1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1 引言CS5463是帶有串行接口和-模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠進(jìn)行高速功率(電能)計算的高度集成電路。CS5463可以通過使用低成本的分壓電阻器或電壓互感器測量電壓，使用分流器或電流互感器測量電流，從而計算出有功功率，因此該電路特別適用于開發(fā)單相2線、3線用電表。與上代的CS5460相比，CS5463還能提供視在功率、無功功率等多種參數(shù)計算，可滿足設(shè)計者的多方面需求。此外，CS5463片內(nèi)還帶有溫度傳感器，有助于設(shè)計者調(diào)整溫度漂移誤差，提高測量精度。2 CS5463的主要特點(diǎn)CS5463的特性如下：(1)電能數(shù)據(jù)在1000：l動態(tài)范圍內(nèi)的線性度為±0.1；(2)精

2、確測量瞬時電壓、電流、功率以及電壓、電流有效值；(3)計算視在、有功和無功功率，基波有功、諧波功率和功率因數(shù)；(4)電能/脈沖轉(zhuǎn)換功能；(5)低功耗(小于12 mW)；(6)單電源地參考信號；(7)內(nèi)置電源監(jiān)視器；(8)從串行EEPROM“自引導(dǎo)”，可以不用微控制器；(9)簡單的3線數(shù)字串行接口；(10)優(yōu)化的分流電阻器的輸入接口；(11)帶有溫度傳感器；(12)具有機(jī)械計數(shù)器/步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)CS5463的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由2個可編程增益放大器、2個-調(diào)制器、配套的高速濾波器、功率計算引擎、偏置和增益校正、功率監(jiān)測、串行接口及相應(yīng)功能寄存器等組

3、成。2個可編程放大器采集電壓和電流數(shù)據(jù)，-調(diào)制器對模擬量采樣處理，高速數(shù)字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數(shù)字信號，功率計算引擎計算各類型的功率，電壓、電流，并將計算的功率值通過串行接口對外輸出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。該電路還有能量脈沖信號輸出模塊，可以直接外接計數(shù)器或步進(jìn)電機(jī)，從而省去微控制器而直接外送用電量，降低電表類產(chǎn)品的成本。3.2 引腳功能VA+/VA-：正負(fù)模擬電源，+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供電；VD+/DGND：數(shù)字電源和數(shù)字地，+5V/0V供電；PFMON：掉電監(jiān)視器，監(jiān)視模擬電源狀況。VIN+/VIN-：電壓通道的差模模擬輸入，范圍

4、是±250mV；IIN+/IIN-：電流通道的差模模擬輸入，范圍是±50 mV(PGA設(shè)置為50×時)；VREFIN/VREFOUT：參考電壓輸入/輸出，為片上調(diào)制器提供參考電壓及其輸出，通常為2.5 V。MODB模式選擇，用于配置CS5463自引導(dǎo)模式；RESET/INT：復(fù)位及中斷；CS：片選信號，為低電平時，端口可識別串行時鐘等信號。SCLK：串行時鐘輸入，該時鐘信號確定SDI、SDO的輸入/輸出速率，只在CS低電平時有效；SDI/SDO：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出；E1/E2/E3(EOUT)：能量輸出，輸出低電平有效、頻率和能量成比例關(guān)系的脈沖，3個引腳分別對應(yīng)

5、有功功率、視在功率和無功功率。4 CS5463的工作原理4.1 輸入濾波電壓和電流通道的輸入模擬信號送入可編程PGA進(jìn)行增益放大，放大后由-調(diào)制器以一定的采樣速度采樣，采樣的結(jié)果再進(jìn)行高速數(shù)字濾波，得到符合要求的數(shù)字信號。電壓輸入通道采用二階-調(diào)制器，高速濾波器由一個固定的Sinc2濾波器實(shí)現(xiàn)；電流通道采用四階-調(diào)制器，并用一個Sinc4濾波器實(shí)現(xiàn)，與電壓通道的范圍相比，可以在輸入跨度更大的情況下實(shí)現(xiàn)電流通道的精確測量。2個通道的數(shù)據(jù)接著通過2個FIR補(bǔ)償濾波器來補(bǔ)償通過低通濾波器后產(chǎn)生的幅值損耗。另外，2個通道都提供了一個可選的高通濾波器(HPF)，它可以在有效值、電能計算之前除去電壓和電流

