【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 號(hào)。 圖 是一種典型反相應(yīng)用電路 , 當(dāng)輸入端有電流流過(guò)時(shí) , 發(fā)光二極管發(fā)光 ,使光電三極管導(dǎo)通 , 其集電極就有電流 I C 流過(guò)。 光電耦合器其主要特點(diǎn)為 : 1) 輸入、 輸出之間在電氣上相互 絕緣 。 2) 信號(hào)傳輸是單方向的 , 輸出端的噪聲不影響輸入端 。 3) 體積小、 壽命長(zhǎng)、 無(wú)觸點(diǎn) ,功耗低 。 4) 光電耦合器的傳輸特性具有非線性和隨溫度變化性 。 圖 光電隔離電路 AD7755 電路設(shè)計(jì) 圖 AD7755 內(nèi)部功能圖 AD7755 電路只在 ADC 和基準(zhǔn)電源中使用模擬電路，所有其它信號(hào)處理（如相乘和濾波）都是用數(shù)字電路，這使 AD7755 在惡劣環(huán)境環(huán)境條件下仍能保持極高的準(zhǔn)確度和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 7 設(shè)計(jì)參數(shù)： 基準(zhǔn)電壓： 220V177。 10% 基準(zhǔn)電 流： Ib=5A 最大電流： Imax=4Ib=20A 計(jì)量精度： 1% 最小電流： Imin=2%Ib= 脈沖數(shù)： 3200/ 參數(shù)計(jì)算： 以 AD7755 設(shè)計(jì)的電能表的相關(guān)參數(shù)計(jì)算 ： 配合 C8051F360 芯片的 16 進(jìn)制算法與課程設(shè)計(jì)的參數(shù)要求，參考基本電流與脈沖的建議數(shù)，選定基準(zhǔn)電流 Ib=5A，每 計(jì)度需要的脈沖數(shù)為 3200，即CF 的輸出為 3200imp/ 。 線路電壓 220V,基本電流 Ib 為 5A,動(dòng)態(tài)范圍 400(規(guī)定準(zhǔn)確度的電流范圍為2%Ib~Imax,即 100mA~40A)。計(jì)度器的電表常數(shù) C 為 3200imp/ ,即 AD7755 發(fā)3200 個(gè)脈沖 ,單片機(jī)記錄 1 電。為滿足電流通道的動(dòng)態(tài)范圍且留有充分的余量 ,選用 350μΩ的分流器 。以其將負(fù)載電流轉(zhuǎn)換為電壓 ,接 V1P 和 V1N。線路電壓經(jīng)電壓分壓器分壓 ,也降到允許的最大電壓范圍之內(nèi) ,接 V2P 和 V2N。負(fù)載電流為基本電流 (5A)時(shí) ,線路的功耗為 P=220 5= kw。 選擇 f14=,SCF=0,S1=0,=S0=1,此時(shí) CF 頻率為 f1 的 32 倍，所要求的頻率恰為 f1， f2 段的脈沖計(jì)數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)為 100imp/ 。 乘以此常數(shù)得 Ib 情況下的輸出頻率 : fF1=P C= 3200/3600= 查 AD7755 數(shù)據(jù)表 ,所選擇 f14=，滿足最大電流為 40A 和再留有足夠余量的要求。 fF1= U1 U2 G f14U2REF U1=5 350=1750μ V= 并以最大電流產(chǎn)生的壓降和表 1,選擇 G=16 U2=fF1 U1 G f14= 16 = 原理圖中 R C1,R C2,R C3,R4∥ (R5~R16)、 C4 為抗混疊濾波器。因?yàn)?AD7755 以 900kHz 過(guò)采樣速率采樣 ,故大大簡(jiǎn)化了抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)。不過(guò) ,兩個(gè)通道之間的相位匹配非常重要。例如 ,當(dāng) cosφ = 時(shí) ,176。的外部相位誤差將產(chǎn)生 %的測(cè)量誤差。為使兩個(gè)通道的相位匹配 ,電阻、電容的取值分別為R1=R2=R3=R4=1kΩ (精度為 1%)。C1=C2=C3=C4=33nF。R5= 300kΩ ,R6= 150kΩ ,R7= 75kΩ ,R8=39kΩ ,R9=18kΩ ,R10= ,R11= ,R12= ,R13=Ω ,R14=560Ω ,R15=R16=330kΩ?？