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基于CS5460A芯片的电网电流表设计 (1)

2014-11-3 19:53:56 点击:2189 来自:admin

2014-10-14 14:03:42   来源:eefocus  
 
关键字:电网 电流表 CS5460A AT89C52 X5045
  传统的电网电流表一般都采用指针式表头,且都存在着测量范围小,稳定性差,精度低,表头指针指示不便于读数且误差大等缺点,已经不适应社会发展的需要。而随着智能化测控技术的迅速发展.以单片机为核心的数字电表的优势已十分明显。为此,本文采用单片机作为仪表的主控制器,并用Cirrus Logic公司的电能计量芯片负责采集数据,给出了一款性价比高、抗干扰能力强、测量精度很的电网电流表的设计方法。
  1 系统工作原理
  在工业生产和日常生活中,准确、实时的测量电网电流是必不可少的。本文采用开关稳压电源将220 V交流市电整流稳压为模拟、数字两路+5 V电源,来为整个电表电路供电。然后通过电流互感器检测电流信号,再将其转换为电压信号,并送入单相功率/电能集成芯片CS5460A内,同时在片内完成信号的采样、计算和误差校正。整个过程可在MCU控制下进行。该仪表系统的工作原理及结构框图如图1所示。

  本系统中的开关稳压电源具有功耗小、稳压范围宽、体积小、重量轻、安全可靠等优点。由于系统检测电路部分要用到CS5460A,因此,为了避免模数间的干扰,该开关稳压电源部分需要有两路+5 V输出。
  2 基于CS5460A的电流检测电路
  系统中的电流检测电路是该电流表设计的核心部分.其主要功能是在AT89C52的控制下由CS5460A检测电流信号并输出瞬时值给单片机,本电路选用X5045来存放标准校正值。以供单片机随时校准电流值。检测电路中的主要器件有电流互感器、CS5460A、AT89C52、X5045等。
  2.1 CS5460A功能概述
  CS5460A是一个包含有两个△∑模一数转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高集成△∑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,可用于研制开发单相二线或三线电表。CS5460A可以使用低成本的分流器或电流互感器来测量电流,而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。此外,CS5460A还具有方便的片上AC/DC系统校准功能。“自引导”的特点使CS5460A能独自工作,可在系统上电后自动初始化。在自引导模式,CS5460A可从一个外部:EEPROM中读取校准数据和启动指令。使用该模式时,CS5460A在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可以提供瞬时电压/电流,功率数据采样以及有功能量、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,其输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比。同时,CS5460A还专为功率测量进行了优化,非常适合与分流器或电流互感器相连来测量电流:或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,其电流通道集成有一个增益可编程的放大器(PGA),从而使输入电平满量程可选择为±250 mVRMS或±50 mV RMS。电压通道的PGA可适应±250mV的输入电压范围。对于VA+和VA-两端接单+5V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 V到+5 V。另外,设计时可以在某一个信道或两个信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,可将两个△∑调制器的输出衰减10倍并积分。滤波器以(MCLK/K)/1024的字输出速率(OWR)输出24位数据。为了方便与外部微控制器的通讯,CS5460A还集成有一个简单的三线串行接口,该串口与SPPM和MicrowireTM标准兼容。串口的串行时钟(SCL)和RESET引脚内包含的一个施密特触发器,允许使用上升速度较慢的信号。
  CS5460A特性如下:
  电能数据的线性度在1000∶1动态范围内为±0.1%:
  片内可以测量电能(有功)、I*V、IRMS和VRMS,并具有电能一脉冲转换功能;
  可以从串行EEPROM智能“自引导”,不需要微控制器:
  可AC或DC系统校准:
  具有机械计度器/步进电机驱动器:
  符合IEC687/1036,JIS工业标准;
  功耗<12mW:
  带有优化的分流器接口:
  具有V对I的相位补偿:
  单电源地参考信号
  片内带有2.5 V参考电压(最大温漂60ppm/℃);
  有简单的三线数字符串行接口和看门狗定时器:
  内带电源监视器:
  电源配置为VA+=+5 V;VA-=0V;VD+=+3.3V~+5 V
  图2所示为CS5460A在单电源单相二线系统的功率测量方案电路图。该电路可用监控电源线电流的电阻分流器联接在电源的火线端。

      
2.2电流检测电路
  通过电流互感器可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可实现高压与低压的隔离。图3所示是本系统的电流检测电路。由于CS5460A的电流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,图2电路中由R1、R2将互感电流转变为电压信号,再通过R3、R4限流和C3、C4滤波后输入到CS5460A的电流检测管脚(16、15)。另外,在两路输入中。还分别使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,可在两路电源输入端分别加一小滤波电容。由于此为电流检测。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。另外,将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4.096 MHz的晶振。以用过程控制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可以完成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、数图3 系统电流检测电路字两种信号,因此,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。
(本文转自电子工程世界:http://news.eeworld.com.cn/mcu/2014/1014/article_16512.html)

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