電子式電能表計量芯片原理

與常用計量芯片簡介

2006－1－122021/5/91電子式電能表計量芯片原理與常用計量芯片簡介1．電能計量芯片的原理

電能表是電力部門計費的唯一工具，需保證其性能穩定性、測量準確性和可靠性。目前已有大量的電子式電能表在實際運行之中。電子式電能表的技術特性主要取決于電能計量集成電路的特性，所以對電能表計量芯片進行研究，具有十分重要的經濟價值和理論意義。電能計量芯片的計量原理主要分為模擬乘法器和數字乘法器兩大類:模擬乘法器原理主要分為時分割乘法器原理和吉爾波特變跨導乘法器原理兩大類。采用時分割原理的電能計量芯片多數采用電流平衡型時分割乘法器，利用脈沖寬度調制的方法完成運算；代表性國產產品有上海貝嶺電子公司的BL0931和BL0932[5]。采用吉爾波特變跨導乘法器原理的電能計量芯片利用晶體管的伏安特性完成運算，可實現兩象限或四象限的線性乘法。

2021/5/92采用數字乘法器的電能芯片依據采樣原理，采用過零同步采樣法，對一連續波形經A/D變換器進行整周期數字采樣，把連續波形離散化，MCU根據均方根算法計算出電流、電壓的有效值，再相乘得出功率值。每一芯片有一獨立的時基信號發生器，功率值乘以時間就可完成電能測量。數字乘法器電能計量芯片特點：能進行多種電參數的測量；當采樣頻率選擇得當，可進行非正弦信號的測量；動態響應速度慢，不適合對負載變化大的信號進行測量；電能測量準確度級別一般為1.0~0.5級。采用數字乘法器原理的電能計量芯片對波形進行數據采樣的A/D轉換器主要有兩類:(1)逐次比較型A/D轉換器逐次比較型A/D轉換器主要有四部分構成：一個比較器、一個數模轉換器、一個逐次逼近寄存器和一個邏輯控制單元。轉換中的逐次逼近是按對分原理、由邏輯控制單元完成的。在邏輯控制單元的時鐘驅動下，逐次逼近寄存器不斷進行比較和移位操作，直到完成最低有效位的轉換。由于提高分辨率需要相2021/5/93當復雜的比較網絡和極高精度的模擬電子器件，難以大規模集成，所以逐次比較型A/D轉換器原理的電能計量芯片的測量等級都不高。這一類型產品如南非Sames公司生產的SA91系列單、三相電能計量芯片等。(2)Σ-Δ原理A/D轉換器基于FIR(有限長單位脈沖響應)數字濾波原理的A/D轉換器即Σ-ΔA/D轉換器。該芯片主要采取了增量調制、噪聲整形、數字濾波和采樣抽取等技術，能夠以較低的成本實現高線性度和高分辨率，所以應用Σ-Δ原理的A/D轉換器的電能計量芯片，其測量等級都較高；又由于Σ-Δ原理A/D轉換器是根據模擬信號波形的包絡形狀來進行量化編碼，對波形幅值的變化不敏感，所以此類電能芯片具有良好的電磁兼容性。這一類型產品如美國ADI公司于1998年首先研制出的ADE7755系列產品；Cry-stal公司的CS5460，Atmel公司的AT73C500、AT73C501和AT13C502系列產品等。2021/5/94

