一種新型電網數顯功率表的電路設計

1 系統工作原理
??? 在直流電路中，有功功率反映被測電路的電壓和電流的乘積(P=UI)；在交流電路中，除了這個乘積外，還應反映其相位差的余弦，即電路的功率因數cosψ，有P=UI／cosψ。對于工業生產和日常生活，準確、實時的測量電網功率是必不可少的。本系統采用開關穩壓電壓源，將220 V交流市電整流穩壓為模擬、數字兩路+5 V電源，為整個電表電路供電。采用先進的單相雙向功率／電能集成芯片CS5460A。通過電流互感器檢測的電流信號，通過電阻分壓器輸入的電壓信號，可直接輸入該集成芯片，在片內完成A／D轉換和瞬時有功功率計算。其基本結構框圖，如圖1所示。

2 開關電源電路
??? 電源是電子設備的核心部分，其質量的好壞直接影響著電子設備的可靠性，而且電子設備的故障大都來自電源，因此在設計電子設備時，電源的設計十分重要。現代電子設備使用的電源大致有線性穩壓電源和開關電源兩大類。所謂線性穩壓電源，就是其調整管工作在線性放大區。這種穩壓電源的主要缺點是變換效率低，一般只有35％～60％；開關穩壓電源的調整管工作在開關狀態，主要的優越性就是變換效率高，可達70％～95％。此外，開關穩壓電源還有功耗小、穩壓范圍寬、體積小、重量輕、安全可靠等優點。目前電子設備的穩壓電源逐漸被開關穩壓電源所取代。在本系統中，由于在檢測部分要用到C55460A，為了避免干擾，需要模擬和數字兩路+5 V電源，因此，在開關穩壓電源部分也需要有兩路+5 V電源。該部分電路原理圖，如圖2所示。

3 功率檢測電路
??? 功率檢測電路是該功率表設計的主要部分。其主要功能是在單片機P89LPC916的控制下由CS5460A檢測功率并輸出功率值，其中X5045存放標準校正值，供單片機隨時校準功率值。其電路原理圖，如圖3所示。檢測電路中主要器件有功率互感器、CS5460A、單片機P89LPC916、X5045等。

3．1 CS5460A功能概述
??? CS5460A是一個包含兩個△∑模一數轉換器(ADC)、高速電能計算功能和一個串行接口的高度集成的△∑模一數轉換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、IRMS和VRMS，用于研制開發單相2線或3線電表。

?CS5460A可以使用低成本的分流器或電流互感器測量電流，使用分壓電阻或電壓互感器測量電壓。CS5460A具有與微控制器通訊的雙向串口，芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5460A具有方便的片上AC／DC系統校準功能。“自引導”的特點使CS5460A能獨立工作，系統上電后自動初始化。在自引導模式中，CC5460A從一個外部EEPROM中讀取校準數據和啟動指令。使用該模式時，CS5460A工作時不需要外加微控制器，因此當電表用于大批量住宅電能測量時，可降低電表的成本。
??? CS5460A是具有有功功率計算引擎的CMOS單片功率測量芯片，它包含了兩個增益可編程放大器、兩個△∑調制器、兩個高速濾波器，具有系統校準和有效值／功率計算功能，以提供瞬時電壓／電流／功率數據采樣及有功能量、IRMS、VRMS的周期計算結果。為適應低價測量應用，CS5460A也能在給定引腳上輸出脈沖串，輸出的脈沖數與有功能量寄存器的數值成正比。CS5460A專為功率測量進行了優化，它適合與分流器或電流互感器相連來測量電流；與分壓電阻或電壓互感器相連來測量電壓。為適應不同電平的輸入電壓，電流通道集成有一個增益可編程放大器(PGA)，使輸入電平滿量程可選擇為±250 mVRMS或±50 mVRMS。電壓通道的PGA可適應±250 mV的輸入電壓范圍。對于VA+和VA－兩端接單+5 V電源的情況，兩個通道的差模輸入引腳間所加的共模+信號電壓為－0．25～+5 V。另外，設計時可以在某一個通道或兩個通道實現雙端差模輸入，此時輸入信號的共模電壓加在AGND上。CS5460A每通道都有一個高速數字濾波器，將兩個△∑調制器的輸出衰減10倍并積分。濾波器以(MCLK／K)／1 024的字輸出速率(OWR)輸出24位數據。為了方便與外部微控制器通訊，CS5460A集成有一個簡單的三線串行接口，該串口與SPITM和Micro WireTM標準兼容。串口的串行時鐘(SCLK)和RESET引腳內包含一個施密特觸發器，允許使用上升速度較慢的信號。
??? CS5460A特性：
??? (1)電能數據線性度：在1 000：1動態范圍內線性度為±0．1％；
??? (2)片內功能：可以測量電能(有功)，I×V，IRMS和VRMS，具有電能一脈沖轉換功能；
??? (3)可以從串行EEPROM智能“自引導”，不需要微控制器；
??? (4)AC或DC系統校準；
??? (5)具有機械計度器／步進電機驅動器；
??? (6)符合IEC687／1036，JIS工業標準；
??? (7)功耗<12 mW；
??? (8)優化的分流器接口；
??? (9)V對I向相位補償；
??? (10)單電源地參考信號；
??? (11)片內2．5 V參考電壓(最大溫漂60 ppm／°C)；
??? (12)簡單的三線數字串行接口；
??? (13)看門狗定時器；
??? (14)內帶電源監視器；
??? (15)電源配置為VA+=+5 V；VA－=0 V；
??? VD+=+3．3～+5 V。
??? 如圖4所示為CS5460A在單電源單相2線系統的功率測量方案，該圖用于監控電源線電流的電阻分流器聯接在電源的火線端。

