電能測量芯片ADE7757的性能特點及實現(xiàn)電能測量儀表的設計

１、概述

ＡＤＥ７７５７是美國ＡＤ公司推出的高精度電能測量集成芯片。與原有的同系列ＡＤＥ７７５５相比，其芯片引腳較少，且內置了一個精確的振蕩器電路來給芯片提供時鐘。這就使得使用ＡＤＥ７７５７的儀表省掉了外部晶體或者共振器，因此可以降低總體成本。

該芯片的內部電路除了ＡＤＣ和參考電路是模擬電路外，其余均為數(shù)字電路，因此芯片在長時間與極端工作條件下具有卓越的穩(wěn)定性與精度。

ＡＤＥ７７５７可在低頻輸出引腳Ｆ１、Ｆ２上輸出平均有功功率，并可直接驅動一個機電計數(shù)器或與ＭＣＵ的接口。而高頻ＣＦ邏輯則可輸出用于校準的瞬時有功功率。ＡＤＥ７７５７的基本特性和參數(shù)如下：

● 帶有片內振蕩器，可作為時鐘源；

● 精度高，且與５０Ｈｚ／６０Ｈｚ的ＩＥＣ５２１／１０３６標準兼容；

● 邏輯輸出引腳ＲＥＶＰ可用來指示可能的接線錯誤或負功率；

● 帶有片內電源監(jiān)視器；

● 采用單５Ｖ電源，功耗較低；

● 采用交流輸入。

２、內部結構及引腳功能

ＡＤＥ７７５７是１６腳ＳＯＩＣ封裝，圖１為其內部結構框圖，各引腳的功能見表１所列。

表1 ADE7757的引腳功能

３、ＡＤＥ７７５７的原理特性

圖１所示是ＡＤＥ７７５７的內部原理圖，圖中，兩個ＡＤＣ電路將電流傳感器和電壓傳感器送入的電壓信號進行數(shù)字化。這個模擬輸入結構大大簡化了傳感器接口電路，并提供了很大的動態(tài)范圍，同時簡化了濾波器的設計。電流通道（Ｖ１通道）的高通濾波器（ＨＰＦ）去掉了電流信號里的全部直流成分，從而減少了有功功率計算中由電壓或電流信號偏移帶來的不精確性。

有功功率的計算可由瞬時功率信號獲得。瞬時功率等于電流與電壓信號的乘積。

低頻輸出Ｆ１、Ｆ２可由有功功率的積累來獲得。低頻意味著在輸出脈沖之間的長時間積累。因此，輸出頻率正比于平均有功功率。平均有功功率的信息積累（如用一計數(shù)器）可得到有功能量。相反地，ＣＦ腳輸出高頻率可縮短積累時間，其輸出頻率正比于瞬時有功功率。

３．１片內振蕩器（ＯＳＣ）

ＡＤＥ７７５７的片內振蕩器頻率與內部振蕩器的使能端ＲＣＬＫＩＮ的外接電阻成反比。外接電阻為５．５～２０ｋΩ時，振蕩器可正常工作，但一般選用５．５～６．４ｋΩ的范圍。當ＲＣＬＫＩＮ接６．２ｋΩ電阻時，內部振蕩器的頻率為４６６ｋＨｚ。因為輸出頻率是與振蕩器頻率直接成比例的，因此外接電阻必須具有低公差和低溫度漂移等特性，以保證芯片的穩(wěn)定性與線性度。

３．２電流與電壓通道的模擬輸入

通常電流傳感器的電壓輸出可由通道Ｖ１接入ＡＤＥ７７５７芯片。通道Ｖ１是一個全微分電壓輸入通道，Ｖ１Ｐ是正極輸入，Ｖ１Ｎ是負極輸入。特殊應用時，通道Ｖ１的最大微分信號應小于±３０ｍＶ（相對于ＡＧＮＤ），普通應用時為±６．２５ｍＶ。通道Ｖ１的典型連接電路如圖２所示，該圖中的電流傳感器實際上是一分流電阻，相對于其它電流傳感器（如電流變壓器），該分流電阻的功耗較低，這更有利于小電流儀表。

電壓傳感器的電壓輸出則由通道Ｖ２接入ＡＤＥ７７５７芯片。通道Ｖ２也是一個全微分電壓輸入通道，Ｖ２Ｐ是正極輸入，Ｖ２Ｎ是負極輸入。其最大微分信號為±１６５ｍＶ。輸入電壓以ＡＧＮＤ為參考。通道Ｖ２的典型連接電路見圖３。典型情況下，ＡＤＥ７７５７相對于中性線有一個偏差，可用一個電阻分配器提供一個正比于線電壓的電壓信號。另外，調整Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｆ的比例也是調整儀表增益刻度的有效方法。

