ATT7022E/26E/28E 多功能高精度三相电能专用计量芯片详解

在电力计量领域，一款性能卓越的计量芯片对于准确测量电能参数至关重要。ATT7022E/26E/28E 系列多功能高精度三相电能专用计量芯片就是这样一款备受关注的产品。下面，我们将深入探讨这款芯片的各个方面。

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芯片概况

芯片简介

ATT7022E/26E/28E 适用于三相三线和三相四线应用，集成了多路二阶 sigma - delta ADC、参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路。它能测量各相以及合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量，还能测量各相电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数，满足三相复费率多功能电能表的需求。该芯片支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表，且提供多种脉冲输出用于误差校正。

芯片特性

• 高精度测量：在输入动态工作范围（5000:1）内，非线性测量误差小于 0.1%。有功测量满足 0.2S、0.5S 标准，支持 IEC62053 - 22:2003、GB/T17215.322 - 2008；无功测量满足 1 级、2 级，支持 IEC62053 - 23:2003、GB/T17215.323 - 2008。
• 丰富的计量功能：提供基波有功功率/电能/电压/电流有效值以及 CF 脉冲输出；提供 RMS、PQS 两种视在功率、能量计量方式；提供有功、无功、视在功率/电能及 CF 脉冲输出；提供功率因数、相位角、线频率、电压夹角参数；提供电压有效值、电流有效值，在 500:1 动态范围，有效值精度优于 0.1%；提供三相电压矢量和、电流矢量和的有效值输出。
• 其他特性：提供断相指示、电压/电流相序检测功能；支持多种中断，如过零中断、采样中断、电能脉冲中断、校表中断；提供有功、无功反向指示功能；合相能量绝对值相加与代数相加可选；电表常数可调；起动电流可调；可准确测量到含 41 次谐波的有功、无功和视在功率、电能；支持增益及相位补偿，小电流非线性补偿；具有 SPI 通信接口，速率可达 10Mbps；内置温度测量传感器；适用三相三线和三相四线模式；片内参考电压，也可以外接参考电压。

芯片比较列表

芯片型号	有功计量	无功计量	视在计量	基波谐波	ADC 采样数据缓存	第 7 路 ADC	SAG 检测
ATT7022E	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
ATT7026E	Y	Y	Y	N	N	N	N
ATT7028E	Y	N	N	N	N	N	N

从表格中可以清晰看出，第 7 通道、电能质量检测 SAG 功能、基波谐波功能及数据缓存功能为 ATT7022E 专有。

引脚定义

ATT7022E/26E/28E 系列采用 LQFP44 封装形式，其引脚功能丰富多样。例如，Reset 引脚用于外接复位，低电平有效；IRQ 引脚用于输出中断信号；V1P/V1N 等引脚为模拟输入引脚，不同通道对应不同的功能。每个引脚都有其特定的作用，在设计电路时需要根据实际需求合理使用。

功能描述

电源管理

芯片片内包含一套电源监控电路，连续对模拟电源（AVCC）进行监控。当电源电压低于 2.5V±5% 时，芯片将被复位，有利于电路上电和掉电时芯片的正确启动和正常工作。同时，为保证芯片正常工作，应对电源去耦，使 AVCC 的波动不超过 3.3V±5%。

SLEEP 模式

将 Sleep 引脚（pin 32）拉高，芯片进入 sleep 模式，在该模式下，校表参数 0x01~0x1F 保存。当 Sleep 拉低后，芯片重新进入正常工作。

复位系统

芯片提供硬件复位和软件复位两种方式。硬件复位通过外部引脚 RESET 完成，当 RESET 出现大于 20us 的低电平时，芯片进入复位状态，当 RESET 变为高电平时，芯片从复位状态进入正常工作状态。软件复位通过 SPI 接口完成，当往 SPI 口写入 0xD3 命令后，系统进行一次复位。

A/D 转换

芯片片内集成了多路 19 位的 ADC，采用双端差分信号输入，输入最大正弦信号（满量程）有效值是 0.5V。建议将电压通道 Un 对应到 ADC 的输入选在有效值 0.22V 左右，而电流通道 Ib 时的 ADC 输入选在有效值 0.05V 左右，参考电压 Refcap 典型值是 1.2V。