3．2 功率檢測電路工作原理
??? 首先通過電流互感器獲取高壓電路的互感電流。采用電流互感器這種形式的主要優點在于，實現了高壓與低壓的隔離。由于CS5460A的功率檢測實際上是將電流信號轉變為電壓信號后的電壓檢測，所以在電路中由R48、R49將互感電流轉變為電壓信號，再通過R50、R51限流和C21、C22濾波后輸入到CS5460A的功率檢測管腳15、16。另外，在兩路輸人中分別用二極管進行電壓嵌位，以避免電壓過高時損壞CS5460A。CS5460A的3、14腳分別為，模擬、數字+5 V電源。同時為了濾除電壓波動增加電源的穩定性，在兩路電源輸入時分別加一小濾波電容。由于此為功率檢測，所以電壓檢測的兩輸入腳9、10為了避免干擾也應接模擬地。13腳VA－接模擬地，4腳DGND接數字地，模擬地和數字地之間用電感連接。1、24(XOUT，XIN)兩腳接頻率為4．096 MHz的晶振。CS5460A自動完成輸入信號的檢測，并通過6腳SDO輸出數據；同時，分別由5腳SCLK、7腳CS、19腳R＼E＼S＼、20腳I＼N＼T＼、23腳SDI輸出單片機的時鐘脈沖、片選信號、復位信號、中斷信號和單片機對CS5460A的控制信號。由于CS5460A完成了對模擬信號的檢測并以數字信號輸出檢測值，即一個芯片同時有模擬、數字兩種信號，它需要模擬數字兩路電源；同時，其需要接地的管腳一定要正確接相應的地，不然將會引入很大的干擾。

4 控制電路
??? 儀表中，由單片機P89LPC916控制CS5460A檢測功率和顯示數值。電路加電以后通過撥碼開關對電路進行初始化。通過撥碼開關輸入單片機要初始化的電量的代碼，單片機根據設定好的編碼規則向CS5460A發出相應的指令，CS5460A根據單片機發出的指令將相應需要初始化的電量的標準校準值傳給單片機，單片機再將此數據傳給。X5045并存儲在其中，供CS5460A復位時再次獲得校準值，同時供單片機隨時校準檢測值，從而提高精度。X5045中的看門狗電路用于單片機復位，即通過編程可選擇3種定時時間，當單片機因外界干擾而引起程序陷入死循環或跑飛狀態時，在設定的定時時間內，如果沒有對：X5045進行訪問，則X5045的復位信號引腳RESET。變為高電平，延時約200 ms后RESET再變為低電平。X5045的RESET腳接著向IST，X5045發出復位信號引起單片機復位，從而避免單片機死機，增加了電表的穩定性。

5 顯示電路
??? 儀表系統采用7段LED顯示，如圖5所示。

6 結束語

??? 文中給出了該新型智能化變換器式功率表的設計，綜述了該儀表系統的工作原理和設計思想，重點介紹了功率檢測電路的原理和設計。本儀表經實際使用證明，具有體積小、成本低、精度高、可靠性好等優點，有較好的市場前景。此外，還可以針對不同的用戶，進一步修改軟硬件系統，增加功能，滿足用戶實際需求。