带数字积分器的电能计量数据转换器ADE7759 Microsoft Word

电路中的模拟转数字转换器将模拟信号转化为数字信号在现代电子技术中，模拟信号转换为数字信号是一个重要的过程。

模拟信号是连续的，而数字信号是离散的。

模拟转数字转换器（ADC）是一种能够将模拟信号转化为数字信号的电路装置。

一、模拟信号与数字信号的区别模拟信号是根据物理量的大小连续变化的信号，可以表示为连续的波形。

例如，声音、光线、温度等都是模拟信号。

而数字信号则是以离散的方式表示的信号，值只能是一组离散的数字。

二、ADC的工作原理ADC是一种能够将模拟信号转换为数字信号的装置。

它的工作原理是将模拟信号经过采样、量化和编码等过程，最终得到对应的数字信号。

1. 采样采样是指将连续的模拟信号在一定的时间间隔内离散取样。

采样的频率决定了模拟信号在时间上的离散程度，也影响着数字信号的保真度。

通常采用的采样频率是大于采样信号最高频率的两倍。

2. 量化量化是将采样得到的连续模拟信号转化为离散的数字信号。

在量化的过程中，模拟信号的幅值范围将被分为一定数量的区间，并且每个区间的幅值将离散化为一个数字。

3. 编码编码是将量化后的数字数值转换成二进制形式。

通过编码，模拟信号将完全转化为数字信号。

三、常见的ADC类型目前市场上存在多种不同类型的ADC，其中常见的有以下几类：1. 逐次逼近型（Successive Approximation）逐次逼近型ADC是一种常见且常用的类型。

它采用逐次逼近算法进行转换，每一步都逼近输入信号的实际值，最终得到数字表示。

逐次逼近型ADC具有转换速度快、精度高等特点。

2. 闪存型（Flash）闪存型ADC是一种又快又精确的ADC类型。

它的转换速度非常快，但成本较高。

闪存型ADC可以同时比较所有可能的输入范围，并返回准确的数字输出。

3. 积分型（Integrating）积分型ADC是一种基于积分的转换器，通过对输入信号进行积分来实现模拟信号的转换。

积分型ADC通常用于测量和转换连续变化的信号，如电流和电压。

12位双积分A/D转换器ICL7109 ICL7109是美国Intersil公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12位A/D转换器。

由于目前逐次比较式的高速12位A/D转换器一般价格都很高，在要求速度不太高的场合，如用于称重，测压力等各种高精度测量系统时，可以采用廉价的双积分式高精度A/D 转换器ICL7109。

ICL7109最大的特点是其数据输出为12位二进制数，并配有较强的接口功能，能方便的与各种微处理器相连。

一、ICL7109的内部结构与芯片引脚功能1、ICL7109的内部电路结构ICL7109的内部电路有模拟电路和数字电路部分组成。

模拟电路部分由模拟信号输入振荡电路、积分、比较电路以及基准电压源电路组成。

下图为数字电路部分的结构。

他由时钟振荡器、异步通讯握手逻辑、转换控制逻辑以及计数器、锁存器、三态门组成。

高位字节输出引脚低位字节输出引脚17 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ICL7109 1816位三态输出16 2014位锁存器模拟电路部分12位计数器电压比较器输出振荡器及时钟电路转换控制逻辑握手逻辑2 26 22 23 24 25 21 27图1 ICL7109数字电路部分内部结构2、ICL7109的功能引脚ICL7109为40引脚双列直插式封装，其引脚如图2所示。

各引脚功能如下：GND：数字地，0VSTATUS：状态输出，ICL7109转换结束时，该引脚发出转换结束信号。

POL：极性输出，高电平表示ICL7109的输出信号为正。

OR：过程量状态输出，高电平表示过程量B1~B12：三态转换结果输出，B12为最高位，B1为最低位TEST：此引脚仅适用于测试芯片，接高电平时为正常操作，接低电平时则强迫所有位B1~B12输出为高电平。

