基于ADE7758 和MCU的多相多功能电能测量电表

0引言

我国与发达国家一样， 随着电力供应市场化的逐步深入和计算机网络的快速普及和发展，为了缓解电力供应紧张的现状，正在大力推广分时电价，双费率电子电能表成为电能表新的发展趋势和需求热点。仅上海市自 2001 年起，五年内需要 600 万台复费率电能表。

国外电能表正在向大电流、大动态的需求方向发展。美国模拟器件公司开发出一种体积小巧、动态范围可达 1000 ： 1 的新型电能测量集成电路ADE7758 ，该 IC 内嵌了高精度的模数转换器和固定模式的数字处理信号处理器（DSP），具有数字积分、数字滤波和具有众多实用电能监测、计量功能，正成为新一代高性能全数字电能表的理想芯片。

截止到 2002 年 10 月， AD775X 系列全数字电能测量处理芯片在全世界的销量已超过 5000 万片。 ADE7758 是具有每相信息的多相多功能电能测量 IC 芯片，是美国 ADI 公司 2003 年 8 月推出的专用电能测量 IC 新产品。

ADE775X 系列电能测量专用集成电路芯片的推出 , 不仅简化了 电力测量新应用模块的设计难度，可做到全电子或真正固体化、静止化 , 以有利于提高性能，降低成本；还可以利用现有的电话线、专线、高频无线电调制解调器、光缆、低压配电线载波等技术手段完成自动抄读表、分时电价、实时电价、多功能计量、预付费等扩充应用功能。使电能计量具有高精度、高可靠性、免维护和双向通讯功能，适应电力市场化下的电力公司提供新的增值服务。

ADE7758 是一款功能先进的数字电能表芯片，它与单片机PIC16F877 、LCD模块、电源等构成的一种多费率电子电能表电路见图。 ADE7753 通过串行接口与单片机通信，接收单片机控制，实现多费率计量。

1 ADE7758引脚功能及设计要点

ADE7758 引脚功能分布参见图 1 。

⑴ APCF ：有功功率校正频率逻辑输出引脚。

该引脚的输出主要用于校准和操作的目的。满刻度输出频率可以写入 APCFNUM 和 APEFDEN 寄存器中。

⑵ DGND ： ADE7758 数字电路部分参考地端，例如乘法器、滤波器、数－频转换器的地端。

由于 ADE7758 中的回路电流很小，可以直接跟整个系统的模拟地端（ AGND ）相连，但是 DOUT 端的大总线电容产生的数字噪声电流可能会影响其性能。

⑶ DVDD ：数字电源。该引脚为 ADE7758 数字部分提供电压源。

电压维持在 5V±5% 。该引脚可用一个 10μF 的电容和一个 100nF 的瓷片电容并联后进行去耦合。

⑷ AVDD ：模拟电源端。该引脚为 ADE7758 模拟部分提供电压源。电压维持在 5V±5% 。

该引脚应该采用正确的去耦方法，尽量减小电源波动和噪声。该引脚用一个 10μF 的电容和一个 100nF 的瓷片电容并联后，再连接到 AGAND 引脚来去耦合。

⑸~⑽ IAP ， IAN ； IBP ， IBN ； ICP ， ICN ：电流通道模拟输入。

这些输入是全差动电压输入，最大的差动输入信号为 ±0.5V ， ±0.25V ， ±0.125V 。根据内部放大器的增益选择，来设定输入电压的最大值，增益选择放大器的增益由PGA寄存器来设定。所有的输入引脚均能承受 ±6V 的过电压而不会造成永久损坏，并具有静电释放保护电路。

(11) AGND ：模拟电路部分的参考地端。

该引脚为内部的 ADCS 、温度敏感元件、参考电压端等部分的参考地端。该引脚应该连接到系统的标准模拟地或者干扰最小的接地参考点。干扰最小的接地参考点应该跟所有的模拟线路相连。为了减小 ADE7758 的地端噪声，模拟地端应该和数字地端只用一个点来连接。也可以把整个器件都安放在模拟接地面上。

（ 12) REFIN/OUT：该引脚是片上基准电压。

片上基准电压标称值为 2.5V±8% 。外部参考端也可以与该脚相连。无论是否连接外部参考电压端，该引脚都应该用一个 1μF 的瓷片电容跟 AGND 端连接以去偶合。

(13)~(16) VN ， VCP ， CBP ， VAP ：电压通道的模拟输入。

这些输入是单端电压输入，最大信号电压为 ±0.5V ，（相对于 VN 端）。可以通过内部寄存器 PGA 选择输入信号的最大值为 ±0.5V ， ±0.25V 或者 ±0.125V 。所有的输入引脚均能承受 ±6V 的过电压而不会造成永久损坏，并具有静电释放保护电路。