早期的電能計量芯片有的只是一個數據采集器，即使有DSP引擎，功能也不強，和單片機系統的連接也只是提供高、低頻率的脈沖輸出；單片機一般利用自身的計數器/定時器記取脈沖數。目前的電能計量芯片(包括即將推出的)較以前的有了很大不同，不僅有數據采集功能，還有被測電源系統的狀態信息記錄功能；芯片對采集的數據進行了大量的加工和運算，直接給出了需要的各種電量，如電壓、電流、有功和無功功率(電能)、相角和頻率等量值；與單片機系統的連接一般采用SPI或I2C串行口，把被測電源系統的過電壓、過電流、欠電壓、欠電流、斷相、錯相、過零等狀態利用中斷和單片機系統交流信息。此外，芯片一般有校正特性，如偏移校正、增益校正和相位校正。單片機系統對寄存器寫入一定的位值就能對電能表進行校正，即軟件校正。為了使電能表正常工作或者按某種需要方式工作，單片機只要對計量芯片的控制器寫入適當的控制字就可2021/5/95以了。芯片中可通過串行口讀寫的寄存器有數十個之多，可以讀入所需的所有電量數據。所以，電能計量芯片不僅決定了電能表的主要性能(見GB/T17215)，而且在技術上無論是硬件還是軟件(已固化在芯片內)也都比后續單片機系統復雜的多。單片機系統的主要任務，在系統的前端是寫計量芯片的控制寄存器、讀計量芯片的數據寄存器和接受狀態信息及處理中斷；在系統的后端就是顯示、計量分時電能和需量、管理(如通過RS485、紅外等通信接口進行通信)等。這樣，電能表的兩個單元——計量單元和數據處理單元較為均衡、合理。目前的電能計量芯片的另一特點是把電測量理論關于電功率(電能)的一些基本理論融入了芯片制造技術之中，如：功率表的角誤差、乘法器的瞬時功率信號頻譜、關于無功功率(電能)的處理方法以及電源周波電能累計模式應用于校正等。2．常用電能計量芯片國內常用的一些電能計量芯片大致情況如下：用于電壓、電流等電量的數據采集器；脈沖輸出的單、三相電能計量芯片；2021/5/96內置串口的帶DSP引擎及相關軟件的單、三相多功能電能計量芯片；防竊電電能表用單、三相電能計量芯片；帶di/dt采樣器接口和DSP引擎的單、三相電能計量芯片；帶內部精密振蕩器的電能計量芯片等。以我公司各型電子式電能表為例，其電量數據的獲取(即計量電路的組成)主要由基于數字乘法器原理的專用電能計量芯片實現和A/D轉換器＋MCU的交流采樣方式實現，以下分別作簡要介紹。2.1ADI公司ADE7751：片內故障檢測型單相電能計量芯片

ADE7751是一種可檢測故障的高準確度專用電能計量芯片，用于單相二線配電系統，支持50Hz和60Hz的IEC61036標準的要求，在1～500的動態范圍內誤差小于0.1%，部分指標優于IEC61036規定的準確度要求。

ADE7751只在A/D轉換和基準源中使用模擬電路，所有其他信號處理(如乘法運算和濾波)都采用數字方式進行，這使得ADE7751在惡劣的環境條件下仍能保持極高的準確度和長期穩定性。2021/5/97ADE7751采用低成本CMOS工藝，為電能測量提了供單芯片的低成本解決方案。

ADE7751具有一種新穎的故障檢測設計，在45Hz～55Hz線路頻率下工作時，能對故障狀態報警；同時ADE7751通過持續監視相線和中線(回饋線)電流實現在故障期間繼續準確計量。當兩路電流相差超過12.5%時即指示有故障，從而即使在故障期間(如兩線中有一線沒有負載任何電流)，平均有功功率輸出腳F1和F2上的輸出脈沖頻率也能通過兩路電流中較大者產生。ADE7751提供這種有效的方法以遏止電流回地的各種企圖，對于電能表竊電，這仍然時一種非常簡單有效的方法。

F1和F2引腳上的輸出脈沖頻率能直接驅動單相步進電機和機電式脈沖計數器，以及與MCU接口；瞬時有功功率從CF引腳以較高頻率輸出，用于電能表校驗或與MCU連接。邏輯輸出引腳FAULT和REVP能指示接線錯誤或故障狀態。ADE7751內部相位匹配電路能保證電壓和電流通道的相位始終是匹配的。ADE7751內部的無負載閾值保證了ADE7751在無負載時沒有潛動，而電流通道中的PGA(可編程增益放大器)使得電能表可以采用2021/5/98小阻值的分流電阻。ADE7751采用＋5V單電源供電，功耗低(典型值15mW)，具有外部過驅動性能。ADE7751內部有一個對電源引腳VDD的監控電路，在VDD上升到＋4V±5％之前，ADE7551一直保持在復位狀態。同樣，如果VDD降到＋4V±5％以下，ADE7751也被復位，此時F1、F2和CF沒有輸出。

ADE7751為24腳DIP和SSOP封裝，圖1是ADE7751管腳定義圖，有關ADE7751芯片的詳細信息可參閱相關資料。目前，ADE7751主要應用于各型單相電子式電能表，其典型電能計量電路原理如圖2所示。

