2024年3月14日发(作者：)
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一３８一 仪表技术 ２００２年第４期 电子电能表与电能测量技术讲座 第二讲以ＡＤ７７５５设计的电子电能表 本－Ｔ＇Ｊ编辑部 摘要：介绍电能表ＩＣ ＡＤ７７５５的管脚功能、内部功能框图、工作原理，及以ＡＤ７７５５设计的电能表。 关键词：电能表；集成电路；测量 ＡＤ７７５５是美国ＡＤ公司生产的专用于功率／电能 压为±４７０ｍＶ；Ｐ７一Ｐ８ Ｖ２Ｎ—Ｖ２Ｐ，通道２（电压通道）模 拟输入，最大差动输入电压为±６６０ｍＶ；Ｐ９ ＲＥＳＥＴ，复 位引脚，逻辑低使ＡＤＣ和数字电路保持复位状态，清 测量的低成本集成电路。它的技术指标满足ＧＢ／Ｔ １７２１５—１９９８标准规定的准确度等要求。 １ ＡＤ ７７５５管脚功能 ＡＤ７７５５有２４条引脚，以ＤＩＰ和ＳＳＯＰ形式封装。 ＡＤ７７５５在电子电能表中的连接如图１所示。管脚功 能如下： 内部寄存器；Ｐ１０ ＲＥＦＩＮ／ＯＩ ，电压基准脚，片上基准为５ （±８％）Ｖ，可接外部基准源；Ｐ１１ ＡＧＮＤ，模拟电路参考 地；Ｐ１２ ＳＣＦ，校准频率选择脚；Ｐ１３、Ｐ１４ Ｓ１、ＳＯ，数一频 转换频率选择脚；Ｐ１５、Ｐ１６ Ｇ１、ＧＯ，通道１增益选择 脚；Ｐ１７一Ｐ１８ ＣＬＫＩＮ—ＣＬＫＯＵＴ，外接时钟，钟频 ３．５７９５４５ＭＨｚ；Ｐ２０ ＲＥＶＰ，负功率指示脚，电压信号和 Ｐ１ ＤＶＤＤ，数字电路电源，５（±５％）Ｖ；Ｐ２ＡＣ／ＤＣ，高 通滤波选择脚，逻辑高，高通滤滤器使能；Ｐ３ ＡＶＤＤ，模 拟电路电源，５（±５％）Ｖ；Ｐ４、Ｐ１９ ＮＣ，未接；Ｐ５一Ｐ６ Ｖ１Ｐ —电流信号之间的相位差＞９０。时变为逻辑高；Ｐ２１ ＤＧＮＤ，数字电路参考地；Ｐ２２ ＣＦ，校准频率输出；Ｐ２３、 Ｐ２４ Ｆ２、Ｆ１，低频输出。 Ｖ１Ｎ，通道１（电流通道）模拟输入，最大差动输入电 图１
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２ＯＯ２年第４期 仪表技术 一３９— ２ ＡＤ７７５５内部功能框图和工作原理 比的频率＾１、 （Ｈｚ）。它们与作用在两个输入通道 上的电压有效值具有下列关系： ｆ ＡＤ７７５５的内部功能框图如图２所示。它由模拟 电路（模数转换电路、基准电路与电源电压监测电路） 和数字信号处理电路两部分组成。被测电压、电流转 换为数字量后，接下来的信号处理都在数字域实现； Ｊ 一 ｆ ８．０６×Ｕ１×Ｕ２×Ｇ×ｆｌ～４，１、 Ｒ２ＥＦ 式中， １、 分别为电流通道和电压通道输入端的 ｌ＇ＩｎＳ差动电压（Ｖ），Ｇ为电流通道的增益，选择方法见 ＡＤ７７５５内部的相位校正电路、高通滤波器、乘法器、低 表１；ＵｎｅＦ为基准电压值（Ｖ）； 一４为以Ｓ１、Ｓ０逻辑输入 通滤波器、数字．频率转换器等都为数字电路。 羽豳盯 图２ ＡＤ７７５５内有两个以９００ｋＨｚ过采样速率采样的 １６位２阶∑一△模数转换器（ＡＤＣ）。被测电流经可编 程增益放大器（ＰＧＡ）放大后接电流通道的ＡＤＣ，并由 此ＡＤＣ转换为对应的数字信号。再经相位校正和高 通滤波，进入乘法器。乘法器的另一路输入是由电压 通道ＡＤＣ转换而来的、与被测电压对应的数字信号。 相乘后产生瞬时功率信号。此信号经低通滤波器滤 除其中的交流分量，提取出负载消耗的瞬时有功功 率。ＡＤ７７５５对这个瞬时有功功率信号进行一段时间 的累计、平均，求得平均有功功率，从管脚Ｆ１、Ｆ２输 出，驱动芯片外接的机电式计度器或双相步进电机， 记录电能。