电能质量测量

• SAG 功能：以半周波为单位，找到 ADC 采样值绝对值的最大值。某相电压暂降判据为该相电压波形采样值绝对值的峰值的高 16 位小于 SAG 阈值设置寄存器 SAGLVL 的设置值，且持续时间为 SAG 长度设置寄存器 Cyclength 设定的半周波数。
• 过流检测功能：某相电流过流判据为该相电流波形采样值绝对值的峰值的高 16 位大于电流阈值设置寄存器 OILVL 的设定值，检测时间为 Cyclength 设定的半周期数。
• 闪变功能实现方案：通过设置 Cyclength = 1，每 10mS 读取一次 Peak 值，可得到所有半波有效值用于闪变电压计算。
• 电压相序检测：三相四线模式下按 A/B/C 三相电压的过零点顺序判断，三相三线模式下按 A 相电压与 C 相电压的夹角判断。
• 电流相序检测：三相四线模式下按 A/B/C 三相电流的过零点顺序判断，三相三线模式下按 A 相电流与 C 相电流的夹角判断。
• 电压夹角测量：测量精度为 0.1 度，提供三个寄存器分别表示 AB/AC/BC 电压的夹角，范围为 0~360 度，数据更新时间为 3Hz。
• 电压电流相角的测量：提供相角 φ 的检测功能，φ 表示为±180°。
• 功率因数测量：计算公式为 (Pf=frac{abs(P)}{abs(S)})。
• 电压频率测量：可自动选择 A/B/C 三相中的任意一相电压为电压频率测量的基准，增加了稳定过零点的低通滤波，可有效减小噪声和谐波的干扰影响，精度达 0.01Hz。
• 失压检测：可根据设定的阈值电压对 A/B/C 三相电压是否失压进行判断，阈值电压可通过失压阈值设置寄存器 FailVoltage 进行设定。

有效值测量

通过对电流和电压采样值进行平方、开方以及数字滤波等一系列运算得到电流和电压有效值。电流通道输入有效值 500mV 到 1mV 的信号时电流有效值的误差小于 0.2%，电压通道同理。

有功计量

• 有功功率计算：各相的有功功率是通过对去直流分量后的电流、电压信号进行乘法、加法、数字滤波等一系列数字信号处理后得到的，依据公式 (P=frac{1}{N} sum_{n=0}^{N}(U(n) ×I(n))) 计算，合相有功功率 (Pt = Pa + Pb + Pc)。
• 有功能量计算：有功能量通过瞬时有功功率对时间的积分得到，合相有功能量可以根据设置按照代数或者绝对值的模式进行累加。

无功计量

• 无功功率计算：根据真无功功率定义公式 (Q=sum_{k=1}^{infty}(Un ×In ×sin (varphi))) 计算，电压信号采用移相 90 度之后的，移相方式采用 Hilbert 滤波器，测量带宽可高达 41 次谐波。
• 无功能量计算：无功能量通过瞬时无功功率对时间的积分得到，合相无功能量可以根据设置按照代数或者绝对值的模式进行累加。

视在计算

• 视在功率计算：视在功率有 PQS 视在功率（(S=sqrt{P^{2}+Q^{2}})）和 RMS 视在功率（(S = Urms × Irms)）两类计算公式，用户可通过寄存器配置选择使用。
• 视在能量计算：视在能量定义为视在功率对时间的积分，芯片提供这两类的视在能量，通过寄存器控制位选择。

基波谐波功能

新版 ATT7022E 需要提供基波/谐波有效值、基波/谐波有功功率、有功电能。基波/谐波使能控制通过寄存器位 HAREn 使能，并通过寄存器 EnHarmonic 进行基波测量和谐波测量的切换。

功率方向判断

芯片提供实时功率方向指示，方便实现四象限功率计量。负功率指示 REVP 当检测到三相中任意一相的有功功率为负，则 REVP 输出高电平，直到下次检测到所有的有功功率都为正时，REVP 才恢复为低电平。

起动/潜动

芯片提供电流阈值判断和功率阈值判断两种方式实现能量计量的起动和潜动，推荐使用功率阈值判断方式，设置值更准确。

硬件端口检测

芯片可以自动检测硬件端口，当硬件端口改变时，系统将自动复位重新起动，外部端口输入主要有 SEL，用于选择芯片工作在三相三线还是三相四线模式。

片上温度检测

芯片内建温度传感器，并提供一个 8 位的 ADC 对环境温度进行采样输出，分辨率为 0.726℃ /LSB。

基波测量功能

芯片专门提供基波有功电能测量功能，将电压和电流信号中的基波成分分离出来，直接提供精确的基波有功功率以及基波有功电能的计量。基波抽取滤波器用于完成基波测量功能，对高于 3 次（150Hz）以上的谐波信号进行衰减，仅保留基波成分，谐波衰减率在 - 30dB 以上。

三相三线/四线应用

三相四线模式采用三元件测量方法，合相功率计算公式为 (P{4}=U{A} I{A}+U{B} I{B}+U{C} I{C}) 、(Q{4}=dot{U}{A} dot{I}{A} angle 90^{circ}+dot{U}{B} dot{I}{B} angle 90^{circ}+dot{U}{C} dot{I}{C} angle 90^{circ}) 、(S{4}=sqrt{P{4}^{2}+Q{4}^{2}}) ；三相三线模式采用两元件测量方法，合相功率计算公式为 (P{S}=dot{U}{A B} I{A}+dot{U}{C B} I{C}) 、(Q{s}=dot{U}{A B} dot{I}{A} angle 90^{circ}+dot{U}{C B} I{C} angle 90^{circ}) 、(S{3}=sqrt{P{3}^{2}+Q{3}^{2}}) 。

