AD7755电能计量芯片.doc

ADE7755电能计量芯片1 引言 美国Analog Devices公司新推出的芯片ADE7755，开拓了电能表设计的新领域，为数字电能表制造商提供了实现电能精确测量及成本较低的设计方案。是下一代民用电表的理想产品和最好的工业解决方案。以下简要介绍该芯片的性能及优点。2 管脚功能 ADE7755是一种准确度较高的电子电能测量集成芯片。它的管脚分布见图1。管脚功能如下（对照图1）。DVDD（第1脚）数字电源端；为AD7750的数字电路提供5V5%电源电压。AC/DC（第2脚）高通滤波器（HPF）选择端；这个管脚的逻辑输入用来选通通道1（电流通道）中的HPF。当管脚输入为逻辑1时，HPF被选通。在45Hz1kHz频率范围内，该滤波器引起的相位响应可由内部进行补偿。ADE7755作为功率表使用时，HPF必须选通。AVDD（第3脚）模拟电源端；为AD7750的模拟电路提供5V5%电源电压。NC（第4、19脚）悬空端；不接入电路。V1P、V1N（第5、6脚）通道1的模拟输入端；可以提供最大为470mV的差动输入电压。V2P、V2N（第7、8脚）通道2的正、负输入端；可以提供最大为660mV的差动输入电压。RESET（第9脚）ADE7755的复位端；当管脚的电平为逻辑低时，模拟数字转换器（ADC）及数字电路均工作在复位状态，同时清除ADE7755的内部寄存器。REFIN/OUT（第10脚）参考电压端；这个管脚可以提供2.5V8%，温度系数为30ppm/的片上参考电压源。也可以接入外部参考电压源。AGND（第11脚）模拟地；为ADE7755的模拟电路提供参考地，如：ADC与参考电压源。这个管脚连在PCB的模拟地，模拟地是所有模拟电路的参考地，如：抗混叠滤波器，电流、电压互感器等。实际上，为抑制噪声的影响，模拟地与数字地连成一点，即连成一个星形地。这样就可以使模拟电路免受数字噪声电流的影响。SCF（第12脚）校正频率选择端；管脚的逻辑输入用来选择校正输出CF端的频率。校正频率的选择如表2所示。S1、S0（第13、14脚）数字/频率转换的频率选择端；为数字/频率转换提供了可选的4种的频率值。G1、G0（第15、16脚）通道1的增益选择端；可供通道1选择1、2、8或16共4种增益量。增益选择见表1。表1 通道1的增益选择 G1G2增益最大差动输入信号0011010112816470 mV235 mV60 mV30 mV表2 CF端的最大输出频率SCFS1S0F14（Hz）CF端的最大频率(Hz)1010101000001111001100111.71.73.43.46.86.813.613.6128F1,F2=43.5264F1,F2=21.7664F1,F2=43.5232F1,F2=21.7632F1,F2=43.5216F1,F2=21.7616F1,F2=43.522048F1,F2=5.57kHzCLKIN（第17脚）内部时钟输入端；提供一个内部时钟或在该管脚与CLKOUT之间接入晶振为ADE7755提供外部时钟源。时钟频率为3.579545MHz。CLKOUT（第18脚）外部时钟提供端；如前所述，该管脚与CLKIN一起提供外部时钟。当使用内部时钟时，该管脚可用来驱动一个CMOS负载。REVP （第20脚）反极性端；当负功率（电压与电流信号之间的相位角大于90时）被测量时，管脚的输出为逻辑高；再测量正功率则管脚被置位。在CF端有脉冲输出的同时，该管脚在高电平和低电平之间变化。DGND（第21脚）数字地；为ADE7755芯片的数字电路提供参考地，如：乘法器、滤波器及数字/频率转换器。这个管脚连在PCB的数字地上。数字地给所有的数字电路，如：计数器，微控器（MCU）及LED等提供了参考地。如前所述，DGND应与AGND连成一个星形地。