LBEN：低电平使能端。

当MODE和CE/LOAD均为低电平时，此信号将作为低位字节（B1~B8）输出选通信号；当MODE位高电平时，此信号将作为低位字节输出。

电子式电能表的工作原理及AD7755的简介电子式电能表的工作原理为：由分压器完成电压取样，由取样电阻完成电流取样，取样后的电压、电流信号由乘法器转换为功率信号，经V/F变换后，输出的脉冲信号推动计数器工作，如果是智能电表，则将脉冲信号输入单片机系统进行处理。

要完成上述功能，就要采用专用的电功率测量芯片，其中最常用的AD7755就是一种高精度的电功率测量芯片，其内部的乘法器是数字型乘法器。

AD7755的功能框图见图 1，引脚见图2。

它输出的脉冲信号可以直接驱动计数器的步进电机。

AD7755的性能测试电路见图3。

其中V1P、V1N为电流传感器的模拟输入端，V2P、V2N为电压传感器的模拟输入端。

按图中SCF、S1、SO的接法，CF输出频率是F1和F2的16倍。

图1 AD7755内部框图图2AD7755引脚排列图3 AD7755性能测试电路图4 AD7755信号处理框图AD7755的信号处理框图见图4。

两个ADC分别对来自CH1（交流电流取样）和CH2（交流电压取样）的电压信号进行数字化，这两个ADC都是16位的数模转换器。

电流通道内的高通滤波器（HPF）滤掉电流信号中的直流分量，从而消除了曲于电流或电压失调所造成的有功功率计算上的误差。

瞬时功率由电压信号和电流信号直接相乘得到，通过低通滤波器（LPF）得到有功功率。

再经电压一频率转换，引脚F1和F2以较低频率形式输出有功功率平均值，此脉冲推动计数器计数，引脚CF以较高频率形式输出有功功率瞬时值，用于仪表校验，由于其输出频率高，便于进行处理，因此本文利用CF输出的脉冲信号作为测量信号。

AD7755在电子电度表电路中的应用AD7755是一种高准确度电能测量集成电路。

AD7755只在ADC和基准源中使用模拟电路，其它信号处理（如相乘和滤波）都使用了数字电路，这使AD7755在恶劣的环境条件下仍能保持极高的准确度和长期的稳定性。

AD7755有24脚DIP和SSOP两种封装。

CSE7759B 1/19版本历史2/19目录版本历史 (2)1芯片功能说明 (4)1.1芯片主要特性功能 (4)1.2芯片引脚说明 (4)2电气特性 (6)2.1极限值 (6)2.2推荐工作条件 (6)2.3模拟特性 (6)2.4数字特性 (7)2.5开关特性 (8)3芯片应用 (9)3.1CSE7759B典型应用 (9)3.2有功功率F CF信号频率 (10)3.3测量范围 (10)3.4串口协议 (10)3.5校准方式 (14)3.5.1校准地址选择 (14)3.5.2芯片出厂校准参数及电流、电压、功率计算公式 (15)3.6电量计算 (15)3.6.1CF的频率 (15)3.6.2当前电量计算范例 (16)3.7电压、电流、有功功率运算参考流程图 (16)3.7.1电压运算参考流程图 (17)3.7.2电流运算参考流程图 (17)3.7.3有功功率运算参考流程图 (18)3.8芯片的启动阈值与潜动预防 (18)3.9内置振荡器 (18)3.10内置基准源 (18)4C SE7759B封装 (19)3/194/191 芯片功能说明CSE7759B 为单相多功能计量芯片，其提供高频脉冲CF 用于电能计量，通过UART 可以直接读取电流、电压和功率的相关参数（如：系数、周期）；串口波特率为4800 bps （±2%），8位数据，1位偶校验，1停止位。