能量脉冲输出

芯片有 4 个高频脉冲输出 CF1/CF2/CF3/CF4，分别对应全波有功电能、全波无功电能、全波视在电能、基波有功电能。电压、电流信号经过变换后在功率测量信号处理电路中相乘得到瞬时功率，对时间积分后成为电能信号，根据设置将 A/B/C 三相电能做绝对值相加或代数值相加运算，并将结果变换成频率信号，然后按照用户设定的分频系数进行分频，得到可用于校表的电能脉冲输出信号。

ADC 采样数据缓冲功能

ATT7022E 内建一个长度为 1024*16bit 的缓存存储区，用以实时保存 ADC 原始采样数据。用户发送命令后，芯片在每个采样周期将相应的 ADC 数据保存到缓存中，直到缓存满为止。用户可以随时读取缓存的内容。

同步采样数据缓冲功能

为便于用户实现分次谐波功能，ATT7022E 额外提供同步采样数据缓冲功能，同时将 7 路 ADC 的同步采样存储在 1024*16bit 的缓冲存储器中。用户可以通过命令启动自动同步采样功能，芯片根据内部计量的频率信息自动调整采样率后开始将同步采样数据保存到缓存中。

Vref 数字自动补偿功能

新版 ATT7022E/26E 增加温度自动补偿功能，当 VrefAotu_en = 1（校表参数 0x70 bit1）且 TPS_En = 1（校表参数 0x31 bit4）时有效。工作机制包括 TPS 初始偏置校正、Tgain 校正寄存器以及新增 Vrefgain 的补偿曲线系数。

通信接口

SPI 通讯接口介绍

芯片内部集成一个 SPI 串行通讯接口，采用从属方式工作，使用 2 条控制线和两条数据线：CS/SCLK/DIN/DOUT。CS 为片选信号，DIN 为串行数据输入，DOUT 为串行数据输出，SCLK 为串行时钟。通讯采用固定长度的数据传输，每次数据通讯都是 1 个字节命令和 3 个字节的数据。

SPI 读操作

ATT7022E/26E/28E 的计量参数及校表参数寄存器通过 SPI 提供给外部 MCU。当 SCLK 频率低于 500kHz 时，不需要等待时间；当 SCLK 频率高于 500kHz 时，需要等待 2uS。

SPI 写操作

SPI 写操作是发送 8 位命令后，紧接着写入 24 位数据。

SPI 写特殊命令字操作

芯片提供一些特殊的命令字以配合软件校表之用，操作过程与 SPI 写操作时序一致。特殊命令包括采样数据缓冲启动命令、缓冲数据读指针设置、清校表数据等。

寄存器

计量参数寄存器

计量参数寄存器包括功率寄存器、有效值寄存器、功率因数寄存器等多种类型，用于存储各种计量参数。例如，功率寄存器采用补码形式给出，最高位是符号位，可根据其值直接得到当前所处的象限。

校表参数寄存器

校表参数寄存器用于配置芯片的各种参数，如模式配置、ADC 增益配置、功率增益补偿等。不同的寄存器有不同的功能和设置方法，在进行校表时需要根据实际情况进行合理设置。

电气规格

芯片的电气参数在一定的测试条件下有明确的规定，如电能计量参数、ADC 参数、功耗、直流参数等。例如，有功电能测量误差在 5000:1 的动态范围内典型值为 0.1%，ADC 采样速率在 EMU 时钟 921.6kHz 时为 14.4kHz 等。

校表过程

在对 ATT7022E/26E/28E 设计的电表进行校正时，必须提供标准电能表。校表流程包括参数设置、分相校正等步骤。参数设置涉及模式配置寄存器、EMU 单元配置寄存器、模拟模块使能寄存器等的写入，以及 HFconst 参数的设置。功率增益校正、相位校正、电压和电流有效值校正等都需要根据相应的公式进行计算和设置。

典型应用

从采样数据得到 FFT 的推荐流程

开启采样功能，等待采样数据完成，设置用户读指针的起始地址，读取采样数据，对数据进行预处理，进行 FFT 变换，如需下一次操作则重复上述步骤。

同步缓冲数据分次谐波分析推荐流程

开启同步采样功能，等待采样数据完成，读取采样数据，对数据进行抽取，进行 FFT 变换，对数据进行增益系数调整，如需下一次操作，先关闭同步采样功能，再重复上述步骤。

典型运用电路原理图

芯片的典型运用电路原理图为实际应用提供了参考，在设计电路时需要根据原理图合理布局和连接各个元件。

ATT7022E/26E/28E 芯片具有丰富的功能和良好的性能，在三相电能计量领域有着广泛的应用前景。电子工程师在设计相关电路时，需要深入了解芯片的各个方面，根据实际需求合理使用芯片的功能，以实现准确的电能计量。你在使用这款芯片的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。