紤]到選用的分流器和基準(zhǔn)源都存在允差 ,原理圖中設(shè)置了校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò) ,通過(guò)短接或斷開(kāi) J1~J10,可在177。 30%范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因?yàn)镽15+R16=660kΩ ,大于大于 R4(1kΩ ),因此 ,即使 R5~R14 全部短接 ,這條支路的3dB 頻率仍由 R4 和 C4 的值決定。據(jù)廠家介紹 ,從 J1~J10 全部接通變化到 J1~J10全部斷開(kāi) ,50Hz 處產(chǎn)生的相移僅為 176?？紤]到分流器存在寄生電感 ,較大時(shí)需要 進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)分濾器阻值很小時(shí) ,如 ,小于 200μΩ ,特別要注意此問(wèn)題。AD7755 的供電電壓由電容分壓器分壓、二極管整流、 RC 濾波和 7805 IC 穩(wěn)壓產(chǎn)生。 7805 的輸出以 C13(10μ F)和 C12(100nF)退耦 ,接 AD7755 的 DVDD。 VDD再經(jīng) R22(10Ω )、 C10(100nF)和 C11 (220μ F)濾波 ,接 AD7755 的模擬電路電源管山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 8 腳 AVDD。 AD7755 的 CLKIN 和 CLKOUT 管腳接 晶體和 2 只 22pF陶瓷電容。考慮抗電磁干擾 ,除原有的濾波電路外 ,原理圖電流輸入通道中 增加了Z Z4 鐵氧體 ,電源電路部分增加了由 Z1 鐵氧體、 C16 電容和 MOV1 金屬氧化物壓敏電阻組成的濾波網(wǎng)絡(luò)等。 C8051F360 單片機(jī)部分管腳及參數(shù) 由原理圖知： ~ 分配給八個(gè)用戶(hù)，作為脈沖輸入端口。 和 分配給 LED 顯示部分作為時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)輸入。 和 分配給 24C16 作為 SCL 和 SDA 信號(hào)腳。 此外， C8051F360 功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其余端口與本設(shè)計(jì)無(wú)關(guān)，故其分配情況不再詳述。 晶振采用 11..0592MHz，電源使用 。 電源 參數(shù) 220V~5V 的共兩套，一套給 AD7755，另一套給顯示模塊和 5V~ 電源。5V~ 電源供給 C8051F360 和 24C16。 220V~5V 轉(zhuǎn)換電路中，相關(guān)參數(shù)如下： C1=330uf，為濾波電容； C2=，用于抵消輸入線較長(zhǎng)時(shí)的電感效應(yīng)，以防止電路產(chǎn)生自激震蕩； C3=1uf，用于消除輸出電壓中的高頻噪聲。 圖 AD7755 性能測(cè)試電路 器件選擇： AD7755 電能脈沖發(fā)生器的選擇： AD7755 是美國(guó) AD 公司生產(chǎn)的專(zhuān)用于功率 /電能測(cè)量的 低成本集成電路。它的技術(shù)指標(biāo)滿足 GB/T172151998 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的準(zhǔn)確度等要求。 AD7755 有 24 條引腳 ,以 DIP 和 SSOP 形式封裝。 AD7755 在電子電能表中的連接如圖 1 所示。管腳功能如下 : 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 9 P1 DVDD,數(shù)字電路電源 ,5(177。 5%)V； P2AC/DC,高通濾波選擇腳 ,邏輯高 ,高通濾濾器使能； P3 AVDD,模擬電路電源 ,5(177。 5%)V； P P19 NC,未接； P5P6 V1PV1N,通道 1(電流通道 )模擬輸入 ,最大差動(dòng)輸入電壓為177。 470mV； P7P8 V2NV2P,通道 2(電壓通道 )模擬 輸入 ,最大差動(dòng)輸入電壓為177。 660mV； P9 RESET,復(fù)位引腳 ,邏輯低使 ADC 和數(shù)字電路保持復(fù)位狀態(tài) ,清內(nèi)部寄存器； P10 REFIN/OUT,電壓基準(zhǔn)腳 ,片上基準(zhǔn)為 5(177。 