6、信號中的直流成分。4.2 增益及DC偏移量調(diào)整濾波后的瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量將進(jìn)行偏移量和增益調(diào)整，這是基于DC偏移量寄存器(加法運(yùn)算)和增益寄存器(乘法運(yùn)算)的調(diào)整。調(diào)整后的24位瞬態(tài)數(shù)據(jù)采樣值將存入瞬態(tài)電壓和電流寄存器，用戶可以通過串口從中讀出采樣數(shù)據(jù)。4.3 能量計算以有功功率的計算為例，采樣得到瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量，把每對瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)據(jù)相乘，得到瞬時有功功率的采樣值。每個A/D采樣周期后，新的瞬態(tài)功率采樣值就存入功率寄存器，N個瞬時功率采樣值為一組，每組的值累加和用于計算以后放在能量寄存器中的數(shù)值，它與電路在N個A/D轉(zhuǎn)換周期中的有功功率值成正比。同樣原理，電壓和電流有效值也利

7、用最近的N個瞬態(tài)電壓、電流采樣值計算，并可從RMS電壓和電流寄存器中讀出。4.4 串行接口CS5463的串行接口使用了包括2條控制線CS、SCLK和2條數(shù)據(jù)線SDI、SDO的外接方式。串行接口集成了帶有發(fā)送、接收緩沖器的狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)在SCLK的上升沿解析8位命令字，根據(jù)對命令的解碼執(zhí)行相應(yīng)的操作，或者為被尋址的寄存器的數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備，內(nèi)部寄存器都是24位。讀操作需將被尋址的內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送緩沖區(qū)；寫操作在數(shù)據(jù)傳輸前要等24個SCLK周期。所有的命令字長度均為1個字節(jié)。寫寄存器命令后必須緊跟1、2或3個字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)；讀寄存器命令則發(fā)出3字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)。圖2和圖3分別示出串口緩沖

8、區(qū)的讀、寫時序。數(shù)據(jù)的讀和寫通過向串口SDI引腳寫入相應(yīng)的8位命令字(高位在前)來啟動。當(dāng)命令包含寫操作時，串口將在下面24個SCLK周期記錄SDI引腳的數(shù)據(jù)(從高位開始)。寄存器寫指令后必須跟24位的數(shù)據(jù)，一旦收到數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)便將數(shù)據(jù)寫入配置寄存器，然后等待下一個命令。啟動讀命令后，串口將在下8個、16個或24個SCLK周期啟動SDO引腳上的寄存器進(jìn)行內(nèi)容轉(zhuǎn)移(從高位開始)，寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上。讀寄存器時，微控制器可以同時發(fā)送新指令，并立即執(zhí)行新指令，同時終止讀操作。5 CS5463的典型應(yīng)用圖4所示是以CS5463為核心的住宅用220V單相電源(圖中為2線式)系統(tǒng)的典型功率

9、測量連接方式。首先在線路上串、并聯(lián)適當(dāng)阻值的分壓和分流電阻器，對從電阻器上采樣的電壓信號進(jìn)行濾波，圖中對稱的阻容濾波器更有助于減小電磁干擾，最后得到符合要求的電壓信號，送入電路進(jìn)行實(shí)時計算。CS5463提供了數(shù)字校準(zhǔn)，用戶通過設(shè)置校準(zhǔn)命令字中的相應(yīng)位來決定執(zhí)行哪種校準(zhǔn)。對于電壓和電流通道，都有AC校準(zhǔn)和DC校準(zhǔn)。該電路中用于監(jiān)測電流的分流電阻器串聯(lián)在電源的火線端，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)住宅電能測量應(yīng)用中，電度表分流器接在火線上有助于發(fā)現(xiàn)竊電行為。從這種類型的分流電阻器得到的共模輸入電壓應(yīng)以火線電壓為參考這意味著CS5463的輸入共模電壓相對于地電位會在很高的正電壓和負(fù)電壓之間振蕩。因此，在設(shè)計CS546

