一种新型电网数显功率表的电路设计

一种新型电网数显功率表的电路设计

1 系统工作原理
    在直流电路中，有功功率反映被测电路的电压和电流的乘积(P=UI)；在交流电路中，除了这个乘积外，还应反映其相位差的余弦，即电路的功率因数cosψ，有P=UI／cosψ。对于工业生产和日常生活，准确、实时的测量电网功率是必不可少的。本系统采用开关稳压电压源，将220 V交流市电整流稳压为模拟、数字两路+5 V电源，为整个电表电路供电。采用先进的单相双向功率／电能集成芯片CS5460A。通过电流互感器检测的电流信号，通过电阻分压器输入的电压信号，可直接输入该集成芯片，在片内完成A／D转换和瞬时有功功率计算。其基本结构框图，如图1所示。

2 开关电源电路
    电源是电子设备的核心部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障大都来自电源，因此在设计电子设备时，电源的设计十分重要。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有35％～60％；开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达70％～95％。此外，开关稳压电源还有功耗小、稳压范围宽、体积小、重量轻、安全可靠等优点。目前电子设备的稳压电源逐渐被开关稳压电源所取代。在本系统中，由于在检测部分要用到C55460A，为了避免干扰，需要模拟和数字两路+5 V电源，因此，在开关稳压电源部分也需要有两路+5 V电源。该部分电路原理图，如图2所示。

3 功率检测电路
    功率检测电路是该功率表设计的主要部分。其主要功能是在单片机P89LPC916的控制下由CS5460A检测功率并输出功率值，其中X5045存放标准校正值，供单片机随时校准功率值。其电路原理图，如图3所示。检测电路中主要器件有功率互感器、CS5460A、单片机P89LPC916、X5045等。

3．1 CS5460A功能概述
    CS5460A是一个包含两个△∑模一数转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的△∑模一数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS和VRMS，用于研制开发单相2线或3线电表。

 CS5460A可以使用低成本的分流器或电流互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5460A具有方便的片上AC／DC系统校准功能。“自引导”的特点使CS5460A能独立工作，系统上电后自动初始化。在自引导模式中，CC5460A从一个外部EEPROM中读取校准数据和启动指令。使用该模式时，CS5460A工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。
    CS5460A是具有有功功率计算引擎的CMOS单片功率测量芯片，它包含了两个增益可编程放大器、两个△∑调制器、两个高速滤波器，具有系统校准和有效值／功率计算功能，以提供瞬时电压／电流／功率数据采样及有功能量、IRMS、VRMS的周期计算结果。为适应低价测量应用，CS5460A也能在给定引脚上输出脉冲串，输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比。CS5460A专为功率测量进行了优化，它适合与分流器或电流互感器相连来测量电流；与分压电阻或电压互感器相连来测量电压。为适应不同电平的输入电压，电流通道集成有一个增益可编程放大器(PGA)，使输入电平满量程可选择为±250 mVRMS或±50 mVRMS。电压通道的PGA可适应±250 mV的输入电压范围。对于VA+和VA－两端接单+5 V电源的情况，两个通道的差模输入引脚间所加的共模+信号电压为－0．25～+5 V。另外，设计时可以在某一个通道或两个通道实现双端差模输入，此时输入信号的共模电压加在AGND上。CS5460A每通道都有一个高速数字滤波器，将两个△∑调制器的输出衰减10倍并积分。滤波器以(MCLK／K)／1 024的字输出速率(OWR)输出24位数据。为了方便与外部微控制器通讯，CS5460A集成有一个简单的三线串行接口，该串口与SPITM和Micro WireTM标准兼容。串口的串行时钟(SCLK)和RESET引脚内包含一个施密特触发器，允许使用上升速度较慢的信号。
    CS5460A特性：
    (1)电能数据线性度：在1 000：1动态范围内线性度为±0．1％；
    (2)片内功能：可以测量电能(有功)，I×V，IRMS和VRMS，具有电能一脉冲转换功能；
    (3)可以从串行EEPROM智能“自引导”，不需要微控制器；
    (4)AC或DC系统校准；
    (5)具有机械计度器／步进电机驱动器；
    (6)符合IEC687／1036，JIS工业标准；
    (7)功耗<12 mW；
    (8)优化的分流器接口；
    (9)V对I向相位补偿；
    (10)单电源地参考信号；
    (11)片内2．5 V参考电压(最大温漂60 ppm／°C)；
    (12)简单的三线数字串行接口；
    (13)看门狗定时器；
    (14)内带电源监视器；
    (15)电源配置为VA+=+5 V；VA－=0 V；
    VD+=+3．3～+5 V。
    如图4所示为CS5460A在单电源单相2线系统的功率测量方案，该图用于监控电源线电流的电阻分流器联接在电源的火线端。