３．３數(shù)／頻轉換

如前所述，低通濾波器（ＬＰＦ）的數(shù)字輸出中包括有功功率信息。然而由于ＬＰＦ不是理想的濾波器，因此輸出信號還包括有削弱了的線頻率及其諧波成分ｃｏｓ（ｈωｔ），其中ｈ＝１，２，３……。由于瞬時功率計算的原因，主要諧波成分為線頻率的兩倍，即２ω。實際上，ＬＰＦ輸出的瞬時有功功率信號仍包括了大量的瞬時功率信息，例如ｃｏｓ（２ωｔ）。

此信號被送入數(shù)字頻率轉換器并經(jīng)過積累，即可得到輸出頻率。信號的積累可以減少瞬時有功功率信號中的任何非直流成分。另外，由于正弦信號的平均值為０，因此ＡＤＥ７７５７產(chǎn)生的頻率與平均有功功率成比例。

頻率輸出ＣＦ隨著時間而變化的原因主要是瞬時有功功率信號中的ｃｏｓ（２ωｔ）成分所致。ＣＦ輸出的頻率可以達到Ｆ１和Ｆ２輸出頻率的２０４８倍，這個高頻輸出是在數(shù)字轉換為頻率時積累了很短的時間而產(chǎn)生的。積累時間很短意味著只包括很少的ｃｏｓ（２ωｔ）成分，這就使得一些瞬時有功功率信號通過了數(shù)字頻率轉換器。這在實際應用中不成問題，因為當ＣＦ用作校準時，頻率將會通過頻率計數(shù)器來平均，由此去掉波紋。

由于Ｆ１和Ｆ２的輸出頻率很低，因此引入了很多的瞬時有功功率信號的平均值，所以輸出的是大大削弱了正弦成分的頻率。

３．４傳輸函數(shù)

ａ．Ｆ１和Ｆ２的頻率輸出

如前所述，Ｆ１和Ｆ２的頻率輸出是對有功功率信號較長時間的積累，它與平均有功功率成比例。輸出頻率與輸入電壓和電流信號的關系如下：

Ｆｒｅｑ＝（５１５．８４Ｖ１ｒｍｓＶ２ｒｍｓＦ１－４）／Ｖ２ｒｅｆ其中，Ｆｒｅｑ為Ｆ１和Ｆ２的輸出頻率，單位為Ｈｚ，Ｖ１ｒｍｓ和Ｖ２ｒｍｓ是通道Ｖ１和Ｖ２的差分電壓信號輸入（Ｖ），Ｖｒｅｆ為參考電壓（２．５Ｖ±８％），Ｆ１－４是表２中由邏輯輸入Ｓ０和Ｓ１選擇的四種可能的頻率之一。

ｂ．ＣＦ的頻率輸出

表３所列為ＣＦ最大輸出頻率與Ｆ１、Ｆ２之間的關系。當邏輯輸入ＳＣＦ為０，而Ｓ１和Ｓ０為１時，其最大值為２．８６７ｋＨｚ。

３．５ＡＤＥ７７５７與微控制器的接口

ＡＤＥ７７５７與微控制器最簡易的連接方式可利用ＣＦ的高頻輸出來完成。連接時，可將ＣＦ設置為最大輸出頻率（如圖４所示），并將ＣＦ連接至ＭＣＵ計數(shù)器或接口，然后在ＭＣＵ內部定時器規(guī)定的時間內計數(shù)脈沖，并取平均功率等于平均頻率，同時，該值也等于計數(shù)所得值與計數(shù)時間的比值。這樣，此計數(shù)時間內所消耗的能量為平均功率與時間的乘積，也就是說計數(shù)值／時間與時間乘積的計數(shù)值。

４、應用電路

利用ＡＤＥ７７５７可以很方便地構成一個完整的低成本、微功耗的電能測量儀表。圖５為其應用電路，圖中，Ａ３和Ａ４接入電流傳感器送來的電壓信號，并經(jīng)電容濾波后送入Ｖ１通道。Ａ１和Ａ２接入電壓傳感器送來的電壓信號并經(jīng)可變電阻（用來調節(jié)精度）送入Ｖ２通道。Ａ７、Ａ８接到記度器，用ＣＦ輸出的脈沖來驅動記度器走字。Ａ５、Ａ６輸出Ｆ１和Ｆ２的脈沖可接到脈沖線。其中，ＶＤ３用來指示輸出的脈沖，ＶＤ４指示反向輸入，７８Ｌ０５用來給ＡＤＥ７７５７提供＋５Ｖ電源。ＲＣＬＫＩＮ直接接６．２ｋΩ電阻，從而使該電路不用外加振蕩器。