【文章內(nèi)容簡介】 8具有七個ΣΔ型模數(shù)轉換器(ADC)，在PSM0模式下，所有ADC都處于活動狀態(tài)。在PSM1模式下，只有用于測量A相、B相和C相電流的ADC處于活動狀態(tài)。用于測量零線電流和A、B及C相電壓的ADC則處于關閉狀態(tài)。PSM2和PSM3模式下會關斷ADC，以將功耗降至最低。圖4顯示的是一階ΣΔ型ADC框圖。該轉換器由ΣΔ型調制器和數(shù)字低通濾波器組成。圖4 一階ΣΔ型ADCΣΔ型調制器以一定的速率將輸入信號轉換成由1和0構成的連續(xù)串行流，其中速率由采樣時鐘決定。在ADE7878中， MHz(CLKIN/16)。接著，通過該串行數(shù)據(jù)流驅動反饋環(huán)路中的1位DAC，然后從輸入信號中減去DAC輸出。如果環(huán)路增益足夠大，DAC輸出的平均值(及位流)可以接近輸入信號電平的平均值。對于單個采樣間隔內(nèi)的任意指定輸入值，1位ADC的輸出數(shù)據(jù)幾乎沒有意義。只有對大量樣本求平均值，才可以獲得有意義的結果。這一求平均值操作是由該ADC的第二部分(即數(shù)字低通濾波器)來執(zhí)行的。通過對來自調制器的多個位求平均值， V時，ADC輸出碼的標稱值為5,928,256 (0x5A7540)。 有功功率測量原理功率定義為電能從電源流向負載的速率，并通過產(chǎn)生電壓和電流波形來表示。所得波形稱為瞬時功率信號，并等于每一瞬間的電能流動速率。功率的單位為瓦或焦耳/秒。如果交流系統(tǒng)的電源電壓為v(t)、電流為i(t)，且兩者都包含諧波，則 （1） （2）其中：Vk和Ik分別是各諧波的電壓和電流有效值。φk和γk分別是各諧波的相位延遲。交流系統(tǒng)中的瞬時功率為： （3）總有功功率等于公式3中瞬時功率信號p(t)的直流成分，即： （4）圖5顯示了ADE78xx如何計算各相上的總有功功率。首先，器件將各相上的電流和電壓信號相乘。接著，器件利用低通濾波器提取各相(A、B和C)上瞬時功率信號的直流成分。圖5 總有功功率數(shù)據(jù)路徑 功率因數(shù)測量原理在交流電路中，電壓與電流之間的相位差(Φ)的余弦叫做功率因數(shù)，用符號cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S。上邊已經(jīng)介紹過有功功率的測量方法，下邊介紹視在功率的測量原理。視在功率定義為最大負載功率。獲取視在功率的一種方法是將電壓有效值乘以電流有效值(也稱為算術視在功率)。 （5）其中：S為視在功率。V rms和I rms分別是電壓和電流有效值。ADE7878可以計算各相上的算術視在功率。圖6顯示了ADE7878上各相計算視在功率時的信號處理。由于V rms和I rms包含所有諧波信息，因此ADE7878計算的視在功率為總視在功率。圖6 視在功率數(shù)據(jù)流和視在電能累積ADE7878將瞬時分相視在功率存儲在AVA、BVA和CVA寄存器中。表達式如下： （6）其中：U和I分別是相電壓和電流的有效值。UFS和IFS分別為ADC輸入為滿量程時相電壓和電流的有效值。PMAX = 33,516,139，即ADC輸入為滿量程且位于相內(nèi)時計算出的瞬時功率。3 系統(tǒng)硬件電路設計 系統(tǒng)方案多功能電能測量儀由測量、顯示、控制、接口和電源等部分組成,如圖7所示。測量部分由精密小型互感器及前置信號處理電路構成 ,從中獲取電壓、電流、頻率、相位等多種實時數(shù)據(jù)。顯示部分采用高品質的12864液晶顯示模塊 ,每屏可以顯示 8 4 個漢字(16 16)或128 64 個像素的圖形?？刂撇糠忠?AT89C51單片機為核心 ,配以多功能電測量芯片ADE7878,兩個芯片的接口部分采用I2C接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。 圖7 系統(tǒng)結構框圖 電壓電流采樣電路電壓通道具有三路單端電壓輸入通道，分別為 VAP，VBP 和 VCP。這些單電壓輸入端的最大輸入電壓變化范圍為177。根據(jù)推薦額定電壓Un時電壓通道輸入信號為250mV左右，此次設計的電表額定電壓為220V，220V的電壓給電阻分半成110V,即VA處額定電壓為110V。后續(xù)電壓通道用用4個330KΩ電阻和一個3KΩ電阻分壓，加額定電壓Un時輸入信號為249mV。傳統(tǒng)的直流采樣存在測量精度低、實時性差、高次諧波參數(shù)無法測量等缺點，本文采用交流采樣技術，選擇差分輸入電路。電流采樣選用高精度的電流互感器，(6)A／ mA，40Ω負載、，加最大電流6 A時輸入信號為306 mV。電流采樣電路中，輸入電阻阻值為1kΩ，濾波電容為33 nF。電流取樣設計基本可以滿足至少4倍額定電流的范圍。圖8為電壓電流輸入前置通道。圖8 電流輸入前置通道 ADE7878與單片機接口電路ADE7878提供了三個串行端口接口：一個獲得完整許可的I2C接口、一個串行外設接口(SPI)和一個高速數(shù)據(jù)采集端口(HSDC)。本設計選用I2C接口。I2C總線是由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。是微電子通信控制領域廣泛采用的一種總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點。它的主要特點有：它只要求兩條總線線路：一條串行數(shù)據(jù)線SDA，一條串行時鐘線SCL；每個連接到總線的器件都可以通過唯一的地址和一直存在的簡單的主機/從機關系軟件設定地址，主機可以作為主機發(fā)送器或主機接收器；它是一個真正的多主機總線，如果兩個或更多主機同時初始化，數(shù)據(jù)傳輸可以通過沖突檢測和仲裁防止數(shù)據(jù)被破壞；　　串行的8 位雙向數(shù)據(jù)位傳輸速率在標準模式下可達100kbit/s，快速模式下可達400kbit/s，；連接到相同總線的IC數(shù)量只受到總線的最大電容400pF 限制。由于AT89C51沒有I2C接口，通常用軟件來實現(xiàn)I2C總線上的信號模擬。此次。ADE7878本身提供的有I2C接口。單片機和ADE7878連接圖如圖9所