CS5463型电能测量电路的原理及应用.docx
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CS5463型电能测量电路的原理及应用
1引言
CS5463是带有串行接口和△-∑模/数转换器，能够进行高速功率（电能）计算的高度集成电路。
CS5463可以通过使用低成本的分压电阻器或电压互感器测量电压，使用分流器或电流互感器测量电流，从而计算出有功功率，因此该电路特别适用于开发单相2线、3线用电表。
与上代的CS5460相比，CS5463还能提供视在功率、无功功率等多种参数计算，可满足设计者的多方面需求。
此外，CS5463片内还带有温度传感器，有助于设计者调整温度漂移误差，提高测量精度。
2CS5463的主要特点
CS5463的特性如下：
（1）电能数据在1000：
l动态范围内的线性度为±0.1％；
（2）精确测量瞬时电压、电流、功率以及电压、电流有效值；
（3）计算视在、有功和无功功率，基波有功、谐波功率和功率因数；
（4）电能/脉冲转换功能；
（5）低功耗（小于12mW）；
（6）单电源地参考信号；
（7）内置电源监视器；
（8）从串行EEPROM“自引导”，可以不用微控制器；
（9）简单的3线数字串行接口；
（10）优化的分流电阻器的输入接口；
（11）带有温度传感器；
（12）具有机械计数器/步进电机的驱动器
3内部结构和引脚功能
3.1内部结构
CS5463的内部结构框图如图1所示，它由2个可编程增益放大器、2个△-∑调制器、配套的高速滤波器、功率计算引擎、偏置和增益校正、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。
2个可编程放大器采集电压和电流数据，△-∑调制器对模拟量采样处理，高速数字低通或可选的高通滤波器滤取可用电压电流数字信号，功率计算引擎计算各类型的功率，电压、电流，并将计算的功率值通过串行接口对外输出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。
该电路还有能量脉冲信号输出模块，可以直接外接计数器或步进电机，从而省去微控制器而直接外送用电量，降低电表类产品的成本。
3.2引脚功能
VA+/VA-：
正负模拟电源，+5V/0V或+2.5V/-2.5V供电；
VD+/DGND：
数字电源和数字地，+5V/0V供电；
PFMON：
掉电监视器，监视模拟电源状况。
VIN+/VIN-：
电压通道的差模模拟输入，范围是±250mV；
IIN+/IIN-：
电流通道的差模模拟输入，范围是±50mV（PGA设置为50×时）；
VREFIN/VREFOUT：
参考电压输入/输出，为片上调制器提供参考电压及其输出，通常为2.5V。
MODB模式选择，用于配置CS5463自引导模式；
RESET/INT：
复位及中断；
CS：
片选信号，为低电平时，端口可识别串行时钟等信号。
SCLK：
串行时钟输入，该时钟信号确定SDI、SDO的输入/输出速率，只在CS低电平时有效；
SDI/SDO：
串行数据输入/输出；
E1/E2/E3（EOUT）：
能量输出，输出低电平有效、频率和能量成比例关系的脉冲，3个引脚分别对应有功功率、视在功率和无功功率。
4CS5463的工作原理
4.1输入滤波
电压和电流通道的输入模拟信号送入可编程PGA进行增益放大，放大后由△-∑调制器以一定的采样速度采样，采样的结果再进行高速数字滤波，得到符合要求的数字信号。
电压输入通道采用二阶△-∑调制器，高速滤波器由一个固定的Sinc2滤波器实现；电流通道采用四阶△-∑调制器，并用一个Sinc4滤波器实现，与电压通道的范围相比，可以在输入跨度更大的情况下实现电流通道的精确测量。
2个通道的数据接着通过2个FIR补偿滤波器来补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗。
另外，2个通道都提供了一个可选的高通滤波器（HPF），它可以在有效值、电能计算之前除去电压和电流信号中的直流成分。
4.2增益及DC偏移量调整
滤波后的瞬态电压和电流的数字量将进行偏移量和增益调整，这是基于DC偏移量寄存器（加法运算）和增益寄存器（乘法运算）的调整。
调整后的24位瞬态数据采样值将存入瞬态电压和电流寄存器，用户可以通过串口从中读出采样数据。
4.3能量计算
以有功功率的计算为例，采样得到瞬态电压和电流的数字量，把每对瞬态电压和电流的数据相乘，得到瞬时有功功率的采样值。
每个A/D采样周期后，新的瞬态功率采样值就存入功率寄存器，N个瞬时功率采样值为一组，每组的值累加和用于计算以后放在能量寄存器中的数值，它与电路在N个A/D转换周期中的有功功率值成正比。
