电子式电能表计量芯片原理 与常用计量芯片简介
主讲人: 胡
2006－1－12 三星科技有限公司
宁
电子式电能表计量芯片原理与常用计量芯片简介
1．电能计量芯片的原理
电能表是电力部门计费的唯一工具，需保证其性能稳定性、 测量准确性和可靠性。目前已有大量的电子式电能表在实际运 行之中。电子式电能表的技术特性主要取决于电能计量集成电 路的特性，所以对电能表计量芯片进行研究，具有十分重要的 经济价值和理论意义。 电能计量芯片的计量原理主要分为模拟乘法器和数字乘法 器两大类: 模拟乘法器原理主要分为时分割乘法器原理和吉尔波特变跨 导乘法器原理两大类。采用时分割原理的电能计量芯片多数采 用电流平衡型时分割乘法器，利用脉冲宽度调制的方法完成运 算；代表性国产产品有上海贝岭电子公司的BL0931和BL0932 [5]。采用吉尔波特变跨导乘法器原理的电能计量芯片利用晶体 管的伏安特性完成运算，可实现两象限或四象限的线性乘法。
图1 ADE7751管脚定义图
图2 ADE7751电能计量电路原理图
ADE7755 在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳 定性。 ADE7755采用低成本 CMOS工艺，为电能测量提了供单芯 片的低成本解决方案。ADE7755的引脚F1和F2以较低频率输出 平均有功功率，F1和F2引脚上的输出脉冲频率能直接驱动单相 步进电机和机电式脉冲计数器，以及与MCU接口；瞬时有功功 率从CF引脚以较高频率输出，用于电能表校验或与MCU连接。 逻辑输出引脚 REVP 能指示反向功率或接线错误。 ADE7755 内 部相位匹配电路能保证电压和电流通道的相位始终是匹配的。 ADE7755内部的无负载阈值保证了ADE7755在无负载时没有潜 动，而电流通道中的PGA(可编程增益放大器)使得电能表可以采 用小阻值的分流电阻。 ADE7755 采用＋ 5V 单电源供电，功耗低 ( 典型值 15mW) ， 具有外部过驱动性能。ADE755内部有一个对电源引脚 AVDD的 监控电路，在AVDD上升到＋4V±5％之前，ADE7755一直保持 在复位状态。同样，如果AVDD降到＋4V±5％以下，ADE7755 也被复位，此时F1、F2和CF没有输出。
早期的电能计量芯片有的只是一个数据采集器，即使有DSP 引擎，功能也不强，和单片机系统的连接也只是提供高、低频 率的脉冲输出；单片机一般利用自身的计数器/定时器记取脉冲 数。目前的电能计量芯片(包括即将推出的)较以前的有了很大 不同，不仅有数据采集功能，还有被测电源系统的状态信息记 录功能；芯片对采集的数据进行了大量的加工和运算，直接给 出了需要的各种电量，如电压、电流、有功和无功功率(电能) 、相角和频率等量值；与单片机系统的连接一般采用SPI或I2C 串行口，把被测电源系统的过电压、过电流、欠电压、欠电流 、断相、错相、过零等状态利用中断和单片机系统交流信息。 此外，芯片一般有校正特性，如偏移校正、增益校正和相位校 正。单片机系统对寄存器写入一定的位值就能对电能表进行校 正，即软件校正。为了使电能表正常工作或者按某种需要方式 工作，单片机只要对计量芯片的控制器写入适当的控制字就可
