CS5463型電能測量電路的原理及應用

2020-12-21 電子產品世界

　　1 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/79139.htm

　　CS5463是帶有串行接口和△-∑模/數轉換器，能夠進行高速功率(電能)計算的高度集成電路。CS5463可以通過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於開發單相2線、3線用電錶。與上代的CS5460相比，CS5463還能提供視在功率、無功功率等多種參數計算，可滿足設計者的多方面需求。此外，CS5463片內還帶有溫度傳感器，有助於設計者調整溫度漂移誤差，提高測量精度。

　　2 CS5463的主要特點

　　CS5463的特性如下：

　　(1)電能數據在1000：l動態範圍內的線性度為±0.1%;

　　(2)精確測量瞬時電壓、電流、功率以及電壓、電流有效值;

　　(3)計算視在、有功和無功功率，基波有功、諧波功率和功率因數;

　　(4)電能/脈衝轉換功能;

　　(5)低功耗(小於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)簡單的3線數字串行接口;

　　(10)優化的分流電

　　阻器的輸入接口;

　　(11)帶有溫度傳感器;

　　(12)具有機械計數器/步進電機的驅動器

　　3 內部結構和引腳功能

　　3.1 內部結構

　　CS5463的內部結構框圖如圖1所示，它由2個可編程增益放大器、2個△-∑調製器、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個可編程放大器採集電壓和電流數據，△-∑調製器對模擬量採樣處理，高速數字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數位訊號，功率計算引擎計算各類型的功率，電壓、電流，並將計算的功率值通過串行接口對外輸出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。該電路還有能量脈衝信號輸出模塊，可以直接外接計數器或步進電機，從而省去微控制器而直接外送用電量，降低電錶類產品的成本。

　　

 

　　3.2 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，範圍是±250mV;

　　IIN+/IIN-：電流通道的差模模擬輸入，範圍是±50 mV(PGA設置為50×時);

　　VREFIN/VREFOUT：參考電壓輸入/輸出，為片上調製器提供參考電壓及其輸出，通常為2.5 V。

　　MODB模式選擇，用於配置CS5463自引導模式;

　　RESET/INT：復位及中斷;

　　CS：片選信號，為低電平時，埠可識別串行時鐘等信號。

　　SCLK：串行時鐘輸入，該時鐘信號確定SDI、SDO的輸入/輸出速率，只在CS低電平時有效;

　　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係的脈衝，3個引腳分別對應有功功率、視在功率和無功功率。

　　4 CS5463的工作原理

　　4.1 輸入濾波

　　電壓和電流通道的輸入模擬信號送入可編程PGA進行增益放大，放大後由△-∑調製器以一定的採樣速度採樣，採樣的結果再進行高速數字濾波，得到符合要求的數位訊號。電壓輸入通道採用二階△-∑調製器，高速濾波器由一個固定的Sinc2濾波器實現;電流通道採用四階△-∑調製器，並用一個Sinc4濾波器實現，與電壓通道的範圍相比，可以在輸入跨度更大的情況下實現電流通道的精確測量。2個通道的數據接著通過2個FIR補償濾波器來補償通過低通濾波器後產生的幅值損耗。另外，2個通道都提供了一個可選的高通濾波器(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。

　　4.2 增益及DC偏移量調整

　　濾波後的瞬態電壓和電流的數字量將進行偏移量和增益調整，這是基於DC偏移量寄存器(加法運算)和增益寄存器(乘法運算)的調整。調整後的24位瞬態數據採樣值將存入瞬態電壓和電流寄存器，用戶可以通過串口從中讀出採樣數據。

　　4.3 能量計算

　　以有功功率的計算為例，採樣得到瞬態電壓和電流的數字量，把每對瞬態電壓和電流的數據相乘，得到瞬時有功功率的採樣值。每個A/D採樣周期後，新的瞬態功率採樣值就存入功率寄存器，N個瞬時功率採樣值為一組，每組的值累加和用於計算以後放在能量寄存器中的數值，它與電路在N個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個瞬態電壓、電流採樣值計算，並可從RMS電壓和電流寄存器中讀出。

　　4.4 串行接口

　　CS5463的串行接口使用了包括2條控制線CS、SCLK和2條數據線SDI、SDO的外接方式。串行接口集成了帶有發送、接收緩衝器的狀態機，狀態機在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送緩衝區;寫操作在數據傳輸前要等24個SCLK周期。

　　所有的命令字長度均為1個字節。寫寄存器命令後必須緊跟1、2或3個字節的寄存器數據;讀寄存器命令則發出3位元組的寄存器數據。圖2和圖3分別示出串口緩衝區的讀、寫時序。

　　

 

　　數據的讀和寫通過向串口SDI引腳寫入相應的8位命令字(高位在前)來啟動。當命令包含寫操作時，串口將在下面24個SCLK周期記錄SDI引腳的數據(從高位開始)。寄存器寫指令後必須跟24位的數據，一旦收到數據，狀態機便將數據寫入配置寄存器，然後等待下一個命令。啟動讀命令後，串口將在下8個、16個或24個SCLK周期啟動SDO引腳上的寄存器進行內容轉移(從高位開始)，寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上。讀寄存器時，微控制器可以同時發送新指令，並立即執行新指令，同時終止讀操作。