同样原理，电压和电流有效值也利用最近的N个瞬态电压、电流采样值计算，并可从RMS电压和电流寄存器中读出。
4.4串行接口
CS5463的串行接口使用了包括2条控制线CS、SCLK和2条数据线SDI、SDO的外接方式。
串行接口集成了带有发送、接收缓冲器的状态机，状态机在SCLK的上升沿解析8位命令字，根据对命令的解码执行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备，内部寄存器都是24位。
读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲区；写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。
所有的命令字长度均为1个字节。
写寄存器命令后必须紧跟1、2或3个字节的寄存器数据；读寄存器命令则发出3字节的寄存器数据。
图2和图3分别示出串口缓冲区的读、写时序。
数据的读和写通过向串口SDI引脚写入相应的8位命令字（高位在前）来启动。
当命令包含写操作时，串口将在下面24个SCLK周期记录SDI引脚的数据（从高位开始）。
寄存器写指令后必须跟24位的数据，一旦收到数据，状态机便将数据写入配置寄存器，然后等待下一个命令。
启动读命令后，串口将在下8个、16个或24个SCLK周期启动SDO引脚上的寄存器进行内容转移（从高位开始），寄存器读指令可以终止在8位的边界上。
读寄存器时，微控制器可以同时发送新指令，并立即执行新指令，同时终止读操作。
5CS5463的典型应用
图4所示是以CS5463为核心的住宅用220V单相电源（图中为2线式）系统的典型功率测量连接方式。
首先在线路上串、并联适当阻值的分压和分流电阻器，对从电阻器上采样的电压信号进行滤波，图中对称的阻容滤波器更有助于减小电磁干扰，最后得到符合要求的电压信号，送入电路进行实时计算。
CS5463提供了数字校准，用户通过设置校准命令字中的相应位来决定执行哪种校准。
对于电压和电流通道，都有AC校准和DC校准。
该电路中用于监测电流的分流电阻器串联在电源的火线端，因为在大多数住宅电能测量应用中，电度表分流器接在火线上有助于发现窃电行为。
从这种类型的分流电阻器得到的共模输入电压应以火线电压为参考．这意味着CS5463的输入共模电压相对于地电位会在很高的正电压和负电压之间振荡。
因此，在设计CS5463的数字输出接口与外部数字接口（如其他通信网络）时应谨慎。
CS5463的数字串行接口引脚必须与外部数字接口隔离，使测量端的参考地电位与外部接口地参考地电位不相互影响，另外，CS5463及其电路必须密封绝缘以防触电。
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1引言
CS5463是带有串行接口和△-∑模/数转换器，能够进行高速功率（电能）计算的高度集成电路。
CS5463可以通过使用低成本的分压电阻器或电压互感器测量电压，使用分流器或电流互感器测量电流，从而计算出有功功率，因此该电路特别适用于开发单相2线、3线用电表。
与上代的CS5460相比，CS5463还能提供视在功率、无功功率等多种参数计算，可满足设计者的多方面需求。
此外，CS5463片内还带有温度传感器，有助于设计者调整温度漂移误差，提高测量精度。
2CS5463的主要特点
CS5463的特性如下：
（1）电能数据在1000：
l动态范围内的线性度为±0.1%;
（2）精确测量瞬时电压、电流、功率以及电压、电流有效值;
（3）计算视在、有功和无功功率，基波有功、谐波功率和功率因数;
（4）电能/脉冲转换功能;
（5）低功耗（小于12mW）;
（6）单电源地参考信号;
（7）内置电源监视器;
（8）从串行EEPROM“自引导”，可以不用微控制器;
（9）简单的3线数字串行接口;
（10）优化的分流电
阻器的输入接口;
（11）带有温度传感器;
（12）具有机械计数器/步进电机的驱动器
3内部结构和引脚功能
3.1内部结构
CS5463的内部结构框图如图1所示，它由2个可编程增益高通滤波器滤取可用电压电流数字信号，功率计算引擎计算各类型的功率，电压、电流，并将计算的功率值通过串行接口对外输出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。
该电路还有能量脉冲信号输出模块，可以直接外接计数器或步进电机，从而省去微控制器而直接外送用电量，降低电表类产品的成本。
3.2引脚功能
VA+/VA-：
正负模拟电源，+5V/0V或+2.5V/-2.5V供电;
VD+/DGND：
数字电源和数字地，+5V/0V供电;
PFMON：
掉电监视器，监视模拟电源状况。
VIN+/VIN-：
电压通道的差模模拟输入，范围是±250mV;