CF（第22脚）校正频率逻辑输出端；给出瞬时功率信息。输出的脉冲用于校正和测量。F2、F1（第23、24脚）低频逻辑输出端；给出平均功率信息。这两个管脚的输出可直接用来驱动电机计数器和两相步进电机。 图1 ADE7755管脚分布图3 内部结构组成在该芯片上集成了一个增益可选的放大器（PGA）、一个增益固定的放大器、两个性能相同的16位二阶-模数转换器（ADC）、一个相位调整电路、一个可选的高通滤波器（HPF）、一个数字乘法器、一个低通滤波器（LPF）、一个数字/频率转换器（D/F）、一个电源监视器及一个2.5V的内部基准电压源ADE7755的内部结构如图2所示。下面简要介绍模数转换器（ADC）的基本原理。模数转换器（ADC）以很低的采样分辨率（1位）和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样、噪声整形、数字滤波等方法增加有效分辨率，它的电路结构是由非常简单的模拟电路和十分复杂的数字信号处理电路构成。要了解-ADC的工作原理必须熟悉过采样、-ADC 调制器和噪声整形、数字滤波和采样抽取等基本概念。 1过采样因为ADC的模拟量输入可以是任何值，但数字输出是量化的值，所以实际的模拟输入与数字输出之间存在1/2LSB的量化误差。如果对理想ADC加恒定直流输入电压，那么多次采样得到的数字输出值总是相同的，而且分辨率受量化误差的限制。如果在这个直流输入信号上叠加一个交流信号，并用比这个交流信号频率高得多的采样频率进行采样，此时得到的数字输出值将是变化的，用这些采样结果的平均值表示ADC的转换结果便能得到比用同样ADC高得多的采样分辨率，这种方法称做过采样（oversampling）。由于过采样的采样速率高于输入信号最高频率的许多倍，这有利于简化抗混叠滤波器的设计，提高信噪比并改善动态范围 。2-ADC的调制器和量化噪声整形图3给出了一阶-ADC的原理框图。虚线框内是-调制器，它将输入信号转换为由0和1构成的连续串行位流。 1位DAC由串行输出数据流驱动，1位DAC的输出以负反馈与输入信号求和。根据反馈控制理论可知。如果反馈环路的增益足够大，DAC输出的平均值（串行位流）接近输入信号的平均值。图3一阶-ADC-ADC调制器的工作原理还可以用图4所示对应图3中，A，B，C，D各点的信号波形图描述。其中图4（a）是输入电压UIN=0的情况，输出为0，1相间的数据流。如果数字滤波器对每8个采样值取平均，所得到的输出值为4/8，这个值正好是3位双极性输入ADC的零。当输入电压UIN=+1/4UREF，则信号波形如图4（b）所示，求和输出点A的正、负幅度不对称，引起正、反向积分斜率不等，于是调制器输出1的个数多于0的个数。如果数字滤波器仍对每8个采样值取平均，所得到的输出值为5/8，这个值正是3位双极性ADC输入对应于+1/4UREF 的转换。图4 -ADC 调制器波形图由于积分器对于高频输入，输出主要是量化噪声。实际上模拟滤波器对输入信号具有低通滤波作用，因此可将对调制器的模拟滤波器的作用看作一种噪声整形滤波器，整形后的量化噪声分布见图6（a）。同一般的滤波器一样阶数越高其滤波性能越好。因此高阶调制器得到广泛应用，图5给出了-调制器的信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系，其中SNR为信噪比，K为过采样倍率。例如，当K=64，一个理想的二阶系统的信噪比大约80dB，分辨率大约相当于13位的ADC。图5 信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系3数字滤波和采样抽取-调制器对量化噪声整形以后，将量化噪声移到所关心的频带以外，然后对整形的量化噪声进行数字滤波，如图6（b）所示，数字滤波的作用有两个：一是必须起到抗混叠滤波器的作用；二是必须滤除在噪声整形过程中产生的高频噪声。