字信號(hào)的cmos集成電路，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhǔn)。它的兩個(gè)通道均使用16位二階△-∑adc，能以mclk／4的頻率對(duì)輸入進(jìn)行采樣，同時(shí)允許對(duì)動(dòng)態(tài)范圍很寬的輸入信號(hào)進(jìn)行采樣�？删幊淘鲆娣糯笃�(programmable gain amplifier，pga)擴(kuò)大了電流輸入通道(通道0)的可用范圍。其有功功率的計(jì)算以及與計(jì)算有關(guān)的濾波均可在數(shù)字域中完成，從而提高了其穩(wěn)定性和溫漂性能。

    mcp3906的兩個(gè)數(shù)字高通濾波器(hpf1和hpf2)可以濾除兩個(gè)通道的系統(tǒng)偏移量，因此，有功功率的計(jì)算不含任何電路或系統(tǒng)偏移量。經(jīng)過(guò)高通濾波后，電壓和電流信號(hào)相乘，即可得出瞬時(shí)功率信號(hào)。此信號(hào)不含直流偏移分量，因此可有效利用求平均法(averaging technique)計(jì)算出所需的有功功率輸出。

    瞬時(shí)功率信號(hào)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(jì)算正弦和非正弦波形，以及所有功率因數(shù)。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(hào)。

    通過(guò)mcp3906的dtf轉(zhuǎn)換器可對(duì)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(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器和雙相步進(jìn)電機(jī)，以便顯示實(shí)際消耗的有功功率。每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)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(shè)定和較低的積分周期，可用于表征瞬時(shí)有功功率信號(hào)。由于累加時(shí)間較短，該輸出可使用戶在穩(wěn)定的負(fù)載條件下進(jìn)行快速的校準(zhǔn)。

    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。

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