3．2 功率检测电路工作原理
    首先通过电流互感器获取高压电路的互感电流。采用电流互感器这种形式的主要优点在于，实现了高压与低压的隔离。由于CS5460A的功率检测实际上是将电流信号转变为电压信号后的电压检测，所以在电路中由R48、R49将互感电流转变为电压信号，再通过R50、R51限流和C21、C22滤波后输入到CS5460A的功率检测管脚15、16。另外，在两路输人中分别用二极管进行电压嵌位，以避免电压过高时损坏CS5460A。CS5460A的3、14脚分别为，模拟、数字+5 V电源。同时为了滤除电压波动增加电源的稳定性，在两路电源输入时分别加一小滤波电容。由于此为功率检测，所以电压检测的两输入脚9、10为了避免干扰也应接模拟地。13脚VA－接模拟地，4脚DGND接数字地，模拟地和数字地之间用电感连接。1、24(XOUT，XIN)两脚接频率为4．096 MHz的晶振。CS5460A自动完成输入信号的检测，并通过6脚SDO输出数据；同时，分别由5脚SCLK、7脚CS、19脚R＼E＼S＼、20脚I＼N＼T＼、23脚SDI输出单片机的时钟脉冲、片选信号、复位信号、中断信号和单片机对CS5460A的控制信号。由于CS5460A完成了对模拟信号的检测并以数字信号输出检测值，即一个芯片同时有模拟、数字两种信号，它需要模拟数字两路电源；同时，其需要接地的管脚一定要正确接相应的地，不然将会引入很大的干扰。

4 控制电路
    仪表中，由单片机P89LPC916控制CS5460A检测功率和显示数值。电路加电以后通过拨码开关对电路进行初始化。通过拨码开关输入单片机要初始化的电量的代码，单片机根据设定好的编码规则向CS5460A发出相应的指令，CS5460A根据单片机发出的指令将相应需要初始化的电量的标准校准值传给单片机，单片机再将此数据传给。X5045并存储在其中，供CS5460A复位时再次获得校准值，同时供单片机随时校准检测值，从而提高精度。X5045中的看门狗电路用于单片机复位，即通过编程可选择3种定时时间，当单片机因外界干扰而引起程序陷入死循环或跑飞状态时，在设定的定时时间内，如果没有对：X5045进行访问，则X5045的复位信号引脚RESET。变为高电平，延时约200 ms后RESET再变为低电平。X5045的RESET脚接着向IST，X5045发出复位信号引起单片机复位，从而避免单片机死机，增加了电表的稳定性。

5 显示电路
    仪表系统采用7段LED显示，如图5所示。

6 结束语

    文中给出了该新型智能化变换器式功率表的设计，综述了该仪表系统的工作原理和设计思想，重点介绍了功率检测电路的原理和设计。本仪表经实际使用证明，具有体积小、成本低、精度高、可靠性好等优点，有较好的市场前景。此外，还可以针对不同的用户，进一步修改软硬件系统，增加功能，满足用户实际需求。