8%)V,可接外部基準(zhǔn)源； P11 AGND,模擬電路參考地 。P12 SCF,校準(zhǔn)頻率選擇腳； P1 P14 S S0,數(shù) 頻轉(zhuǎn)換頻率選擇腳；P1 P16 G G0,通道 1 增益選擇腳； P17 P18 CLKIN CLKOUT,外接時(shí)鐘 ,鐘頻 ； P20 REVP,負(fù)功率指示腳 ,電壓信號(hào)和電流信號(hào)之間的相位差 90176。時(shí)變?yōu)檫壿嫺?。P21DGND,數(shù)字電路參考地； P22 CF,校準(zhǔn)頻率輸出； P2P24 F F1,低頻輸出。 它由模擬電路 (模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電路與電源電壓監(jiān)測(cè)電路 )和數(shù)字信號(hào)處理電路兩部分組成。被測(cè)電壓、電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后 ,接下來(lái)的信號(hào)處理都在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn) 。AD7755 內(nèi)部的相位校正電路、高通濾波器、乘法器、低通濾波器、數(shù)字 頻率轉(zhuǎn)換器等都為數(shù)字電路。 AD7755 內(nèi)有兩個(gè)以 900kHz 過(guò)采樣速率采樣的16 位 2 階Σ Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。被測(cè)電流經(jīng)可編程增益放大器 (PGA)放大后接電流通道的 ADC,并由此 ADC 轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。再經(jīng)相位校正和高通濾波 ,進(jìn)入乘法器。乘法器的另一路輸入是由電壓通道 ADC 轉(zhuǎn)換而來(lái)的、與被測(cè)電壓對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。相乘后產(chǎn)生瞬時(shí)功率信號(hào)。此信號(hào)經(jīng)低通濾波器濾除其中的交流分量 ,提取出負(fù)載消耗的瞬時(shí)有功功率。 AD7755 對(duì)這個(gè)瞬時(shí)有功功率信號(hào)進(jìn)行一段時(shí)間的累計(jì)、平均 ,求得平均有功功率 ,以較短時(shí)間對(duì)瞬時(shí)有功功率進(jìn)行累計(jì) ,求得與瞬時(shí)有功功率成正比的高頻頻率并經(jīng) CF 輸出 ,用于校準(zhǔn)或送微控制器累加計(jì)數(shù) ,實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的計(jì)量。電流通道的 PGA 的增益受管腳 G G0 控制。 高通濾波器 是否接入受管腳 AC/DC 控制。邏輯高 ,HPF 使能。用來(lái)去除電流通道的直流偏移和由此引起的誤差。高通濾波器接入或斷開(kāi)造成的相移 ,由相位校正電路校正 ,使電壓通道和電流通道的相位匹配。如前所述 ,管腳 F F2 輸出與平均有功功率成正上的電壓有效值具有下列關(guān)系 : fF1=fF2= U1 U2 G f14U2REF(1) 式中 ,U U2 分別為電流通道和電壓通道輸入端的 rms 差動(dòng)電壓 (V),G 為電流通道的增益 ,選擇方法見(jiàn)表 1； UREF 為基準(zhǔn)電壓值 (V)； f14 為以 S S0 邏輯輸入選擇的頻率 (Hz),選擇方 法見(jiàn)表 2。 表 f14 等選擇表 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 10 表 第 7 列是與兩個(gè)通道都輸入最大電壓所對(duì)應(yīng)的最高輸出頻率(Hz)?？紤]到實(shí)際電網(wǎng)電壓存在波動(dòng)和負(fù)載電流可能超載 ,設(shè)計(jì)電能表時(shí) ,兩個(gè)模擬通道的輸入電壓一般都留有足夠的超量程余地。比如 ,取允許的最大值的一半。表 2 第 5 列是用管腳 SCF、 S S0 邏輯輸入選擇的轉(zhuǎn)換系數(shù) ,CF 腳輸出的頻率為 fCF=KfF1(2)由表 2 知 ,CF 端輸出的頻率能高達(dá) fF1 的 2048 倍。 