2.2ADI公司ADE7755：脈沖輸出型單相電能計量芯片

ADE7755是一種高準確度專用電能計量芯片，用于單相二線配電系統，支持50Hz和60Hz的IEC61036標準的要求。在1～500的動態范圍內誤差小于0.1%，部分指標優于IEC61036規定的準確度要求。

ADE7755只在A/D轉換和基準源中使用模擬電路，所有其他信號處理(如乘法運算和濾波)都采用數字方式進行，這使得2021/5/99圖1ADE7751管腳定義圖圖2ADE7751電能計量電路原理圖2021/5/910ADE7755在惡劣的環境條件下仍能保持極高的準確度和長期穩定性。

ADE7755采用低成本CMOS工藝，為電能測量提了供單芯片的低成本解決方案。ADE7755的引腳F1和F2以較低頻率輸出平均有功功率，F1和F2引腳上的輸出脈沖頻率能直接驅動單相步進電機和機電式脈沖計數器，以及與MCU接口；瞬時有功功率從CF引腳以較高頻率輸出，用于電能表校驗或與MCU連接。邏輯輸出引腳REVP能指示反向功率或接線錯誤。ADE7755內部相位匹配電路能保證電壓和電流通道的相位始終是匹配的。ADE7755內部的無負載閾值保證了ADE7755在無負載時沒有潛動，而電流通道中的PGA(可編程增益放大器)使得電能表可以采用小阻值的分流電阻。

ADE7755采用＋5V單電源供電，功耗低(典型值15mW)，具有外部過驅動性能。ADE755內部有一個對電源引腳AVDD的監控電路，在AVDD上升到＋4V±5％之前，ADE7755一直保持在復位狀態。同樣，如果AVDD降到＋4V±5％以下，ADE7755也被復位，此時F1、F2和CF沒有輸出。2021/5/911

ADE7755為24腳SSOP封裝，圖3是ADE7755管腳定義圖，有關ADE7755芯片的詳細信息可參閱相關資料。目前，ADE7755主要應用于各型單相電子式電能表，其典型電能計量電路原理如圖4所示。2.3ADI公司ADE7752：脈沖輸出型三相電能計量芯片

ADE7752是一種高準確度的三相專用電能計量芯片，支持50Hz和60Hz的IEC60687和IEC61036標準的要求，在1～500的動態范圍內誤差小于0.1%，部分指標優于IEC61036規定的準確度要求。

ADE7752兼容三相三線Δ連接和三相四線Y連接。ADE7752只在A/D轉換和基準源中使用模擬電路，所有其他信號處理(如乘法運算和濾波)都采用數字方式進行，這使得ADE7752在惡劣的環境條件下仍能保持極高的準確度和長期穩定性。

ADE7752計算六個電壓信號(三個電流通道和三個電壓通道)的乘積，然后對乘積進行低通濾波，得到有功功率信息，再將其2021/5/912圖4ADE7755電能計量電路原理圖圖3ADE7755管腳定義圖2021/5/913轉換成頻率，由引腳F1和F2輸出，此邏輯輸出能直接驅動機電式脈沖計數器或MCU接口。CF引腳輸出瞬時有功功率值，用于電能表校驗。

ADE7752采用低成本CMOS工藝，為電能測量提了供單芯片的低成本解決方案。ADE7752的引腳F1和F2以較低頻率輸出平均有功功率，F1和F2引腳上的輸出脈沖頻率能直接驅動步進電機和機電式脈沖計數器，以及與MCU接口；瞬時有功功率從CF引腳以較高頻率輸出，用于電能表校驗或與MCU連接。邏輯輸出引腳NEGP指示反向功率或接線錯誤。

ADE7752內部相位匹配電路能保證電壓和電流通道的相位始終是匹配的；內部的無負載閾值保證了ADE7752在無負載時沒有潛動。

ADE7752采用＋5V單電源供電，功耗低(典型值60mW)，具有外部過驅動性能。ADE7752內部有一個對電源引腳VDD的監控電路，在VDD上升到＋4V±5％之前，ADE7752一直保持在復位狀態。同樣，如果VDD降到＋4V±5％以下，ADE7752也被復位，此時F1、F2和CF沒有輸出。2021/5/914