与此同时，以较短时间对瞬时有功功率进 行累计，求得与瞬时有功功率成正比的高频频率并经 ｃＦ输出，用于校准或送微控制器累加计数，实现对电 能的计量。 电流通道的ＰＧＡ的增益受管脚Ｇ１、Ｇ０控制，见表 １ 表’１通道１的增益选择表 Ｇ１ ＧＯ 增益 最大差动输入 ０ ０ ｌ ±４７０ｍＶ ０ ｌ ２ ±２３５ｍＶ ｌ ０ ８ ±６０ｍＶ ｌ １ ｌ６ ±３０ｍＶ 高通滤波器是否接入受管脚ＡＣ／ 控制。逻辑 高，ＨＰＦ使能。用来去除电流通道的直流偏移和由此 引起的误差。高通滤波器接入或断开造成的相移，由 相位校正电路校正，使电压通道和电流通道的相位匹 配。 如前所述，管脚Ｆ１、Ｆ２输出与平均有功功率成正 选择的频率（Ｈｚ），选择方法见表２。 表２＾一４等选择表 ＳＣＦ ５ｌ ＳＯ （ｆ、一 Ｋ 分频系数 ＡＣ输入最高频率（Ｈｚ） Ｈｚ） ｌ ０ ０ １．７ ｌ２８ ３．５７９ＭＨｚ／２ ０．３４ Ｏ ０ ０ １．７ ６４ ３．５７９ＭＨｚ／２ ０．３４ ｌ ０ ｌ ３．４ ６４ ３．５７９ＭＨｚ／２２￣ ０．６８ Ｏ ０ ｌ ３．４ ３２ ３．５７９ＭＨｚ／２２￣ ０．６８ １ ｌ Ｏ ６．８ ３２ ３，５７９ＭＨｚ／２ ０ １．３６ Ｏ ｌ ０ ６．８ １６ ３．５７９ＭＨｚ／２ ０ １．３６ ｌ ｌ ｌ ｌ３．６ ｌ６ ３．５７９ＭＨｚ／２ ８ ２．７２ Ｏ ｌ ｌ ｌ３．６ ２Ｏ４８ ３．５７９ＭＨｚ／２ ８ ２．７２ 表２第７列是与两个通道都输入最大电压所对应 的最高输出频率（Ｈｚ）。比如，当Ｇ１＝ＧＯ＝０，Ｓ１：ＳＯ ＝０时，Ｇ＝１，ｆｌ １．７Ｈｚ； Ｖ， Ｖ， Ｒ￡Ｆ＝２．５Ｖ，因此 ｆＦ１一：＝ＪＷ —— 擎 一：０．：Ｕ ３４Ｈｚ考虑到实际电网电压存在波动和负载电流可能超 载，设计电能表时，两个模拟通道的输入电压一般都留 有足够的超量程余地。比如，取允许的最大值的一半。 表２第５列是用管脚ＳＣＦ、Ｓ１、ＳＯ逻辑输入选择的 转换系数，ｃＦ脚输出的频率为 ｆｃＦ：轿】 （２） 由表２知，ｃＦ端输出的频率能高达＾１的２０４８倍。 ３以ＡＤ７７５５设计的电能表 图１是以ＡＤ７７５５设计的一种单相低成本电能表 电路图。线路电压２２０Ｖ，基本电流， 为５Ａ，动态范围 ４ｏｏ（规定准确度的电流范围为２％，ｂ～，～，即ｌＯＯｍＡ ～４０Ａ）；计度器的电表常数Ｃ为ｌＯＯｉｍｐ／ｋＷｈ，即 ＡＤ７７５５发１００个脉冲，计度器记录１ｋＷｈ电。 为满足电流通道的动态范围且留有充分的余量， 选用３５０ｔ￣的分流器；以其将负载电流转换为电压， 接Ｖ１Ｐ和Ｖ１Ｎ。线路电压经电压分压器分压，也降到 允许的最大电压范围之内，接Ｖ２Ｐ和Ｖ２Ｎ。 负载电流为基本电流（５Ａ）时，线路的功耗为Ｐ＝ ２２０×５＝１．１ｋＷ。乘以电表常数得， 情况下的输出频 率：
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－－——４０－－—— 仪表技术 ２００２年第４期 ｆＦｌ＝Ｐ ｘ Ｃ＝１．１ ｘ １００／３６００＝０．０３０５５５５Ｈｚ 了校准网络，通过短接或断开Ｊｌ～Ｊ１０，可在±３０％范 围内进行调节。因为 ｌ５＋Ｒｌ６＝６６０ｋｉ２，大于大于 ４ （１ｋＱ），因此，即使Ｒ５～Ｒ１４全部短接，这条支路的 一从最大电流为４０Ａ和再留有足够余量出发，查 ＡＤ７７５５数据表，选择ｆｌ一４＝３．４Ｈｚ。 ＝ ３ｄＢ频率仍由Ｒ４和Ｃ４的值决定。