小阻值的分流电阻。ADE7751采用＋5V单电源供电，功耗低 (典型值15mW)，具有外部过驱动性能。ADE7751内部有一个 对电源引脚VDD的监控电路，在VDD上升到＋4V±5％之前， ADE7551一直保持在复位状态。同样，如果VDD降到＋4V± 5％以下，ADE7751也被复位，此时F1、F2和CF没有输出。 ADE7751为24脚DIP和SSOP封装，图1是ADE7751管脚 定义图，有关ADE7751芯片的详细信息可参阅相关资料。目 前，ADE7751主要应用于各型单相电子式电能表，其典型电 能计量电路原理如图2所示。 2.2 ADI公司ADE7755：脉冲输出型单相电能计量芯片 ADE7755是一种高准确度专用电能计量芯片，用于单相 二线配电系统，支持50Hz和60Hz的IEC61036标准的要求。 在1～500的动态范围内误差小于0.1%，部分指标优于IEC61 036规定的准确度要求。 ADE7755只在A/D转换和基准源中使用模拟电路，所有其 他信号处理(如乘法运算和滤波)都采用数字方式进行，这使得
ADE7751 采用低成本 CMOS 工艺，为电能测量提了供单芯 片的低成本解决方案。 ADE7751具有一种新颖的故障检测设计，在45Hz～55Hz 线路频率下工作时，能对故障状态报警；同时 ADE7751 通过持 续监视相线和中线(回馈线)电流实现在故障期间继续准确计量。 当两路电流相差超过12.5%时即指示有故障，从而即使在故障期 间(如两线中有一线没有负载任何电流)，平均有功功率输出脚F1 和 F2 上 的 输 出 脉 冲 频 率 也 能 通 过 两 路 电 流 中 较 大 者 产 生 。 ADE7751 提供这种有效的方法以遏止电流回地的各种企图，对 于电能表窃电，这仍然时一种非常简单有效的方法。 F1 和 F2 引脚上的输出脉冲频率能直接驱动单相步进电机和 机电式脉冲计数器，以及与MCU接口；瞬时有功功率从 CF引脚 以较高频率输出，用于电能表校验或与 MCU 连接。逻辑输出引 脚FAULT和REVP能指示接线错误或故障状态。ADE7751内部相 位匹配电路能保证电压和电流通道的相位始终是匹配的。AD E7751内部的无负载阈值保证了ADE7751在无负载时没有潜动 ，而电流通采用
ADE7752为24脚SOIC封装，图5是ADE7752管脚定义图， 有关ADE7752芯片的详细信息可参阅相关资料。目前，ADE77 5 2主要应用于各型三相电子式多费率电能表，其典型电能计量 电路原理如图6所示。 2.4 ADI公司ADE7758：带SPI串行输出接口的脉冲输出型三相 电能计量芯片
图3 ADE7755管脚定义图
图4 ADE7755电能计量电路原理图
转换成频率，由引脚F1和F2输出，此逻辑输出能直接驱动机电 式脉冲计数器或MCU接口。CF引脚输出瞬时有功功率值，用于 电能表校验。 ADE7752采用低成本CMOS工艺，为电能测量提了供单芯 片的低成本解决方案。ADE7752的引脚F1和F2以较低频率输出 平均有功功率，F1和F2引脚上的输出脉冲频率能直接驱动步进 电机和机电式脉冲计数器，以及与MCU接口；瞬时有功功率从 CF引脚以较高频率输出，用于电能表校验或与MCU连接。逻辑 输出引脚NEGP指示反向功率或接线错误。 ADE7752内部相位匹配电路能保证电压和电流通道的相位 始终是匹配的；内部的无负载阈值保证了ADE7752在无负载时 没有潜动。 ADE7752采用＋5V单电源供电，功耗低(典型值60mW)，具 有外部过驱动性能。ADE7752内部有一个对电源引脚VDD的监 控电路，在VDD上升到＋4V±5％之前，ADE7752一直保持在 复位状态。同样，如果VDD降到＋4V±5％以下，ADE7752也 被复位，此时F1、F2和CF没有输出。
逐次比较型A/D转换器主要有四部分构成：一个比较器、一 个数模转换器、一个逐次逼近寄存器和一个逻辑控制单元。转 换中的逐次逼近是按对分原理、由逻辑控制单元完成的。在逻 辑控制单元的时钟驱动下，逐次逼近寄存器不断进行比较和移 位操作，直到完成最低有效位的转换。由于提高分辨率需要相
当复杂的比较网络和极高精度的模拟电子器件，难以大规模集 成，所以逐次比较型A/D转换器原理的电能计量芯片的测量等 级都不高。这一类型产品如南非Sames公司生产的SA91系列 单、三相电能计量芯片等。
