介绍计量芯片的作用和原理

集成电能测量芯片集成度高、性能稳定、价格便宜、外围电路简单，已在电子式电能表中广泛使用。在1993年国内就开发研制单相表专用测量芯片，并大量使用。经过15年的发展，集成芯片的种类大大增加，性能也大大提高，这极大地推动了电子式电能表技术的发展。表4.4是几款流行集成芯片性能的比较。

表4.4　几款流行集成芯片性能的比较

除此之外，新的芯片仍在不断出现，如美国ADI公司2003年研制出的测量有功电能和无功电能的芯片ADE7753 （单相测量）、ADE3358 （三相测量）等，性能优良，功能丰富。下面将介绍目前流行的芯片ADE7755、CS5460A和ADE7758。

1.ADE7755测量芯片

ADE7755是美国ANALOG DEVICES公司生产的一种芯片，可用此来生产低成本、高精度单相电能表。它是为单相两线制（可以符合其他特殊要求，如单相三线制）系统设计的。ADE7755内部包括两路数模转换器，一个基准电压源和用来计算有功功率的信号处理电路。ADE7755还包括直接驱动机械计度器的数字频率转换器和用于检验和通信的高频脉冲输出电路。图4.25是ADE7755的原理框图。

图4.25　ADE7755原理框图

（1）工作原理。

ADE7755的两个模数转换器（16位∑—Δ型）对来自电压、电流传感器的电压信号进行数字化转换，在电流通道中还设计了PGA （可编程增益调节）电路，同时在电流通道中设计了HPF电路（高通滤波器）滤掉直流分量，从而消除由于电压、电流失调引起的有功功率计算上的误差。

瞬时功率信号是通过电压、电流信号的直接相乘得到的，此瞬时功率信号经过低通滤波器得到有功功率。ADE7755的功率脉冲输出是通过对上述有功功率信息的累计产生，即在2个输出脉冲之间经过一段时间的累加，输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加，就能获得电能计量信息。ADE7755有低频、高频功率脉冲输出信号，它们只是累加时间长短的区别，它们的频率正比于有功功率。高频输出脉冲为90ms宽度，低频输出脉冲为275ms，可以直接驱动机械计度器。

（2）主要指标。

ADE7755的电流测量范围设计指标为500∶1，推荐的主时钟频率为3.5795MHz。在此频率下，模拟输入的带宽为14k Hz。同时在设计中为防潜动功能设置了空载阀值电路，当功率脉冲频率低于最小输出频率时，将使高频、低频脉冲没有输出。这个最小输出频率是满刻度输出频率对应的0.0014%。ADE7755内带基准，其标称值为2.5V，一般无须外接基准。

ADE7755的工作温度范围为—40～+85℃，两路电源为模拟和逻辑直流+5V，电源工作电流为模拟3m A，逻辑2.5m A。

两路输入最大电压U1660m V，U2470m V。

2.CS5460A测量芯片

CS5460A芯片为美国CIRRUS LOGIC公司生产的电能测量芯片，它包含了一个可编程增益放大器，两个∑—Δ模数转换器、高速滤波器、系统校准和功率计算功能，可以测量电能、电压、电流有效值和瞬时功率。为了方便与外接微控制器的通信，CS5460A集成了一个简单的三线串行接口，可以送出各项数据，并可以进行自动校对精度。

（1）工作原理。(www.xing528.com)

CS5460A可以在单一的+5V电源下运行。电流通道输入范围为30m V或150m V，可选择电压通道输入范围为150m V。

CS5460A将按MCLK/K/1024的速度进行采样，n个采样值为一个计算周期。其中MCLK为芯片主晶振，K及N可以设定。在每个计算周期后，CS5460A计算电压、电流有效值以及电能量（以相对满量程的百分比的24位有符号或无符号数据的形式输出）。

CS5460A可以接入电流分流器、电压分压器，它还具有直接驱动机械计度器的输出引脚，为了降低整表成本，它可以不接入微处理器，直接接入EEPROM，上电自引导读入数据运行。

CS5460A外围电路很简单，它内部有多个寄存器，如电压电流增益寄存器、直流电压电流偏移寄存器、交流电压电流偏移寄存器等。配置寄存器调节相位，通过调节这些寄存器，可以校准电能表精度，进行各种参数的调整。

CS5460A的原理框图如图4.26所示。

图4.26　CS5460原理框图

（2）主要指标。

电能测量线性度：1000∶1，动态范围内可以达到0.1%。

可以测量电能、电压、电流的有效值。

可以从串行EEPROM智能自引导，无需微处理器。

AC及DC系统校准、相位补偿。

功耗小于12mW。

片内自带2.5V基准。

工作温度范围：—40～+85℃。

主晶振频率：典型为4.096MHz，最大为20MHz。

如果按典型主晶振，k=1，n=4000，则每周波采样为80个点，而计算电能、电压、电流时间为1s。