内置振荡器的电能测量芯片ADE7757及其应用

１概述

　　ａｄｅ７７５７是美国ａｄ公司推出的高精度电能测量集成芯片。与原有的同系列ａｄｅ７７５５相比，其芯片引脚较少，且内置了一个精确的振荡器电路来给芯片提供时钟。这就使得使用ａｄｅ７７５７的仪表省掉了外部晶体或者共振器，因此可以降低总体成本。

　　该芯片的内部电路除了ａｄｃ和参考电路是模拟电路外，其余均为数字电路，因此芯片在长时间与极端工作条件下具有卓越的稳定性与精度。

　　ａｄｅ７７５７可在低频输出引脚ｆ１、ｆ２上输出平均有功功率，并可直接驱动一个机电计数器或与ｍｃｕ的接口。而高频ｃｆ逻辑则可输出用于校准的瞬时有功功率。ａｄｅ７７５７的基本特性和参数如下：

　　● 带有片内振荡器，可作为时钟源；
　　● 精度高，且与５０Hｚ／６０Hｚ的ｉｅｃ５２１／１０３６标准兼容；
　　● 逻辑输出引脚ｒｅｖｐ可用来指示可能的接线错误或负功率；
　　● 带有片内电源监视器；
　　● 采用单５ｖ电源，功耗较低；
　　● 采用交流输入。

２内部结构及引脚功能

　　ａｄｅ７７５７是１６脚ｓｏｉｃ封装，图１为其内部结构框图，各引脚的功能见表１所列。



３ａｄｅ７７５７的原理特性

　　图１所示是ａｄｅ７７５７的内部原理图，图中，两个ａｄｃ电路将电流传感器和电压传感器送入的电压信号进行数字化。这个模拟输入结构大大简化了传感器接口电路，并提供了很大的动态范围，同时简化了滤波器的设计。电流通道（ｖ１通道）的高通滤波器（ｈｐｆ）去掉了电流信号里的全部直流成分，从而减少了有功功率计算中由电压或电流信号偏移带来的不精确性。

　　有功功率的计算可由瞬时功率信号获得。瞬时功率等于电流与电压信号的乘积。

　　低频输出ｆ１、ｆ２可由有功功率的积累来获得。低频意味着在输出脉冲之间的长时间积累。因此，输出频率正比于平均有功功率。平均有功功率的信息积累（如用一计数器）可得到有功能量。相反地，ｃｆ脚输出高频率可缩短积累时间，其输出频率正比于瞬时有功功率。

３.１ 片内振荡器（ｏｓｃ）

　　ａｄｅ７７５７的片内振荡器频率与内部振荡器的使能端ｒｃｌｋｉｎ的外接电阻成反比。外接电阻为５.５～２０ｋΩ时，振荡器可正常工作，但一般选用５.５～６.４ｋΩ的范围。当ｒｃｌｋｉｎ接６.２ｋΩ电阻时，内部振荡器的频率为４６６ｋHｚ。因为输出频率是与振荡器频率直接成比例的，因此外接电阻必须具有低公差和低温度漂移等特性，以保证芯片的稳定性与线性度。

３.２ 电流与电压通道的模拟输入

　　通常电流传感器的电压输出可由通道ｖ１接入ａｄｅ７７５７芯片。通道ｖ１是一个全微分电压输入通道，ｖ１ｐ是正极输入，ｖ１ｎ是负极输入。特殊应用时，通道ｖ１的最大微分信号应小于±３０ｍｖ（相对于ａｇｎｄ），普通应用时为±６．２５ｍｖ。通道ｖ１的典型连接电路如图２所示，该图中的电流传感器实际上是一分流电阻，相对于其它电流传感器（如电流变压器），该分流电阻的功耗较低，这更有利于小电流仪表。


　　电压传感器的电压输出则由通道ｖ２接入ａｄｅ７７５７芯片。通道ｖ２也是一个全微分电压输入通道，ｖ２ｐ是正极输入，ｖ２ｎ是负极输入。其最大微分信号为±１６５ｍｖ。输入电压以ａｇｎｄ为参考。通道ｖ２的典型连接电路见图３。典型情况下，ａｄｅ７７５７相对于中性线有一个偏差，可用一个电阻分配器提供一个正比于线电压的电压信号。另外，调整ｒａ，ｒｂ，ｒｆ的比例也是调整仪表增益刻度的有效方法。