10、3的數(shù)字輸出接口與外部數(shù)字接口(如其他通信網(wǎng)絡(luò))時應(yīng)謹(jǐn)慎。CS5463的數(shù)字串行接口引腳必須與外部數(shù)字接口隔離，使測量端的參考地電位與外部接口地參考地電位不相互影響，另外，CS5463及其電路必須密封絕緣以防觸電。、1 引言CS5463是帶有串行接口和-模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠進(jìn)行高速功率(電能)計算的高度集成電路。CS5463可以通過使用低成本的分壓電阻器或電壓互感器測量電壓，使用分流器或電流互感器測量電流，從而計算出有功功率，因此該電路特別適用于開發(fā)單相2線、3線用電表。與上代的CS5460相比，CS5463還能提供視在功率、無功功率等多種參數(shù)計算，可滿足設(shè)計者的多方面需求。此外，CS5463片

11、內(nèi)還帶有溫度傳感器，有助于設(shè)計者調(diào)整溫度漂移誤差，提高測量精度。2 CS5463的主要特點(diǎn)CS5463的特性如下：(1)電能數(shù)據(jù)在1000：l動態(tài)范圍內(nèi)的線性度為±0.1%;(2)精確測量瞬時電壓、電流、功率以及電壓、電流有效值;(3)計算視在、有功和無功功率，基波有功、諧波功率和功率因數(shù);(4)電能/脈沖轉(zhuǎn)換功能;(5)低功耗(小于12 mW);(6)單電源地參考信號;(7)內(nèi)置電源監(jiān)視器;(8)從串行EEPROM“自引導(dǎo)”，可以不用微控制器;(9)簡單的3線數(shù)字串行接口;(10)優(yōu)化的分流電阻器的輸入接口;(11)帶有溫度傳感器;(12)具有機(jī)械計數(shù)器/步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動器3 內(nèi)部結(jié)

12、構(gòu)和引腳功能3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)CS5463的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由2個可編程增益高通濾波器濾取可用電壓電流數(shù)字信號，功率計算引擎計算各類型的功率，電壓、電流，并將計算的功率值通過串行接口對外輸出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。該電路還有能量脈沖信號輸出模塊，可以直接外接計數(shù)器或步進(jìn)電機(jī)，從而省去微控制器而直接外送用電量，降低電表類產(chǎn)品的成本。3.2 引腳功能VA+/VA-：正負(fù)模擬電源，+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供電;VD+/DGND：數(shù)字電源和數(shù)字地，+5V/0V供電;PFMON：掉電監(jiān)視器，監(jiān)視模擬電源狀況。VIN+/VIN-：電壓通道的差模模擬輸入，范圍是

13、±250mV;IIN+/IIN-：電流通道的差模模擬輸入，范圍是±50 mV(PGA設(shè)置為50×時);VREFIN/VREFOUT：參考電壓輸入/輸出，為片上調(diào)制器提供參考電壓及其輸出，通常為2.5 V。MODB模式選擇，用于配置CS5463自引導(dǎo)模式;RESET/INT：復(fù)位及中斷;CS：片選信號，為低電平時，端口可識別串行時鐘等信號。SCLK：串行時鐘輸入，該時鐘信號確定SDI、SDO的輸入/輸出速率，只在CS低電平時有效;SDI/SDO：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出;E1/E2/E3(EOUT)：能量輸出，輸出低電平有效、頻率和能量成比例關(guān)系的脈沖，3個引腳分別對應(yīng)有