本芯片采用SOP8封装。

1.1 芯片主要特性功能1. 电量累计误差为±2%。

2. 电流有效值、电压有效值、功率误差范围详见2.3小节。

3. 串口UART 通讯协议波特率为4800bps 。

4. 内置电源监控电路，当电源电压低到4V 时，芯片进入复位状态。

5. 内置2.43V 的电压参考源。

6. 5V 单电源供电，工作电流小于5mA 。

7. 主要应用领域：需要测量电压、电流和功率的场合，例如单相多功能电能表、计量插座、数显表等。

1.2 芯片引脚说明CSE7759B 使用SOP8封装。

双积分式A/D转换器1. A/D转换器概述1.1 A/D转换器的基本概念A/D转换器是模拟量输入通道的核心部件。

它是一个把模拟量转换成数字量的装置，采样和量化主要就是通过A/D转换器来实现。

在检测系统中，将传感器获取的模拟信号经放大、处理之后，将模拟信号转换成数字信号送入计算机进行处理。

1.2 A/D转换器的分类A/D转换器芯片种类繁多，根据输出数字信号的有效数可分为4位、8位、10位、12位、16位等；从机构原理上看，可以分为计数式、逐次逼近式和双积分式。

下面将就双积分式进行简要说明。

2. 双积分式A/D转换器2.1双积分式A/D转换器的组成双积分式A/D转换器电路主要由积分器、比较器、计数器、和标准电压源组成。

其电路原理图2.1所示：图2.1 双积分A/D转换器电路图2.2双积分式A/D转换器的工作原理双积分式A/D转换器在“转换开始”信号控制下，模拟输入电压在固定时间内向电容充电（正向积分），固定积分时间对应于n个时钟脉冲充电的速率与输入电压成正比。

当固定时间一到，控制逻辑将模拟开关切换到标准电压端，由于标准电压与输入电压极性相反，电容器开始放电（反向积分），放电期间计数器计数脉冲多少反映了放电时间的长短，从而决定了模拟输入电压的大小。

输入电压大，则放电时间长。

当电容器放电完毕，比较器输出信号使计数器停止计数，并由控制逻辑发出“转换结束”信号，完成一次A/D转换。

双积分式A/D 转换器的工作原理如图2.2所示：图2.2 双积分式A/D 转换器的工作原理2.3双积分式A/D 转换器的公式推导 从图2.2中可以看出，对标准电压进行反向积分的时间t 正比于输入模拟电压，输入模拟电压越大，反向积分所需要的时间越长。

因此，只要用标准的高频时钟脉冲测定反向积分所花费的时间，就可以得到输入模拟电压所对应的数字量，即实现了A/D 转换。

首先，电路对输入的未知模拟量V IN 进行固定时间t 0的积分，积分器输出为：IN t IN H V t RCdt V RC V 00)1(10==⎰ (2.1) V H 与输入模拟电压V IN 平均值成正比，然后转换为对标准电压进行反向积分，经过时间t ，积分器输出为0。

