基于ATT7022谐波分析的多功能数字仪表的原理和应用.docx

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1、基于ATT7022谐波分析的多功能数字仪表的原理和应用摘要：利用ATT7022多功能计量芯片和16位CPU组合实现具有多至41次谐波分析三相复费率多功能电能表。ATT7022集成了 7通道二阶16位sigua-delta ADC,参考电压电路以及所有功率、能量、有效值、功率因数及频率测量的数字信号处理等电路，能够测量分相及合相得有功功率、无功功率、视在功率、有功能量及无功能量、同时还能测量各相电流及中性极电流、电压有效值、功率因数、相角、频率等参数。关键词：ATT7022.多功能计量、谐波分析1、ATT7022多功能计量芯片简介ATT7022是一个多功能、高精度、具有谐波分析功能的三相电能计量

2、芯片，适用于三相三线和三相四线测量。ATT7022由3.3V供电，与MSP430F5310低功耗16位单片机以SPI接口相连接，可实现0.2S、0.5S有功测量和1级、2级无功测量，并可对三相电压、三相电流进行多至41次以下的谐波分析。ATT7022集成了 7个通道、16位分辨率、二阶signa-delta ADC,可对三相电流及中性极电流、三相电压进行实时采样，并经高通、低通滤波电路和运算，能够实时测量分相和合相的有功功率、无功功率、视在功率、有功电能及无功电能、充分满足三相复费多功能电能表的需求。ATT7022支持可编程的数字增益、相位校正、有功电能脉冲输出、无功电能脉冲输出、视在电能脉冲

3、输出、瞬时基波有功功率输出以便与标准表连接后进行校正。它输出基波有功功率、基波有功电能、基波电流、基波电流有效值。ATT7022有一个SPI接口，4线（氐 片选，SCLK时钟输入，SDI数据输入，SDO数据输出），最高通讯速率500KHz,无等待。ATT7022内置电压检测电路，可保证上电和断电时的正常工作，也可以用CPU的外接电源监控电路进行控制。ATT7022具有内部基准，也可外接基准，最大为1.2V2： ATT7022原理框图ATT7022芯片内部结构如图（一）所示VIPVINV311V3V5P5V2PV2NV4PV4V6PV6时钟控制电路有功功率脓冲生成器1电流11嬴1模拟信号采样无功

4、功率视在功率电压有效值SPI通讯接nA4电流有效值功率因数频率测量参考电压数字信号处理DSP电源管理ATT7022 框图ascoOSC1SLLSIGRESETCF1CF2RevpDOLTDINSCLKcsvccAVCCVDDREFOUT RHFCAEGD AGND图（一）ATT7022芯片内部结果原理框图芯片44脚封装。模拟输入引脚3、4； 6、7； 9、10：三相电源采样模拟差动模拟信号输入，最大信号电平为0.7V,每个通道均有可编程增益放大器（PGA）,放大器输出与二阶16位数字信号处理器的signa-deltaAD 口相连，再经滤波、多路开关、处理后进寄存器阵列。21、22：电流通道零，

5、用于检测三相四线制中的零线（N线）电流。13、14； 16、17； 19、20：三相电压采样差动模拟信号输入，电路结构与电流采样一样。SPI接口：与CPU之间的通讯用4线，与SPI接口相连，最高速率500KHz35： CS片选，低电平有效，当CPU要读取芯片寄存器中的参数时，CPU输出低电平,读数完成时，输出高电平。36： SCLK： CPU输出给ATT7022的串行时钟，最高速率为500KHz37： DIN： ATT7022数据输入，CPU输出到ATT7022的命令或校准信号38： DOUT： ATT7022数据输出，将芯片采样的电压、电流及计算后的参数送给CPU。高速脉冲输出：有4种信号以

6、高速脉冲输出，可与标准表连接后进行动态的实时校准27： CF1-频率校验输出，用于有功功率校验和有功电能计量28： CF2-频率校验输出，用于无功功率校验和无功电能计量30： CF3.频率校验输出，用于视在功率校验和视在电能计量31： CF4-频率校验输出，用于基准有功功率校验和基准有功电能计量时钟：外接晶体5.5296MHz42： CLKIN：时钟（晶体）输入，也可外部5.5296MHz时钟输入43： CLKOUT：时钟输出外部基准：VREF外部基准，1.2V,当测量精度要求较高时，可用外部精密基准，当测量精度要求不高时，可用内部基准。5： REFCAP,可接L2V外部基准,需加10uF、O

7、.luF去耦电容。与CPU连接的其它信号：40： REVP:逻辑输出，逆功率指示，当任一相功率输出为负时，输出高电平；当三相功率输出均为正时，输出低电平。CPU可通过I/O 口读取该引脚的电平，对发电机的逆功率进行保护和四象限运算。26： SEL:3W3P（3相3线制），采样控制信号，CPU通过I/O 口控制ATT7022芯片实现3W3P/3W4P采样，三相三线制用二元件法，三相四线制用三元件法测量。如图 所示:三相三线制中，只需要两只电流互感器和两只电压互感器，只能测三相总功率，不能测分相功率；三相四线制中需三只电流互感器和三只电压互感器，可采样三相分功率和三相总功率。IRQ：中断输出，与C