　　5 CS5463的典型應用

　　圖4所示是以CS5463為核心的住宅用220V單相電源(圖中為2線式)系統的典型功率測量連接方式。首先在線路上串、並聯適當阻值的分壓和分流電阻器，對從電阻器上採樣的電壓信號進行濾波，圖中對稱的阻容濾波器更有助於減小電磁幹擾，最後得到符合要求的電壓信號，送入電路進行實時計算。CS5463提供了數字校準，用戶通過設置校準命令字中的相應位來決定執行哪種校準。對於電壓和電流通道，都有AC校準和DC校準。

　　

 

　　該電路中用於監測電流的分流電阻器串聯在電源的火線端，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上有助於發現竊電行為。從這種類型的分流電阻器得到的共模輸入電壓應以火線電壓為參考.這意味著CS5463的輸入共模電壓相對於地電位會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(如其他通信網絡)時應謹慎。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。

相關焦點

  • 壓阻式傳感器的工作原理及應用電路
    打開APP 壓阻式傳感器的工作原理及應用電路 電工基礎 發表於 2020-03-15 15:15:00 由於矽壓阻式壓力傳感器的靈敏係數比金屬應變的靈敏係數大50～100倍，故矽壓阻式壓力傳感器的滿量程輸出可達幾十毫伏至二百多毫伏，有時不需要放大就可直接測量。另外壓阻式傳感器還有易於微型化、測量範圍寬、頻率響應好（可測幾千赫茲的脈動壓力）和精度高等特點。但在使用過程中，要注意矽壓阻式壓力傳感器對溫度很敏感，在具體的應用電路中要採用溫度補償。
  • 卡特320D型挖掘機發動機控制電路原理
    卡特320D型挖掘機發動機控制電路原理 2016-12-14 10
  • 永磁直驅風力發電系統的電能變換電路設計
    2 改造後的直驅風力發電系統　　2.1 風力發電系統的基本組成　　針對直驅風力發電的特性，研究設計的風力發電系統應由風輪機、永磁同步發電機、電能變換裝置(整流器、直流調壓裝置、逆變器)、控制器、洩能負載、蓄電池、制動剎車裝置和用戶負載等組成，其設計研究的永磁直驅風力發電系統的結構組成原理圖如圖2所示。
  • MOSFET與MOSFET驅動電路原理及應用
    包括MOS管的介紹，特性，驅動以及應用電路。　本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/166816.htm在使用MOS管設計開關電源或者馬達驅動電路的時候，大部分人都會考慮MOS的導通電阻，最大電壓等，最大電流等，也有很多人僅僅考慮這些因素。
  • 數字溫度計應用電路原理圖
    以前一般採用玻璃液體溫度計、雙金屬溫度計、壓力式溫度計、熱電偶、熱電阻和非接觸式溫度計等進行溫度測量。其中熱電偶的溫度測量範圍較寬，它無需使用驅動電源即可直接產生電壓（溫差電勢）信號，該信號既可用直流測量儀器（如電位差計、數字電壓表、毫伏計等）讀取，以通過熱電偶溫度特性分度表查出對應的溫度；也可以用線性校正電路將小信號電壓放大後，通過顯示儀表的刻度讀數。
  • 深度分析射頻電路的原理及應用
    我們以普通手機射頻電路為例來詳細介紹射頻電路的原理。1、接收電路的結構和工作原理：接收時，天線把基站發送來的電磁波轉為微弱交流電流信號，經濾波，高頻放大後，送入中頻內進行解調，得到接收基帶信息（RXI-P、RXI-N、RXQ-P、RXQ-N
  • 呼吸機流量傳感器的原理和應用
    2 流量傳感器的原理和應用 目前呼吸機的種類和型號很多，採用的流量傳感器也各不相同，主要有熱絲式、晶體熱膜式、超聲式、壓力感應式、壓差式。PB840呼吸機的流量傳感器採用的是晶體熱膜式流量傳感器，見圖3： 圖3：熱膜式流量傳感器 它是將橋路電阻、驅動電路，運算放大和信號處理電路等製作在電路印製板上，和流量測量管組件一體組成流量傳感器，輸出和氣體流量大小成比例的電信號，溫度感應器對氣體流量進行校正，使測量更精確。
  • MOS管在醫用控溫毯控制系統驅動電路設計中的應用
    醫用控溫毯控溫原理市面上大部分醫用控溫毯依賴於壓縮機製冷和加熱管實現升降溫，但其缺點是不夠綠色環保、成本高、所佔空間體積大、噪音困擾及安全隱患大等。TEC是利用帕爾貼效應，通過在半導體組成的PN結兩端施加DC電流，將電能轉化為熱能來發熱的。如圖所示，在冷端，電流從N型半導體到P型半導體時會吸熱；而在熱端，電流則在從P型半導體流向N型半導體時放熱。電源正負極對調時，冷熱端也要對調。