(17) VARCF ：复功率校准频率逻辑输出。

通过设置 WAVMODE 寄存器的 VACF 位来选择输出复功率或者视在功率。该输出常用于电能表的校准。满刻度输出可以通过写入 VARCFNUM 和 VARCFDEN 寄存器的数值来调节。

(18)IRQ：中断请求输出。低电平有效的开漏极逻辑输出端。

可屏蔽的中断包括：有功能量寄存器和视在功率寄存器半满和波形采样速率达到 26kSPS 。

(19) CLKIN ：数字信号处理 ADCS 的主时钟。最高为 15MHz。

可以用一个外部时钟信号来提供时钟输入，也可以在 CLKIN 和 CLKOUT 端并联一个 AT 晶体来提供时钟信号。应该根据晶体的参数确定所需要的负载电容值，接一个几十 PF 的瓷片电容到振荡门电。

(20) CLKOUT ：当外部时钟提供或者连接一个晶体时，该引脚能驱动一个CMOS负载。

(21) CS ：片选信号，低电平有效。这时 ADE7758 与数据总线接通。

(22) DIN ：串行接口的数据输入端。在串行口的时钟信号 SCLK 的下降沿输入数据。

(23) SCLK ：串行时钟信号输入端。

所有串行数据被该信号同步。该引脚具有施密特触发输入，以适应速度较慢的边沿变化时间。

(24) DOUT ：串行口的数据输出端。

在 SCLK 信号的上升沿数据从该引脚传输出去。在没有数据的时候该引脚为高阻抗状态。

2 ADE7758的工作原理与内部框图

ADE7758 功能框图如图 2 所示。

ADE7758 是一种高精确度三相电能测量 IC ，带有一个串行口，两路脉冲输出。 ADE7758 集成了数字积分、参考基准电压源、温度敏感元件等，有可用于有功功率、复功率、视在功率、有效值的测量以及以数字方式校正系统误差 ( 增益、相位和失调等 ) 所必须的信号处理电路。该芯片适用于各种三相电路（不论三线制或者四线制）中测量有功功率、复功率、视在功率。

来自电流传感器和电压传感器的电压信号经信号放大 PGA1,PGA2 和模数变换 ADC 转换为对应的数字信号，然后，电流信号经电流通道内的高通滤波器HPF 滤除 DC 分量并数字积分后，与经相位校正 Φ 的电压信号相乘，产生瞬时功率 ; 此信号经低通滤波 LPF2 产生瞬时有功功率信号 ; 各相功率相加得到总

的三相瞬时有功功率，经 DOUT 引脚输出。视在功率和复功率的计算与此类似。

ADE7758 有六路模拟量输入，分成电流和电压两个通道。

流通道由三对差分电压输入，分别是 IAP ， IAN ； IBP ， IBN ； ICP ， ICN 。这三个电流通道最大的信号电压变化范围为 ±0.5V 。电流通道有一个可编程增益放大器（ PGA1 ），放大器增益为 1 ， 2 或 4 。除了 PGA 功能外，用于A/D转换时，通道 1 还具有输入信号满刻度选择的功能。前面提到了，最大输入电压变化范围为 ±0.5V ，利用增益寄存器的 3 和 4 位， ADC 的输入电压可以设置为 ±0.5V ， ±0.25V ， ±0.125V 。这是利用 ADC 的基准参考端来实现的。

电压通道具有三路单端电压输入通道，分别为 VAP ， VBP 和 VCP 。这些单电压输入端的最大输入电压变化范围为 ±0.5V 。相对于 VN 来说，电流和电压通道都有一个 PGA （可编程放大器），增益为 1 ， 2 或 4 ，由用户编程来决定，所有的输入通道的增益相同。

ADE7758 提供系统的校正功能如：有效值偏移的校正、相位和功率的校正等等。引脚 APCF 的逻辑输出给出了有功功率的信息，引脚 VARCF 的输出提供了瞬时复功率和视在功率的信息。 ADE7758 具有一个波形取样寄存器，其值来自于 ADC 的输出。波形采样部分集成有一个用于短时持续低电平或高电平的监测电路，门槛电平和持续时间是由用户编程来决定的。三相中的任一相过零监测是同步进行的，过零监测的结果可用于测量三路电压输入中任一路的周期。

ADE7758 的所有功能都是通过读、写片上寄存器来实现的，即 ADE7758 的各种设定和操作主要是对其众多寄存器的读和写。每个寄存器在读、写时，首先要执行一个写通信寄存器的操作，然后开始传输数据。 电能表的测控命令和