３.３ 数／频转换

　　如前所述，低通滤波器（ｌｐｆ）的数字输出中包括有功功率信息。然而由于ｌｐｆ不是理想的滤波器，因此输出信号还包括有削弱了的线频率及其谐波成分ｃｏｓ（ｈωｔ），其中ｈ＝１，２，３……。由于瞬时功率计算的原因，主要谐波成分为线频率的两倍，即２ω。实际上，ｌｐｆ输出的瞬时有功功率信号仍包括了大量的瞬时功率信息，例如ｃｏｓ（２ωｔ）。

　　此信号被送入数字频率转换器并经过积累，即可得到输出频率。信号的积累可以减少瞬时有功功率信号中的任何非直流成分。另外，由于正弦信号的平均值为０，因此ａｄｅ７７５７产生的频率与平均有功功率成比例。


　　频率输出ｃｆ随着时间而变化的原因主要是瞬时有功功率信号中的ｃｏｓ（２ωｔ）成分所致。ｃｆ输出的频率可以达到ｆ１和ｆ２输出频率的２０４８倍，这个高频输出是在数字转换为频率时积累了很短的时间而产生的。积累时间很短意味着只包括很少的ｃｏｓ（２ωｔ）成分，这就使得一些瞬时有功功率信号通过了数字频率转换器。这在实际应用中不成问题，因为当ｃｆ用作校准时，频率将会通过频率计数器来平均，由此去掉波纹。

　　由于ｆ１和ｆ２的输出频率很低，因此引入了很多的瞬时有功功率信号的平均值，所以输出的是大大削弱了正弦成分的频率。

３.４ 传输函数

ａ. ｆ１和ｆ２的频率输出

　　如前所述，ｆ１和ｆ２的频率输出是对有功功率信号较长时间的积累，它与平均有功功率成比例。输出频率与输入电压和电流信号的关系如下：


　　其中，ｆｒｅｑ为ｆ１和ｆ２的输出频率，单位为ｈｚ，ｖ１ｒｍｓ和ｖ２ｒｍｓ是通道ｖ１和ｖ２的差分电压信号输入（ｖ），ｖｒｅｆ为参考电压（２．５ｖ±８％），ｆ１－４是表２中由逻辑输入ｓ０和ｓ１选择的四种可能的频率之一。


ｂ. ｃｆ的频率输出

　　表３所列为ｃｆ最大输出频率与ｆ１、ｆ２之间的关系。当逻辑输入ｓｃｆ为０，而ｓ１和ｓ０为１时，其最大值为２．８６７ｋｈｚ。

３.５ ａｄｅ７７５７与微控制器的接口

　　ａｄｅ７７５７与微控制器最简易的连接方式可利用ｃｆ的高频输出来完成。连接时，可将ｃｆ设置为最大输出频率（如图４所示），并将ｃｆ连接至ｍｃｕ计数器或接口，然后在ｍｃｕ内部定时器规定的时间内计数脉冲，并取平均功率等于平均频率，同时，该值也等于计数所得值与计数时间的比值。这样，此计数时间内所消耗的能量为平均功率与时间的乘积，也就是说计数值／时间与时间乘积的计数值。

４应用电路

　　利用ａｄｅ７７５７可以很方便地构成一个完整的低成本、微功耗的电能测量仪表。图５为其应用电路，图中，ａ３和ａ４接入电流传感器送来的电压信号，并经电容滤波后送入ｖ１通道。ａ１和ａ２接入电压传感器送来的电压信号并经可变电阻（用来调节精度）送入ｖ２通道。ａ７、ａ８接到记度器，用ｃｆ输出的脉冲来驱动记度器走字。ａ５、ａ６输出ｆ１和ｆ２的脉冲可接到脉冲线。其中，ｖｄ３用来指示输出的脉冲，ｖｄ４指示反向输入，７８ｌ０５用来给ａｄｅ７７５７提供＋５ｖ电源。ｒｃｌｋｉｎ直接接６.２ｋΩ电阻，从而使该电路不用外加振荡器。

　　笔者按照上述原理与电路研制了一台电能表，并用它来驱动记度器，使用结果非常满意，误差非常小，其跳变在０.２以内，且功耗也非常小。

５结论

　　通过上述分析与试验，ａｄｅ７７５７必将在电能测量中得到广泛的应用。它不仅具有较为简单的电路结构，而且所需的单片机资源也很少。