(2)Σ-Δ原理A/D转换器 基于FIR(有限长单位脉冲响应)数字滤波原理的A/D转换器即 Σ-ΔA/D转换器。该芯片主要采取了增量调制、噪声整形、数 字滤波和采样抽取等技术，能够以较低的成本实现高线性度和 高分辨率，所以应用Σ-Δ原理的A/D转换器的电能计量芯片， 其测量等级都较高；又由于Σ-Δ原理A/D转换器是根据模拟信 号波形的包络形状来进行量化编码，对波形幅值的变化不敏感 ，所以此类电能芯片具有良好的电磁兼容性。这一类型产品如 美国ADI公司于1998年首先研制出的ADE7755系列产品；Crystal公司的CS5460，Atmel公司的AT73C500、AT73C501和 AT13C502系列产品等。
2．常用电能计量芯片
国内常用的一些电能计量芯片大致情况如下：用于电压、电 流等电量的数据采集器；脉冲输出的单、三相电能计量芯片；
内置串口的带DSP引擎及相关软件的单、三相多功能电能计量 芯片；防窃电电能表用单、三相电能计量芯片；带di/dt采样器 接口和DSP引擎的单、三相电能计量芯片；带内部精密振荡器 的电能计量芯片等。 以我公司各型电子式电能表为例，其电量数据的获取(即计 量电路的组成)主要由基于数字乘法器原理的专用电能计量芯片 实现和A/D转换器＋MCU的交流采样方式实现，以下分别作简 要介绍。 2.1 ADI公司ADE7751：片内故障检测型单相电能计量芯片 ADE7751是一种可检测故障的高准确度专用电能计量芯片 ，用于单相二线配电系统，支持50Hz和60Hz的IEC61036标准 的要求，在1～500的动态范围内误差小于0.1%，部分指标优于 IEC61036规定的准确度要求。 ADE7751只在A/D转换和基准源中使用模拟电路，所有其他 信号处理(如乘法运算和滤波)都采用数字方式进行，这使得ADE 7751在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。
采用数字乘法器的电能芯片依据采样原理，采用过零同步采 样法，对一连续波形经 A/D变换器进行整周期数字采样，把连 续波形离散化，MCU根据均方根算法计算出电流、电压的有效 值，再相乘得出功率值。每一芯片有一独立的时基信号发生器， 功率值乘以时间就可完成电能测量。数字乘法器电能计量芯片 特点：能进行多种电参数的测量；当采样频率选择得当，可进 行非正弦信号的测量；动态响应速度慢，不适合对负载变化大 的信号进行测量；电能测量准确度级别一般为1.0~0.5级。 采用数字乘法器原理的电能计量芯片对波形进行数据采样 的A/D转换器主要有两类: (1) 逐次比较型A/D转换器
ADE7755为24脚SSOP封装，图3是ADE7755管脚定义图， 有关ADE7755芯片的详细信息可参阅相关资料。目前，ADE77 55主要应用于各型单相电子式电能表，其典型电能计量电路原 理如图4所示。 2.3 ADI公司ADE7752：脉冲输出型三相电能计量芯片 ADE7752是一种高准确度的三相专用电能计量芯片，支持 50Hz和60Hz的IEC60687和IEC61036标准的要求，在1～500的 动态范围内误差小于0.1%，部分指标优于IEC61036规定的准确 度要求。 ADE7752兼容三相三线Δ连接和三相四线Y连接。ADE7752 只在A/D转换和基准源中使用模拟电路，所有其他信号处理(如乘 法运算和滤波)都采用数字方式进行，这使得ADE7752在恶劣的环 境条件下仍能保持极高的准确度和长期稳定性。 ADE7752计算六个电压信号(三个电流通道和三个电压通道) 的乘积，然后对乘积进行低通滤波，得到有功功率信息，再将其