14、功功率、視在功率和無功功率。4 CS5463的工作原理4.1 輸入濾波電壓和電流通道的輸入模擬信號送入可編程PGA進(jìn)行增益放大，放大后由-調(diào)制器以一定的采樣速度采樣，采樣的結(jié)果再進(jìn)行高速數(shù)字濾波，得到符合要求的數(shù)字信號。電壓輸入通道采用二階-調(diào)制器，高速濾波器由一個固定的Sinc2濾波器實(shí)現(xiàn);電流通道采用四階-調(diào)制器，并用一個Sinc4濾波器實(shí)現(xiàn)，與電壓通道的范圍相比，可以在輸入跨度更大的情況下實(shí)現(xiàn)電流通道的精確測量。2個通道的數(shù)據(jù)接著通過2個FIR補(bǔ)償濾波器來補(bǔ)償通過低通濾波器后產(chǎn)生的幅值損耗。另外，2個通道都提供了一個可選的高通濾波器(HPF)，它可以在有效值、電能計算之前除去電壓和電流信

15、號中的直流成分。4.2 增益及DC偏移量調(diào)整濾波后的瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量將進(jìn)行偏移量和增益調(diào)整，這是基于DC偏移量寄存器(加法運(yùn)算)和增益寄存器(乘法運(yùn)算)的調(diào)整。調(diào)整后的24位瞬態(tài)數(shù)據(jù)采樣值將存入瞬態(tài)電壓和電流寄存器，用戶可以通過串口從中讀出采樣數(shù)據(jù)。4.3 能量計算以有功功率的計算為例，采樣得到瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量，把每對瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)據(jù)相乘，得到瞬時有功功率的采樣值。每個A/D采樣周期后，新的瞬態(tài)功率采樣值就存入功率寄存器，N個瞬時功率采樣值為一組，每組的值累加和用于計算以后放在能量寄存器中的數(shù)值，它與電路在N個A/D轉(zhuǎn)換周期中的有功功率值成正比。同樣原理，電壓和電流有效值也利用

16、最近的N個瞬態(tài)電壓、電流采樣值計算，并可從RMS電壓和電流寄存器中讀出。4.4 串行接口CS5463的串行接口使用了包括2條控制線CS、SCLK和2條數(shù)據(jù)線SDI、SDO的外接方式。串行接口集成了帶有發(fā)送、接收緩沖器的狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)在SCLK的上升沿解析8位命令字，根據(jù)對命令的解碼執(zhí)行相應(yīng)的操作，或者為被尋址的寄存器的數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)備，內(nèi)部寄存器都是24位。讀操作需將被尋址的內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送緩沖區(qū);寫操作在數(shù)據(jù)傳輸前要等24個SCLK周期。所有的命令字長度均為1個字節(jié)。寫寄存器命令后必須緊跟1、2或3個字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù);讀寄存器命令則發(fā)出3字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)。圖2和圖3分別示出串口緩沖區(qū)

17、的讀、寫時序。數(shù)據(jù)的讀和寫通過向串口SDI引腳寫入相應(yīng)的8位命令字(高位在前)來啟動。當(dāng)命令包含寫操作時，串口將在下面24個SCLK周期記錄SDI引腳的數(shù)據(jù)(從高位開始)。寄存器寫指令后必須跟24位的數(shù)據(jù)，一旦收到數(shù)據(jù)，狀態(tài)機(jī)便將數(shù)據(jù)寫入配置寄存器，然后等待下一個命令。啟動讀命令后，串口將在下8個、16個或24個SCLK周期啟動SDO引腳上的寄存器進(jìn)行內(nèi)容轉(zhuǎn)移(從高位開始)，寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上。讀寄存器時，微控制器可以同時發(fā)送新指令，并立即執(zhí)行新指令，同時終止讀操作。5 CS5463的典型應(yīng)用圖4所示是以CS5463為核心的住宅用220V單相電源(圖中為2線式)系統(tǒng)的典型功率測量連接方式。首先在線路上串、并聯(lián)適當(dāng)阻值的分壓和分流電阻器，對從電阻器上采樣的電壓信號進(jìn)行濾波，圖中對稱的阻容濾波器更有助于減小電磁干擾，最后得到符合要求的電壓信號，送入電路進(jìn)行實(shí)時計算。CS5463提供了數(shù)字校準(zhǔn)，用戶通過設(shè)置校準(zhǔn)命令字中的相應(yīng)位來決定執(zhí)行哪種校準(zhǔn)。對于電壓和電