一种新型电网数显功率表的电路设计

1 系统工作原理

在直流电路中，有功功率反映被测电路的电压和电流的乘积(P=UI)；在交流电路中，除了这个乘积外，还应反映其相位差的余弦，即电路的功率因数cosψ，有P=UI／cosψ。对于工业生产和日常生活，准确、实时的测量电网功率是必不可少的。本系统采用开关稳压电压源，将220 V交流市电整流稳压为模拟、数字两路+5 V电源，为整个电表电路供电。采用先进的单相双向功率／电能集成芯片CS5460A。通过电流互感器检测的电流信号，通过电阻分压器输入的电压信号，可直接输入该集成芯片，在片内完成A／D转换和瞬时有功功率计算。其基本结构框图，如图1所示。

2 开关电源电路

电源是电子设备的核心部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障大都来自电源，因此在设计电子设备时，电源的设计十分重要。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区。这种稳压电源的主要缺点是变换效率低，一般只有35％～60％；开关稳压电源的调整管工作在开关状态，主要的优越性就是变换效率高，可达70％～95％。此外，开关稳压电源还有功耗小、稳压范围宽、体积小、重量轻、安全可靠等优点。目前电子设备的稳压电源逐渐被开关稳压电源所取代。在本系统中，由于在检测部分要用到C55460A，为了避免干扰，需要模拟和数字两路+5 V电源，因此，在开关稳压电源部分也需要有两路+5 V电源。该部分电路原理图，如图2所示。

　
3 功率检测电路

功率检测电路是该功率表设计的主要部分。其主要功能是在单片机P89LPC916的控制下由CS5460A检测功率并输出功率值，其中X5045存放标准校正值，供单片机随时校准功率值。其电路原理图，如图3所示。检测电路中主要器件有功率互感器、CS5460A、单片机P89LPC916、X5045等。

　
3．1 CS5460A功能概述

CS5460A是一个包含两个△∑模一数转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高度集成的△∑模一数转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS和VRMS，用于研制开发单相2线或3线电表。

CS5460A可以使用低成本的分流器或电流互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。CS5460A具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5460A具有方便的片上AC／DC系统校准功能。"自引导"的特点使CS5460A能独立工作，系统上电后自动初始化。在自引导模式中，CC5460A从一个外部EEPROM中读取校准数据和启动指令。使用该模式时，CS5460A工作时不需要外加微控制器，因此当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。

CS5460A是具有有功功率计算引擎的CMOS单片功率测量芯片，它包含了两个增益可编程放大器、两个△∑调制器、两个高速滤波器，具有系统校准和有效值／功率计算功能，以提供瞬时电压／电流／功率数据采样及有功能量、IRMS、VRMS的周期计算结果。为适应低价测量应用，CS5460A也能在给定引脚上输出脉冲串，输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比。CS5460A专为功率测量进行了优化，它适合与分流器或电流互感器相连来测量电流；与分压电阻或电压互感器相连来测量电压。为适应不同电平的输入电压，电流通道集成有一个增益可编程放大器(PGA)，使输入电平满量程可选择为±250 mVRMS或±50 mVRMS。电压通道的PGA可适应±250 mV的输入电压范围。对于VA+和VA－两端接单+5 V电源的情况，两个通道的差模输入引脚间所加的共模+信号电压为－0．25～+5 V。另外，设计时可以在某一个通道或两个通道实现双端差模输入，此时输入信号的共模电压加在AGND上。CS5460A每通道都有一个高速数字滤波器，将两个△∑调制器的输出衰减10倍并积分。滤波器以(MCLK／K)／1 024的字输出速率(OWR)输出24位数据。为了方便与外部微控制器通讯，CS5460A集成有一个简单的三线串行接口，该串口与SPITM和Micro WireTM标准兼容。串口的串行时钟(SCLK)和RESET引脚内包含一个施密特触发器，允许使用上升速度较慢的信号。

CS5460A特性：

(1)电能数据线性度：在1 000：1动态范围内线性度为±0．1％；

(2)片内功能：可以测量电能(有功)，I×V，IRMS和VRMS，具有电能一脉冲转换功能；

(3)可以从串行EEPROM智能"自引导"，不需要微控制器；

(4)AC或DC系统校准；

(5)具有机械计度器／步进电机驱动器；

(6)符合IEC687／1036，JIS工业标准；

(7)功耗<12 mW；

(8)优化的分流器接口；

(9)V对I向相位补偿；

(10)单电源地参考信号；

(11)片内2．5 V参考电压(最大温漂60 ppm／°C)；

(12)简单的三线数字串行接口；

(13)看门狗定时器；

(14)内带电源监视器；

(15)电源配置为VA+=+5 V；VA－=0 V；VD+=+3．3～+5 V。
如图4所示为CS5460A在单电源单相2线系统的功率测量方案，该图用于监控电源线电流的电阻分流器联接在电源的火线端。