  • 脈衝碼型發生器工作原理
    它可用於設置連續或觸發的脈衝流，具有適應最富挑戰性應用的靈活性。可按特定應用的需要調整所有參數。與任意波形發生器不同的是規定的最高頻率不是採樣率，而是矩形波輸出的最高頻率。其碼型能力還能產生數據信號。這一多功能性是數字器件測試應用的關鍵，例如對於符合性測試。碼型模式中可實現與傳統脈衝產生模式對信號輸出同樣的完全控制。它允許產生無數量限制的數據信號，包括標準不歸零(NRZ)信號，或具有可編程脈衝寬度和對時鐘信號附加延遲的數據突發。除用戶定義數據信號外，還能產生標準的偽隨機二進位序列(PRBS)。
  • MOS管在醫用控溫毯控制系統驅動電路設計中的應用
    醫用控溫毯控溫原理市面上大部分醫用控溫毯依賴於壓縮機製冷和加熱管實現升降溫，但其缺點是不夠綠色環保、成本高、所佔空間體積大、噪音困擾及安全隱患大等。TEC是利用帕爾貼效應，通過在半導體組成的PN結兩端施加DC電流，將電能轉化為熱能來發熱的。如圖所示，在冷端，電流從N型半導體到P型半導體時會吸熱；而在熱端，電流則在從P型半導體流向N型半導體時放熱。電源正負極對調時，冷熱端也要對調。
  • 羅斯蒙特變送器電量變送器的基本測量電路
    羅斯蒙特變送器電量變送器是一種將被測電量(交流電壓、電流、有功功率、無功功率、有功電能、無功電能、頻率、相位、功率因數、直流電壓、電流等)轉換成按線性比例直流電流或電壓輸出(電能脈衝輸出)的測量儀表。它廣泛應用於電力、石油、煤炭、冶金、鐵道、市政等部門的電氣測量、自動控制以及調度系統。
  • 74ls14如何使用(74ls14引腳圖及功能_工作原理及應用電路)
    打開APP 74ls14如何使用（74ls14引腳圖及功能_工作原理及應用電路） 發表於 2018-04-09 10:47:11
  • 霍爾傳感器工作原理及應用
    我們知道霍爾傳感器一個使用非常廣泛的傳感器，它在錄像機、電動車、汽車、電腦散熱風扇中等不少領域中都得到了應用。霍爾傳感器工作原理是什麼？霍爾傳感器有著哪些優缺點呢？今天皮卡中國小編就帶你全面了解霍爾傳感器。
  • 超聲換能器驅動電路及回波接收電路的設計
    超聲測距儀的作用距離不僅僅依賴於高性能的超聲波探頭，而且與超聲波的發射與接收電路的機電能量轉換效率有關。本文主要研究一種高效的超聲換能器收發電路，以增大超聲測距儀的作用距離，使之能夠在未來的國產化汽車主動防撞系統中得到應用。1 超聲測距原理諧振頻率高於20kHz的聲波被稱為超聲波。
  • 詳解變配電系統二次電路圖
    採用三個單相電壓互感器如圖2-56(d)所示，用以測量三個線電壓或三個相電壓。3.電測量線路(1)高壓線路電測量。在電源進線上，或經供電部門同意的電能計量點，必須裝設計費的有功電能表和無功電能表，而且宜採用全國統一標準的電能計量櫃。同時為了解負荷電流，進線上還應裝設一隻電流表。
  • ca3140中文資料(ca3140性能參數及引腳圖_工作原理及應用電路)
    打開APP ca3140中文資料（ca3140性能參數及引腳圖_工作原理及應用電路） 發表於 2018-03-26 10:29:00
  • 詳解變配電系統二次電路圖
    採用三個單相電壓互感器如圖2-56(d)所示，用以測量三個線電壓或三個相電壓。3.電測量線路(1)高壓線路電測量。在電源進線上，或經供電部門同意的電能計量點，必須裝設計費的有功電能表和無功電能表，而且宜採用全國統一標準的電能計量櫃。同時為了解負荷電流，進線上還應裝設一隻電流表。
  • MC145163P型鎖相頻率合成器的原理與應用
    文中介紹了MCl45163P的基本性能，並結合實際應用詳細介紹了由MCl45163P和TTL壓控振蕩器74LS628組成的鎖相頻率合成電路，給出實際測量數據。3.4電路原理圖綜合前面的分析，可得到如圖7所示的電路原理圖。接入MCl45163P的晶振為2.048MHz，若RAl、RA0=01即分頻比為1024，則廳設定為2kHz。
  • 電流檢測電路 電流檢測電路的應用
    打開APP 電流檢測電路 電流檢測電路的應用 霽風AI 發表於 2020-03-22 10:31:00 簡介 對於大部分應用， 都是通過感測電阻兩端的壓降測量電流。
  • 星型和三角型啟動電路的原理分析資料介紹
    打開APP 星型和三角型啟動電路的原理分析資料介紹 發表於 2019-02-17 11:32:36 降壓啟動控制線路種類很多，下面僅介紹較常見的星型-三角型(Y-△)降壓啟動控制電路。 1、星型-三角型降壓啟動的接線方式 三相異步電動機接線盒有U1、U2、V1、V2、W1、W2工6個接線端，如圖1所示。