IIN+/IIN-：
电流通道的差模模拟输入，范围是±50mV（PGA设置为50×时）;
VREFIN/VREFOUT：
参考电压输入/输出，为片上调制器提供参考电压及其输出，通常为2.5V。
MODB模式选择，用于配置CS5463自引导模式;
RESET/INT：
复位及中断;
CS：
片选信号，为低电平时，端口可识别串行时钟等信号。
SCLK：
串行时钟输入，该时钟信号确定SDI、SDO的输入/输出速率，只在CS低电平时有效;
SDI/SDO：
串行数据输入/输出;
E1/E2/E3（EOUT）：
能量输出，输出低电平有效、频率和能量成比例关系的脉冲，3个引脚分别对应有功功率、视在功率和无功功率。
4CS5463的工作原理
4.1输入滤波
电压和电流通道的输入模拟信号送入可编程PGA进行增益放大，放大后由△-∑调制器以一定的采样速度采样，采样的结果再进行高速数字滤波，得到符合要求的数字信号。
电压输入通道采用二阶△-∑调制器，高速滤波器由一个固定的Sinc2滤波器实现;电流通道采用四阶△-∑调制器，并用一个Sinc4滤波器实现，与电压通道的范围相比，可以在输入跨度更大的情况下实现电流通道的精确测量。
2个通道的数据接着通过2个FIR补偿滤波器来补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗。
另外，2个通道都提供了一个可选的高通滤波器（HPF），它可以在有效值、电能计算之前除去电压和电流信号中的直流成分。
4.2增益及DC偏移量调整
滤波后的瞬态电压和电流的数字量将进行偏移量和增益调整，这是基于DC偏移量寄存器（加法运算）和增益寄存器（乘法运算）的调整。
调整后的24位瞬态数据采样值将存入瞬态电压和电流寄存器，用户可以通过串口从中读出采样数据。
4.3能量计算
以有功功率的计算为例，采样得到瞬态电压和电流的数字量，把每对瞬态电压和电流的数据相乘，得到瞬时有功功率的采样值。
每个A/D采样周期后，新的瞬态功率采样值就存入功率寄存器，N个瞬时功率采样值为一组，每组的值累加和用于计算以后放在能量寄存器中的数值，它与电路在N个A/D转换周期中的有功功率值成正比。
同样原理，电压和电流有效值也利用最近的N个瞬态电压、电流采样值计算，并可从RMS电压和电流寄存器中读出。
4.4串行接口
CS5463的串行接口使用了包括2条控制线CS、SCLK和2条数据线SDI、SDO的外接方式。
串行接口集成了带有发送、接收缓冲器的状态机，状态机在SCLK的上升沿解析8位命令字，根据对命令的解码执行相应的操作，或者为被寻址的寄存器的数据传输做准备，内部寄存器都是24位。
读操作需将被寻址的内部寄存器的数据传送到发送缓冲区;写操作在数据传输前要等24个SCLK周期。
所有的命令字长度均为1个字节。
写寄存器命令后必须紧跟1、2或3个字节的寄存器数据;读寄存器命令则发出3字节的寄存器数据。
图2和图3分别示出串口缓冲区的读、写时序。
数据的读和写通过向串口SDI引脚写入相应的8位命令字（高位在前）来启动。
当命令包含写操作时，串口将在下面24个SCLK周期记录SDI引脚的数据（从高位开始）。
寄存器写指令后必须跟24位的数据，一旦收到数据，状态机便将数据写入配置寄存器，然后等待下一个命令。
启动读命令后，串口将在下8个、16个或24个SCLK周期启动SDO引脚上的寄存器进行内容转移（从高位开始），寄存器读指令可以终止在8位的边界上。
读寄存器时，微控制器可以同时发送新指令，并立即执行新指令，同时终止读操作。
5CS5463的典型应用
图4所示是以CS5463为核心的住宅用220V单相电源（图中为2线式）系统的典型功率测量连接方式。
首先在线路上串、并联适当阻值的分压和分流电阻器，对从电阻器上采样的电压信号进行滤波，图中对称的阻容滤波器更有助于减小电磁干扰，最后得到符合要求的电压信号，送入电路进行实时计算。
CS5463提供了数字校准，用户通过设置校准命令字中的相应位来决定执行哪种校准。
对于电压和电流通道，都有AC校准和DC校准。
该电路中用于监测电流的分流电阻器串联在电源的火线端，因为在大多数住宅电能测量应用中，电度表分流器接在火线上有助于发现窃电行为。
从这种类型的分流电阻器得到的共模输入电压应以火线电压为参考.这意味着CS5463的输入共模电压相对于地电位会在很高的正电压和负电压之间振荡。
因此，在设计CS5463的数字输出接口与外部数字接口（如其他通信网络）时应谨慎。
CS5463的数字串行接口引脚必须与外部数字接口隔离，使测量端的参考地电位与外部接口地参考地电位不相互影响，另外，CS5463及其电路必须密封绝缘以防触电。
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