ADE7752為24腳SOIC封裝，圖5是ADE7752管腳定義圖，有關ADE7752芯片的詳細信息可參閱相關資料。目前，ADE7752主要應用于各型三相電子式多費率電能表，其典型電能計量電路原理如圖6所示。2.4ADI公司ADE7758：帶SPI串行輸出接口的脈沖輸出型三相電能計量芯片

ADE7758是一種高準確度的三相專用電能計量芯片，支持IEC60687、IEC61036和IEC61268等標準的要求，在1～1000的動態范圍內誤差小于0.1%。

ADE7758集成了數字積分、參考基準電壓源、溫度敏感元件等，有可用于有功功率、無功功率、視在功率的瞬時值與平均值測量以及以數字方式校正系統誤差(增益、相位和失調等)所必須的信號處理電路。該芯片適用于各種三相電路（不論三線制或者四線制）。2021/5/915圖5ADE7752管腳定義圖圖6ADE7752電能計量電路原理圖2021/5/916

ADE7758只在A/D轉換和基準源中使用模擬電路，所有其他信號處理(如乘法運算和濾波)都采用數字方式進行，這使得ADE7758在惡劣的環境條件下仍能保持極高的準確度和長期穩定性。

ADE7758采用低成本CMOS工藝，為電能測量提了供單芯片的低成本解決方案。ADE7758將六個電壓信號(三個電流通道和三個電壓通道)經片內可編程增益放大器PGA1,PGA2和模數變換ADC轉換為對應的數字信號后，電流信號經電流通道內的高通濾波器HPF濾除DC分量并數字積分，與經相位Φ校正后的電壓信號相乘，產生瞬時功率；此信號經低通濾波LPF2產生瞬時有功功率信號；各相功率相加得到總的三相瞬時有功功率，經DOUT引腳輸出。無功功率和視在功率的計算與此類似。

ADE7758的APCF引腳輸出瞬時有功功率值，VARCF引腳輸出瞬時無功功率或視在功率值，用于電能表校驗。

ADE7758采用＋5V單電源供電，功耗低(典型值70mW)，具有線電壓跌落(SAG)檢測和過壓保護性能。ADE7758內部有一個對電源引腳AVDD的監控電路，在AVDD上升到＋4V±5％2021/5/917之前，ADE7758一直保持在復位狀態。同樣，如果AVDD降到＋4V±5％以下，ADE7758也被復位，此時F1、F2和CF沒有輸出。

ADE7758所有功能都是通過SPI串行接口以中斷()方式讀/寫片內寄存器來實現的，用戶可設置線電壓跌落(SAG)檢測、過電壓、過電流監測、無負載時的防潛動等的閾值，以及設置ADE7758的工作模式、測量模式、波形采樣模式、有效值偏差補償量和中斷模式等；可實現逆相序、電壓峰值、頻率檢測和相位、溫度補償等功能。ADE7758片內數字積分器可以與電流采樣器(di/dt輸出，如洛高斯基Rogowski線圈)直接接口。

ADE7758為24腳SOIC封裝，圖7是ADE7758管腳定義圖，有關ADE7758芯片的詳細信息可參閱相關資料。目前，ADE7758主要應用于D系列三相電子式多功能電能表，其電能計量電路原理框圖如圖8所示。2.5珠海炬力公司ATT7023：帶SPI串行輸出接口的脈沖輸出型單相電能計量芯片

2021/5/918圖8基于ADE7758的三相電子式多功能電能表D系列工作原理框圖圖7ADE7758管腳定義圖2021/5/919ATT7023是一種高準確度的多功能、多費率單相電能計量芯片，支持IEC687/1036，GB/T17883和GB/T17215的要求，在1～1000的動態范圍內誤差小于0.1%；適用于單相復費率電能表和單相復費率IC卡表。

ATT7023能夠輸出電壓有效值、電流有效值、線電壓頻率、有功/無功功率值、電能值等。有功功率平均值從引腳F1、F2和F3、F4以頻率方式輸出。F1、F2和F3、F4可直接驅動機電式計數器和兩相步進電機；同時支持兩相四拍電機，此時有功功率平均值從FA1、FA2、FA3、FA4或FB1、FB2、FB3、FB4輸出。

