计量电路芯片介绍

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1、电子式电能表计量芯片原理与常用计量芯片简介主讲人:胡宁2006－1－12三星科技有限公司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

2、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。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

3、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

4、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

5、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；Cry-stal公司的CS5460，Atmel公司的AT73C500、AT73C501和AT13C502系列产品等。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

6、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以了。芯片中可通过串行口读写的寄存器有数十个之多，可以读入所需的所

7、有电量数据。所以，电能计量芯片不仅决定了电能表的主要性能(见GB/T17215)，而且在技术上无论是硬件还是软件(已固化在芯片内)也都比后续单片机系统复杂的多。单片机系统的主要任务，在系统的前端是写计量芯片的控制寄存器、读计量芯片的数据寄存器和接受状态信息及处理中断；在系统的后端就是显示、计量分时电能和需量、管理(如通过RS485、红外等通信接口进行通信)等。这样，电能表的两个单元——计量单元和数据处理单元较为均衡、合理。目前的电能计量芯片的另一特点是把电测量理论关于电功率(电能)的一些基本理论融入了芯片制造技术之中，如：功率表的角

8、误差、乘法器的瞬时功率信号频谱、关于无功功率(电能)的处理方法以及电源周波电能累计模式应用于校正等。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