据厂家介绍，从 Ｊｌ～Ｊ１０全部接通变化到Ｊｌ～Ｊ１０全部断开，５０Ｈｚ处产 Ｕｌ＝５ ｘ ３５０＝１７５０／￣Ｖ＝１．７５ｍＶ 生的相移仅为０．０００４。。考虑到分流器存在寄生电感， 较大时需要进行补偿。当分滤器阻值很小时，如，小于 ２００ ，特别要注意此问题。 ＡＤ７７５５的供电电压由电容分压器分压、二极管整 流、ＲＣ滤波和７８０５ ＩＣ稳压产生。７８０５的输出以Ｃ１３ 并以最大电流产生的压降和表１，选择Ｇ：１６ 丽＝等 ０．０３０５５５ ｘ ２．５２ 丽 ２４８．９ｍＶ 利用电阻Ｒ４、Ｒ５～Ｒ１４、Ｒ１５、Ｒ１６将２２０Ｖ线路电 压降到２４８．９ｍＶ。 （１０／￣Ｆ）和Ｃ１２（１００ｎＦ）退耦，接ＡＤ７７５５的ＤＶ Ｕ１）。ＶＵＤ再 经１ｔ２２（１０１２）、Ｃ１０（１００ｎＦ）和Ｃ１１（２２０￣Ｆ）滤波，接 图１中Ｒ１、ｃ１，Ｒ２、ｃ２，Ｒ３、ｃ３，Ｒ４／／（Ｒ５～Ｒ１６）、Ｃ４ 为抗混叠滤波器。因为ＡＤ７７５５以９００ｋＨｚ过采样速率 采样，故大大简化了抗混叠滤波器的设计。不过，两个 通道之间的相位匹配非常重要。例如，当ｃｏｓ：０．５ 时，０．２ｏ的外部相位误差将产生０．６％的测量误差。为 使两个通道的相位匹配，电阻、电容的取值分别为 ＝ＡＤ７７５５的模拟电路电源管脚Ａｖ１）Ｉ 。 ＡＤ７７５５的ＣＬＫＩＮ和ＣＬＫＯＵＴ管脚接３．５７９５４５ＭＨｚ 晶体和２只２２ｐＦ陶瓷电容。 考虑抗电磁干扰，除原有的滤波电路外，图１电流 输入通道中增加了ｚ３、Ｚ４铁氧体，电源电路部分增加 了由ｚ１铁氧体、Ｃ１６电容和ＭＯＶ１金属氧化物压敏电 Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝ｌｋｌ２（精度为１％）；Ｃ】：Ｃ２＝Ｃ３＝Ｃ４ ３３ｎＦ；Ｒ５＝３００ｋ￣，Ｒ６＝１５０ｋｌ２，Ｒ７＝７５ｋｌ２，Ｒ８＝ 阻组成的滤波网络等；印刷电路板制作时，将模拟地和 数字地分开，缩短模拟信号线的长度，仔细安排电容电 流流过的地回路，将地平面尽可能做大，以带引脚的铁 氧体Ｚ２连通模拟地平面与数字地平面（单点连接）等。 （黄丽丽编发） ＝３９ｋｌ２，Ｒ９＝１８ｋｌ２，Ｒｌ０＝９．１ｋＱ，Ｒ】ｌ＝５．１ｋＱ，Ｒｌ，＝ ２．２ｋｌ２，Ｒｌ３＝１．２ｋｌ２，Ｒｌ４＝５６０１２，Ｒｌ５＝Ｒｌ６＝３３０ｋｌ２。考 虑到选用的分流器和基准源都存在允差，图１中设置 （上接第１５页） 自动量程转换、采集数据并进行平均滤波、温度误差修 正等系统的大部分工作。 ４结束语 ｌ系统初始化 ｌ 调用数据采集处理子程序 上述电子秤的设计为我们展示了智能仪器设计的 一记入零点单元 般方法和过程，实践证明是行之有效的，可以作为设 计其他智能仪器的借鉴和参考。 调用数据采集处理子程序 参考文献： ［１］阙沛文．微型计算机在检测技术及仪器中的应用［Ｍ］．上海 交通大学出版社，２０００。１． ［２］庄严，等．误差合成与分配原理在智能仪器设计中的应用 ［Ｊ］．计量技术，２００２，（６）． ［３］赵新民．智能仪器原理及设计［Ｍ］．哈尔滨工业大学出版 社，１９９ｏ，１２． Ｉ减去零点 ＩＩ Ｉ ［４］赵负图，等．国内外传感器手册［Ｍ］．辽宁科学技术出版社， 图３主程序流程图 图４数据采集处理子程序 １９９７，８． 在主程序中，对系统初始化，调用数据采集处理子 程序来清零（去零点）、数据采集处理，并将数字量量化 成重量值进行显示。在数据采集处理子程序中，完成 ［５］杨盘洪．最新集成运算放大器应用手册［Ｍ］．山西科学技术 出版社，１９９８，９． （郁红编发）