图6 整形后的量化噪声分布因为数字滤波器降低了带宽，所以输出数据速率要低于原始采样速率，直至满足奈奎斯特定理。降低输出数据速率的方法是通过对每输出M个数据抽取1个的数字重采样方法实现的，这种、方法称作输出速率降为1/M的采样抽取（decimation）M=4的采用抽取如图7所示，其中x（n）的重采样率已被降到原来采样速率的1/4。这种采样抽取方法不会使信号产生任何损失，它实际上是去除过采样过程中产生的多余信号的一种方法。图7 M=4的采样抽取数字滤波即可用有限脉冲响应（FIR）滤波器也可用无限脉冲响应（IIR）滤波器或者是两者的组合。FIR滤波器具有容易设计能与采样抽取过程合并计算、稳定性好、具有线性相位特性等优点，但它可能需要计算大量的系数。IIR滤波器由于使用了反馈环路从而提高滤波效率，但IIR滤波器具有非线性特性，不能与采样抽取过程合并计算，而且需要考虑稳定性和溢出等问题，所以应用起来比较复杂。交流应用场合大多数-ADC的采样抽取滤波器都用FIR滤波器。4 工作原理ADE7755采用+5V、功耗为15W的单电源供电。加电后，ADE7755芯片被初始化后开始工作。电流通道和电压通道的信号经放大器放大后，通过内部的模数转换器转换为两路数字信号，在进行功率测量时，电流通路信号还需要通过高通滤波器来去除通道中的直流偏置，此时便会引起两通道的相位不一致，所以要经过相位调整电路来将相角变化量补偿掉，然后将两路信号同时加到数字乘法器，经低通滤波器，最后进入数字/频率转换器得到与瞬时功率成比例的高频脉冲及与平均功率成比例的低频脉冲，并分别在CF和F1、F2端输出。5 特性 新型ADE7755芯片是目前集成度最高的新一代电能表芯片。该芯片的出现将加快感应式电能表向电子式电能表的转移，在目前激烈的市场竞争中，它将成为众多电能表制造商的首选设计方案。它的特点可概括为： （1）可完成有功功率测量和数字/频率转换。 （2）在测量电流的动态范围500:1时，读数的误差百分率小于0.1%。 （3）可在输出端同时输出平均功率和瞬时功率的频率信息。 （4）ADE7755的两路模拟输入端是高阻抗的双极性电压输入信号，并带有内部保护电路，从而避免了芯片在持续过电压、欠电压和有静电放电（ESD）等情况下受到损坏。ADE7755正常工作时，输入端的信号必须满足两个要求： a 任何一端的输入电压，以AGND为参考，不超过1.0V。 b 在不造成永久性损坏的情况下，以AGND为参考，ADE7755的模拟输入端可承受的最大过电压为6.0V。 （5）模拟电源一直处于电源监视器的监视状态中，当电源电压低于4V5%时，ADE7755将被复位。从而确保器件正常启动和通、断电的正确。 （6）为避免两通道中的直流偏置相乘后对测得的结果产生影响，通道1中加入了可消除直流偏置的HPF。 （7）无论通道1中是否接入HPF，相位调整电路都能够确保两通道相位的一致。 （8）ADE7755芯片上的模拟电路仅有ADC和参考电压源，所有的信号处理均在数字域内进行处理，因此保证了长时间、周围环境极端情况下，测量的稳定和准确性。 （9）输出的频率是可选的，可作为驱动步进电机的低频脉冲或作为校正和测试的高频脉冲输出。 （10）当主时钟频率为3.5795MHz，输入模拟信号的带宽为14kHz。 （11）为避免电源纹波和噪声的影响，在相应的管脚如：DVDD、AVDD 、REFIN/OUT加了去耦措施。 （12）ADE7755包含的“无负载门槛”和“初始电流”的特点，消除了电能表的潜动效应。ADE7755规定了最小输出频率。如果任何负载产生的频率低于最小频率，则不在输出端F1、F2及CF引起脉冲输出。 （13）ADE7755是ESD（electrostat