設(shè)計(jì)參數(shù) 如下 基準(zhǔn)電壓 ： 220V177。 20% 基準(zhǔn)電流： Ib=A 最大電流： Imax=4Ib=20A 計(jì)量精度： 最小電流： Imin= 脈沖數(shù)： 1000/ 圖 AD7755 電能脈沖發(fā)生器 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 11 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)電路 圖 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)電路 鍵值 1 2 3 4 鍵碼 F7H EFH DFH FDH 鍵值 5 6 7 8 鍵碼 FBH BFH 7FH FEH 表 鍵值鍵碼對(duì)應(yīng)表 3． 8 采樣電路 R2C1C2AGNDV 1 PV 1 NF1R1I123F1AGND 圖 電流采樣電路 使用分流器的電流采樣電路如圖 所示，其中 F1 為分流器， R R2 為采樣電阻， C C2 為采樣電容，他們?yōu)殡娏鞑蓸油ǖ捞?供采樣電壓信號(hào)，采樣電壓信號(hào)的大小由分流器的阻值和流過(guò)其上的電流決定。 4 軟件電路設(shè)計(jì) 主程序流程圖設(shè)計(jì) 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 12 圖 主程序流程圖設(shè)計(jì) 顯示用戶(hù)及相應(yīng)電能子程序框圖 單片機(jī)初始化 讀取 E2PROM 24C16 存儲(chǔ)值 利用定時(shí)器 T0 設(shè)置中斷 讀取 P2 口狀態(tài) 開(kāi)始 調(diào)用顯示用戶(hù)及相應(yīng)電能子程序 向 E2PROM中寫(xiě)脈沖數(shù) 循環(huán) 結(jié)束 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 13 圖 顯示用戶(hù)及相應(yīng)電能子程序框圖 讀 24C16 子程序框圖 開(kāi)始 結(jié)束 調(diào)用查詢(xún)鍵盤(pán)程序 處理脈沖數(shù)據(jù) 調(diào)用顯示程序顯示，并延時(shí)一秒 八戶(hù)是否顯示完 否 是 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 14 圖 讀 24C16 子程序框圖 開(kāi)始 發(fā)送起始地址 送寫(xiě)控制字 向 24C16 送入一個(gè)字節(jié)串行數(shù)據(jù) 發(fā)送字節(jié)地址 結(jié)束 寫(xiě)失敗 否 是 將字節(jié)地址送入 24C16 重新發(fā)起始條件 將 24C16 里的數(shù)據(jù)讀出 發(fā)控制字 應(yīng)答則傳送 讀最后一個(gè)數(shù)據(jù)前發(fā)非應(yīng)答信號(hào) 發(fā)終止條件 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 15 寫(xiě) 24C16 子程序流程圖 寫(xiě) 24C16 子程序流程圖 查詢(xún)鍵盤(pán)流程圖 開(kāi)始 發(fā)送起始地址 送寫(xiě)控制字 向 24C16 送入一個(gè)字節(jié)串行數(shù)據(jù) 發(fā)送字節(jié)地址 結(jié)束 寫(xiě)失敗 否 是 將字節(jié)地址送到 24C16 寫(xiě)數(shù)據(jù)到 24C16 并發(fā)應(yīng)答信號(hào) 發(fā)數(shù)據(jù) 否 是 8 個(gè)字節(jié)發(fā)送完 否 數(shù)據(jù)接收錯(cuò)誤 是 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 16 圖 查詢(xún)鍵盤(pán)流程圖 中斷子程序流程圖 將鍵盤(pán)狀態(tài)存入 74HC165 讀出一個(gè)鍵盤(pán)狀態(tài) 鍵盤(pán)是否按下 對(duì)相應(yīng)用戶(hù)進(jìn)行清零 鍵盤(pán)狀態(tài)是否已全部移出 結(jié)束 是 是 否 開(kāi)始 山東科技大學(xué)課程設(shè)計(jì) 17 中斷子程序流程圖 5 結(jié)束語(yǔ) 開(kāi)始 將新的脈沖狀態(tài)存入