The World Leader in High Performance Signal Processing SolutionsADI Confidential Information –Not for external distributionADE7880带谐波分析的三相电能计量芯片2011 十月ADE7880 摘要u ADE7880 = ADE7878 + 谐波分析计算l添加了易于使用的谐波分析功能l移除了总无功计算（增加了基波无功计算）u Pin to pin 兼容ADE78xx系列l ADE7854, ADE7858, ADE7868, ADE7878u提高了ADC性能→更高的有功无功电能计量动态l1000:1 动态内优于0.1%, PGA = 1, 2, 4; 积分器关闭, 功率因子=1 l5000:1动态内优于0.2%, PGA = 1, 2, 4;积分器关闭, 功率因子=1 u输入带宽从2KHz 增加到3.3KHzl无衰减输出带通从1.6KHz 增加到2.8KHzADE7880 谐波计算谐波计算引擎IA, VA IB, VB IC, VC IN, ISUM相位选择A or B or C orN谐波索引X Y ZTime base, update rate and data interfaceoptions3 Harmonics and Fundamental ResultsWATT I RMS Power FactorVAR V RMS Harmonic DistortionVATHD+NNeutral and Isum resultsI RMS THD+N ISUM RMSADE7880 谐波计算u一次分析一相或零线电流l同时分析电流和电压l需要一路相电压作为时间基准u基波的信息以8KHZ的速率连续不断的计量u用户可任意选择三次谐波进行分析l索引寄存器指定相应次数谐波l可设定任意三次高达2800Hz的谐波l高达2.8KHZ的无衰减带宽u同时计算基波和任意三次谐波:l谐波电流和电压有效值–在1000：1的动态内单次读数值精度优于1%u十次读数平均值（每128微秒读一次）在2000：1的动态内单次读数值精度优于1% l谐波有功和无功功率–在1000：1的动态内单次读数值精度优于1%u五次读数平均值（每128微秒读一次）在2000：1的动态内单次读数值精度优于1% l谐波视在功率l谐波功率因子u基波功率因子= 位移功率因子l所有相电压和电流，零线电流和电流和的总谐波失真加噪声（THD+N ）l和基波相比较的各次谐波失真u0.75 sec 的建立计算时间l14 秒获得某一相的所有1-56次谐波信息谐波引擎和零线电流u同时分析电流和（三相电流和）和零线电流分析u只提供任意三次谐波和基波的电流有效值ADE7880 –特点u全量分析在2.8KHZ带宽内的所有谐波信息u三相电流和电压+零线电流u电能计量:l每一相的全波有功，基波无功、基波有功和视在电能累加l电质量监测u电压跌落, 峰值, 周期, 角度测量, 相序检测u3路脉冲输出口u2个中断请求引脚u可选通讯接口组合:l I2Cl SPIl I2C & HSDC (High Speed Data Capture Port)l谐波信息寄存器突发读模式u涵盖所有的配置寄存器的CRC校验和u3.3V供电电压; 40-pin LFSCPIncreasing the confidence in metering measurementsu Improved registry integrityl ADE7880 computes CRC of all input registersu ADE7878 computed CRC only on some registersu Continuously computedu IRQ generated if the latest value differs from the one set when DSP starts executionu Improved SPI/I2C reliabilityl After each successful communication, data stored in 3 registers u LAST_OP, LAST_ADD, LAST_RWDATAu MCU may read these registers to verify the correctness of thecommunicationu Period of the line computed simultaneously on all 3 phases l If one phase goes down, measurement still active on the othersPower factor computationsVCAPACITIVE:CURRENT LEADS VOLTAGEINDUCTIVE:CURRENT LAGS VOLTAGEAdditional Featuresu Rms of IA+IB+ICl MCU may compare it with neutral current rms NIRMSu Additional anti tamper featureu In 3 phase 3 wire (delta) configurationl2 line voltages are measuredl ADE7880 computes the rms value of the 3rd line voltageu Required by various metering standards around the worldu Lower ripple in rms computations with less than 1sec settling timeu Independent integrator enabling in neutral current channell Neutral current may use different current sensors than phase currentsScheduleu Samples and evaluation board: l Nowu Mass production:l Oct 2011AppendixAppendix –harmonic calculations reference()k k k t k V t v ϕω+=∑∞=sin 2)(1()k k t k I t i γω+=∑∞sin 2)(ADE7880 harmonic engineHarmonic engine interfacesu User can interact in 2 ways with the harmonic engineu Method A: the fundamental and 3 harmonics can be monitored in time, from the moment the engine inputs are setl User chooses:u Phase to be monitoredu3 harmonics to be monitoredl Every 125usec, an interrupt is generated when the engine outputs areavailableu Other update rates: 250usec, 1msec, 16msec, 128msec, 512msec, 1.02secu Method B: the fundamental and 3 harmonics can be monitored after settlingl Same as Interface 1, but ADE7880 provides an interrupt after a time when the harmonic engine outputs have settledu Time choices: 0.5sec, 0.75sec, 1sec, 1.25secu Settling time is usually 0.75secl After this interrupt, an interrupt is generated at update rate when the engine outputs are availableu SPI and I2C burst mode allows fast reading of harmonic engine registersl After the starting address is received, ADE7880 sends registers until themaster stops the communicationu HREADY muxed at CF2 pin to provide high/low transitions when registers are updatedl Useful in reading the harmonic registers with the lowest overhead possibleHarmonic calculations settling timeu1% error is obtained in less than 650msec l8000 samples correspond to 1sec Settling timeSettling time1 sec0.5 sec0.5 sec。