ATT7023有功功率和無功功率瞬時值從引腳CF1和CF2以較高頻率方式輸出，用于電能表校準。ATT7023具有防竊電功能，片內帶有防潛動功能(空載閾值)，片內基準電壓2.5V±8％(溫度系數典型值30ppm/℃)，能為外部電路提供基準。

ATT7023內建8051兼容微處理器，存儲器包括2K＋256Byte的SRAM、32Kbyte的程序OTPMemory、電源電壓監測單元、看門狗(Watchdog)電路、38K紅外調制波等；外圍邏輯接

2021/5/920口電路包括UART、四線SPI接口、低功耗實時時鐘模塊、E2PROM接口、4Common×40SegmentLCD驅動電路、可編程時鐘脈沖輸出端等。

ATT7023為LQFP100封裝，圖9是ATT7023管腳定義圖。有關ATT7023芯片的詳細信息可參閱相關資料。目前，ATT7023主要應用于各型單相電子式多功能電能表，其電能計量電路原理框圖如圖10所示。2.6珠海炬力公司ATT7022B：帶SPI串行輸出接口的脈沖輸出型三相電能計量芯片

ATT7022B是一種高準確度的多功能防竊電基波諧波三相電能專用計量芯片，在1～1000的動態范圍內非線性測量誤差小于0.1%。有功測量滿足0.2S、0.5S，支持IEC62053-22,GB/T17883－1998；無功測量滿足2級、3級，支持IEC62053-23,GB/T17882－1998。

ATT7022B可測量基波、諧波電能以及總電能，有功、無2021/5/921圖9ATT7023管腳定義圖圖10ATT7023電能計量電路原理框圖2021/5/922功、視在功率測量，正、反向有功、無功電能測量；功率因數、相角、線頻率參數測量；電壓、電流有效值參數測量，精度優于0.5%；電壓、電流相序檢測功能；三相電流、電壓矢量和之有效值輸出功能；電壓夾角測量；失壓判斷；反向功率指示；有功、無功、視在功率校表脈沖輸出；基波有功、無功校表脈沖輸出；合相電能絕對值和與代數和可選；內置溫度測量傳感器；電表常數可調；啟動電流可調；可準確測量到含21次諧波的有功、無功、視在功率。

ATT7022B集成了六路Σ-ΔAD轉換電路，參考電壓電路以及所有功率、電量、有效值、功率因數以及頻率測量的數字信號處理電路；能夠測量各相以及合相的有功、無功、視在功率、有功、無功電量；支持全數字域的增益、相位教正，即軟件校表；充分滿足三相復費率多功能電能表的需求。有功無功電能輸出脈沖輸出CF1、CF2，提供瞬時有功無功功率信息，可以直接接到標準表，進行誤差教正。ATT7022B可以對基波有功無功功率進行測量，提供脈沖輸出CF3、CF4，提供瞬時有功無功功率信息，直接用于基波的教正。提供兩類視在能量輸出2021/5/923：RMS視在能量和PQS視在能量。CF3、CF4也可被配置成視在能量脈沖輸出。

ATT7022B的第七路AD轉換電路可用于防竊電。ATT7022B提供一個SPI接口，方便與外部MCU之間進行計量參數與校表參數的傳遞，所以參數都可以由SPI接口讀出。內部的電壓測量電路可以保證加電和斷電時芯片正常工作。

ATT7022B為QFP44封裝，圖11是ATT7022B管腳定義圖。目前，ATT7022B主要應用于各型三相電子式多功能電能表，其電能計量電路原理框圖如圖12所示。2.7AD73360：ADI公司6通道模擬輸入、16位串行可編程A/D轉換芯片

AD73360是ADI公司推出的６通道模擬輸入、同步采樣的16位串行可編程A/D轉換芯片。由于采用Σ-ΔA/D轉換原理，具有良好的內置抗混疊性能，所以對模擬前端濾波器的要求不高，用一階RC低通濾波器就能滿足要求。AD73360采樣率和輸入2021/5/924圖11ATT7022B管腳定義圖圖12ATT7022B電能計量電路原理框圖2021/5/925信號增益都是可編程的，采樣率可分別設置為64K、32K、16K和8K（輸入時鐘為16.384Hz時），增益可在0dB到38dB之間選擇，因而它既適合于大信號的應用，也適合于小信號的應用。