8、PU的中断引脚相连，上电复位后，IRQ信号变低，写入较表参数后变高，内部IRQ功能项使能后，当发生可读取有效参数后，IRQ变为低电平，CPU可使用外部中断，下降变产生CPU中断请求，CPU响应中断后读取ATT7022的中断状态标志寄存器，即可知何种采样信号，可从寄存器组中通过SPI接口读取。RESET : 1 :低电压有效，可与外部电源监控芯片输出与其相连，如MICROCHIP公司的 MCP112-3V.关于芯片供电：AVCC:模拟电源，3.3V供电，对测量精度要求较高的场合（如0.2级表）其电源纹波要小于 5MV （P-P）AGND:模拟地DVCC:数字电源，3.3V供电，数字电源的纹波可以

9、稍大一些，如DC-DC变换器输出时,纹波有3050mV（P-P）也可以。DVCC和AVCC都可用3.3V,但纹波要求完全不一样，所以AVCC电源需要单独用线性电源和多级L-C滤波器。DGND:数字地，数字地和模拟地要分开走线，PCB布线时最好用多层板，AGND和DGND最后一点接地。CPU的地线与ATT7022的地线一样处理。3.应用电路3.1 电流采样电路:图三中只画了 A相电流采样电路，CAT1为精密电力互感器，可用精度为0.1,0.2级精度,IA为主回路电流，h为CAT1次级电流，可用5A或1A,变比K1可用CPU面板的键盘设定。CT2为精密测量互感器，可用5A/5mA或5A/lmA,

10、b为CTA2的原边电流5A,可过载1.2倍，6A满量程，L为CTA2的副边电流，K2为CTA2的变比，当K2=5A/5mA, 1.2倍满量程，即b为6mA时满量程，可计算过载电阻R0、因芯片最大输入为0.7V,所以R0=700mV/(5 mA* 1,2*V2 )0R0需要精密金属氧化膜分立电阻，温度系数耍小。电阻1.2K和3.3nF电容是滤波电路。A、B、C、N四个电路完全一样。3.2 电压采样电路电压采样用2 mA/2 mA电压型电流测量互感器，图中R为精度为1%的功率电阻，2W功率，在3相4线制中，AC300V满量程，R可用150K/2W精度为1%的金属氧化膜分立电阻;在三相三线制中，AC

11、400时,AC500V满量程,R可用250K,当用于AC690V时，AC1000V满量程，R用两个250K功率电阻串联。电压输入模拟通道最大幅值信号为0.7V,R0=700mV/ (2 mA*四)。三相电压采样电路完全一样。3.3 ATT7022与CPU的链接电路（五）多功能电能表原理框图图（五）为ATT7022和16位CPU组合后的多功能电能表的原理图，ATT7022与CPU的同步通信采用SPI接口，最高通信速率为500KHZ,布线时两块芯片要靠近，因速率较高,时钟线和数据线相互之间最好用地线隔开，必要时采用阻抗匹配和滤波措施，以保证传输数据的可靠性。仪表用128*64点阵液晶显示，主屏幕显

12、示三相分相有功电能和合相电能，用键盘可查询显示有功功率、视在功率、无功功率、有功电能、无功电能、各相电流、电压有效值，功率因数、相角、频率、校表参数、基波有功功率、基波有功电能、基波电压、基波电流有效值等参数。关于AD采样：AD的参考电压为1.2V,最大输入信号为0.7V幅值，有效值为土0.5V（500mV）,可控增益放大器，放大倍数为1、2、4、8倍，当放大倍数为1时，最大输入有效值为500mV,若输入信号较小时，CPU可通过SPI接口修改放大倍数，以提高测量精度。每个A/D通道在一个周期内（20mS）采样64点，ATT7022芯片内用硬件和逻辑电路实现方均根真有效值运算和高通、低通滤波处理

13、后连续存放于1024个24位寄存器中，每个通道存放146个数据。以Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic、In次序存放，当数据存满时产生中断，CPU响应中断后通过SPI接口读取数据。ATT7022具有中断标志寄存器和各类状态寄存器，以指示各类数据是否可读或工作状态、故障状态。3.4 结束语ATT7022多功能计量专用芯片与16位低功耗CPU组合可实现带41次谐波分析的多功能、复费率、可通信联网的电能表，适合电网中谐波比较严重场合的正确计量与缴费，它可输出基波有功功率、基波电能、基波电压、基波电流有效值；CPU外扩RS-485串口隔离芯片ISO 3082（Tl公司产）用超五类屏蔽双绞线可连接主.从应

14、答的低速现场总线局域网，MODBUS-RTU通信协议，最高通信速率38.4Kbps.CPU外扩高速铁电存储器（EEPROM）和时钟芯片、键盘接口。可实现多功能、分时段收费的复费率电能表。带谐波分析的电能表也可以用高速数字信号处理芯片（DSP）来实现，但程序比较复杂,因一般DSP只有一个12位精度的逐位比较ADC,测量多个参数有时差，计算也比较复杂,测量精度没有前者高，价格反而比前者高，因而使用ATT7022和16位CPU组合成多功能复费率电能表是最好的选择，值得大力推广。参考文献:(1)(2)(3)(4)(5)(6)ATT7022MSP430F5310GB/TGB/TGB/TDL/T14549-9313978-199215283-1994614-1997用户手册（V1.9版）上海钳泉光电科技股份有限公司16位单片机用户手册电能质量公用电网谐波国家标准数字多用表通用技术条件0.5、1.0、2.0级交流有功电度表多功能电度表（电力部标准）作者简介: