ATT7022：高精度三相電能計(jì)量芯片的全方位解析

在電力計(jì)量領(lǐng)域，高精度的三相電能計(jì)量芯片至關(guān)重要。珠海炬力集成電路設(shè)計(jì)有限公司的ATT7022芯片，以其卓越的性能和豐富的功能，成為眾多工程師的首選。下面將從芯片介紹、系統(tǒng)功能、校表方法、應(yīng)用舉例以及電氣特性等方面，對(duì)ATT7022芯片進(jìn)行詳細(xì)剖析。

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芯片介紹

芯片特性

ATT7022芯片在電能測(cè)量方面表現(xiàn)出色。有功測(cè)量滿(mǎn)足0.5S/0.2S標(biāo)準(zhǔn)，支持IEC 687/1036、GB/T 17883 - 1999；無(wú)功測(cè)量滿(mǎn)足2級(jí)、3級(jí)，支持IEC 1268、GB/T 17882 - 1999。它適用于三相三線(xiàn)和三相四線(xiàn)系統(tǒng)，能測(cè)量瞬時(shí)有功、無(wú)功、視在功率，以及有功、無(wú)功能量，還可測(cè)量功率因數(shù)、相位、頻率、電壓和電流有效值等參數(shù)。同時(shí)，提供分相以及合相參數(shù)，具備相序以及斷相檢測(cè)功能，合相能量累加模式可選（代數(shù)加/絕對(duì)值相加），三相四線(xiàn)時(shí)提供三相電流向量和之有效值。此外，芯片直接提供有功、無(wú)功校表脈沖輸出，電表常數(shù)和起動(dòng)電流可調(diào)，支持正向和反向有功電能數(shù)據(jù)及反向有功指示功能，提供四象限無(wú)功參數(shù)，支持軟件調(diào)試電表，可測(cè)量到21次以上諧波的有功和無(wú)功功率，具有SPI接口，方便與外部MCU通訊，采用單 + 5V供電，采用QFP44封裝。

功能簡(jiǎn)介

ATT7022是高精度三相電能專(zhuān)用計(jì)量芯片，集成了六路二階sigma - delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測(cè)量的數(shù)字信號(hào)處理等電路。能測(cè)量各相以及合相的多種參數(shù)，充分滿(mǎn)足三相復(fù)費(fèi)率多功能電能表的需求。支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表，有功、無(wú)功電能脈沖輸出CF1、CF2可直接接到標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行誤差校正。提供SPI接口，方便與外部MCU傳遞計(jì)量參數(shù)以及校表參數(shù)，內(nèi)部的電壓監(jiān)測(cè)電路可保證加電和斷電時(shí)正常工作。

引腳定義

ATT7022芯片的引腳功能豐富。例如，RESET引腳為復(fù)位管腳，低電平有效；SIG引腳在上電復(fù)位或異常重啟時(shí)變?yōu)榈碗娖?，?xiě)入校表數(shù)據(jù)后變?yōu)楦唠娖?；V1P/V1N等為電流信道正、負(fù)模擬輸入引腳；REFCAP引腳可外接基準(zhǔn)2.4V；CF1、CF2分別為有功、無(wú)功電能脈沖輸出引腳；CS、SCLK、DIN、DOUT為SPI接口相關(guān)引腳等。不同引腳各司其職，共同保證芯片的正常運(yùn)行。

系統(tǒng)功能

電源監(jiān)控電路

芯片片內(nèi)包含電源監(jiān)控電路，連續(xù)對(duì)模擬電源進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)電源電壓低于4V ± 5%時(shí)，芯片將被復(fù)位，有利于上電和掉電時(shí)芯片的正確啟動(dòng)和正常工作。同時(shí)，電源監(jiān)控電路安排在延時(shí)和濾波環(huán)節(jié)中，可防止電源噪聲引發(fā)的錯(cuò)誤。為保證芯片正常工作，需對(duì)電源去耦，使電源波動(dòng)不超過(guò)5V ± 5%。

模數(shù)轉(zhuǎn)換

片內(nèi)集成了6路16位的ADC，采用雙端差分信號(hào)輸入，最大輸入電壓是1.5V，建議電壓通道Un對(duì)應(yīng)到ADC的輸入選在0.5V左右，電流通道Ib時(shí)的ADC輸入選在0.1V左右。

計(jì)量模塊

1. 數(shù)字信號(hào)處理框圖：通過(guò)一系列數(shù)字信號(hào)處理完成各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量。
2. 計(jì)量原理簡(jiǎn)介
   • 基本參數(shù)測(cè)量原理：包括電流有效值、功率因數(shù)、三相三線(xiàn)合相功率、三相四線(xiàn)合相功率、單相有功平均功率、單相無(wú)功平均功率、有功能量等的計(jì)算。
   • 信號(hào)處理模塊說(shuō)明：數(shù)字高通濾波器用于去除電流、電壓采樣數(shù)據(jù)中的直流分量；數(shù)字移相濾波器對(duì)電壓信號(hào)移相90度，無(wú)功計(jì)量帶寬限制在1500Hz以?xún)?nèi)；有功功率計(jì)量通過(guò)對(duì)去直流分量后的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行乘法、加法、數(shù)字濾波等處理得到；無(wú)功功率計(jì)量算法與有功類(lèi)似，只是電壓信號(hào)采用移相90度之后的；四象限功率測(cè)量可同時(shí)提供有功、無(wú)功參數(shù)；視在功率、功率因數(shù)、相角測(cè)量基于有功功率和無(wú)功功率運(yùn)算得到；有效值測(cè)量通過(guò)對(duì)電流、電壓采樣值進(jìn)行平方、開(kāi)方以及數(shù)字濾波等運(yùn)算得到；能量計(jì)算通過(guò)將功率信號(hào)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分得到。
3. 脈沖輸出：通過(guò)高頻脈沖輸出寄存器可設(shè)定脈沖輸出頻率，用于儀表的校驗(yàn)。

參數(shù)輸出

1. 計(jì)量參數(shù)寄存器定義：包含眾多寄存器，如各相有功功率、無(wú)功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、相角、頻率、電能等寄存器，每個(gè)寄存器都有特定的地址和功能。
2. 計(jì)量參數(shù)寄存器說(shuō)明：三相電流之和均方根可檢測(cè)三相平衡負(fù)載狀態(tài)；工作狀態(tài)寄存器記錄各相電能溢出情況及校表數(shù)據(jù)請(qǐng)求；相序、斷相寄存器可指示相序和斷相情況；SPI校驗(yàn)寄存器用于SPI寫(xiě)入數(shù)據(jù)的校驗(yàn)；有功電能以及無(wú)功電能寄存器在不考慮正負(fù)性時(shí)進(jìn)行累計(jì)；特殊電能寄存器可完成四象限無(wú)功測(cè)量及分別測(cè)量輸入、輸出有功能量；部分寄存器讀取后會(huì)清零，部分則不會(huì)。
3. 寄存器參數(shù)格式化：介紹了有效值、功率、功率因數(shù)、相角、線(xiàn)電壓頻率、能量等參數(shù)的計(jì)算方法和單位。

通信接口

計(jì)量參數(shù)通過(guò)SPI提供給外部MCU。SPI接口有特定的信號(hào)時(shí)序圖和命令格式，工作過(guò)程為先寫(xiě)入8 Bits的命令字，可能需要等待時(shí)間，然后讀取24 Bits的數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)MSB在前，LSB在后，CK為高時(shí)更新DI或DO上的數(shù)據(jù)，每個(gè)寄存器的讀或?qū)懶璨僮饕淮蜟S。

校表方法

校表模式介紹

ATT7022支持全數(shù)字校表，即軟件校表。功率校正主要對(duì)比差以及角差進(jìn)行修正，比差校正可對(duì)互感器比差進(jìn)行分段補(bǔ)償，角差修正最多可提供五個(gè)補(bǔ)償區(qū)域，建議先完成比差修正，再進(jìn)行角差修正。此外，還可通過(guò)寄存器對(duì)電流、電壓有效值進(jìn)行修正，脈沖輸出頻率可通過(guò)HFConst寄存器設(shè)定，啟動(dòng)電流通過(guò)Istartup寄存器設(shè)置。

校表寄存器定義

眾多校表寄存器各有其功能，如Iregion1 - 4用于相位補(bǔ)償區(qū)域設(shè)置，PgainA0/1等用于功率增益校正，PhsregA0 - 4等用于相位校正，UgainA - C用于電壓增益校正，IgainA - C用于電流增益校正等。

校表步驟及參數(shù)計(jì)算

1. 校表步驟：有特定的校表流程圖。
2. 參數(shù)計(jì)算：包括高頻輸出參數(shù)HFConst、比差分段補(bǔ)償區(qū)域設(shè)置Iregchg、相位補(bǔ)償區(qū)域設(shè)置Iregion1 - 4、功率增益校正PgainA0/1等、相位校正PhsregA0 - 4等、啟動(dòng)電流Istartup、電壓增益校正UgainA - C、電流增益校正IgainA - C、斷相閾值電壓設(shè)置FailVoltage、合相能量累加模式EnergyAddMode等的計(jì)算方法。

通信接口

校表數(shù)據(jù)通過(guò)SPI寫(xiě)入ATT7022。SPI接口有特定的命令格式和工作過(guò)程，特殊命令包括0x80（校表起始命令字）、0xC3（清校表數(shù)據(jù)命令）、0xD3（軟件復(fù)位命令）。

應(yīng)用舉例

系統(tǒng)概述

采用ATT7022設(shè)計(jì)的三相電能表具有低成本、高精度、多功能、復(fù)費(fèi)率等特點(diǎn)，適用于三相四線(xiàn)制系統(tǒng)，有功功率精度滿(mǎn)足0.5S，無(wú)功功率精度滿(mǎn)足2級(jí)，通過(guò)改變?cè)O(shè)置可適應(yīng)三相三線(xiàn)制系統(tǒng)，還可擴(kuò)展外圍電路實(shí)現(xiàn)更多功能。ATT7022內(nèi)部包含六路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源、串行通信接口和數(shù)字信號(hào)處理器，可直接輸出有功、無(wú)功電能脈沖，外加MCU主要完成通訊、顯示、復(fù)費(fèi)率管理以及提供校表參數(shù)等功能。

設(shè)計(jì)規(guī)格

依據(jù)0.2S級(jí)和0.5S級(jí)靜止式交流有功電度表國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17883 - 1999設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足三相四線(xiàn)制系統(tǒng)應(yīng)用，采用互感式接入?；炯夹g(shù)指標(biāo)包括精度、儀表常數(shù)、額定電壓、額定電流、最大電流、啟動(dòng)電流等，功能要求包括液晶顯示、串口通訊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、復(fù)費(fèi)率實(shí)現(xiàn)、校表參數(shù)傳送等，校表儀器有河南思達(dá)JCD3060三相精密測(cè)試電源和深圳科陸CL311E三相標(biāo)準(zhǔn)電能表（0.05級(jí)）。

硬件設(shè)計(jì)

1. 互感器選擇：為滿(mǎn)足精度要求，選擇合適規(guī)格的電流互感器和電壓互感器，使額定電流、額定電壓輸入時(shí)，電流、電壓差動(dòng)輸入電壓有效值分別在0.1V和0.5V左右。
2. 抗混疊濾波器：采用簡(jiǎn)單的RC低通濾波器作為抗混疊濾波器，防止采樣失真，但元件容差可能導(dǎo)致相位失配，可與互感器角差一起校正。
3. MCU模塊：選用ATMEL的AT89C52單片機(jī)，內(nèi)含8K Flash程序空間以及256 Bytes的RAM，晶體選用3.58M，采用MAX232作為RS232電平轉(zhuǎn)換，LCD顯示驅(qū)動(dòng)芯片選用HOLTEK的HT1621。
4. 三相電能表工作原理圖：展示了整個(gè)系統(tǒng)的工作原理。

軟件設(shè)計(jì)

包括單片機(jī)軟件和上位機(jī)（PC）軟件兩部分。單片機(jī)軟件包括復(fù)費(fèi)率管理程序、LCD顯示程序、通訊程序以及異常處理程序等；上位機(jī)軟件包括集中抄表部分和校表軟件，校表軟件根據(jù)手冊(cè)提供的校表參數(shù)計(jì)算公式計(jì)算校表系數(shù)，并通過(guò)通訊接口發(fā)送給單片機(jī)，再由單片機(jī)將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入EEPROM中保存。

校驗(yàn)電表

根據(jù)基本設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)置高頻輸出參數(shù)HFConst、比差分段補(bǔ)償區(qū)域Iregchg、相位補(bǔ)償區(qū)域、功率增益校正、相位校正、啟動(dòng)電流、電壓校正、電流校正等參數(shù)。

測(cè)試結(jié)果

有功誤差和無(wú)功誤差在不同負(fù)載情況下的測(cè)試結(jié)果表明，ATT7022芯片在各種負(fù)載條件下都能保持較高的測(cè)量精度，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

電氣特性

電氣參數(shù)

包括電源電壓VCC、VDD，基準(zhǔn)電源，輸入電壓范圍，輸出電壓VOH、VOL，邏輯輸入輸出電壓，參考電壓輸出阻抗，電源電流，ADC位數(shù)、采樣速率、動(dòng)態(tài)范圍、總諧波失真、通道干擾，晶體頻率，溫度范圍等參數(shù)，為芯片的使用提供了詳細(xì)的電氣性能參考。

芯片封裝

采用44Pin QFP（Quad Flat Package 10X10）封裝，文檔還給出了封裝的具體尺寸和相關(guān)參數(shù)。

ATT7022芯片憑借其豐富的功能、高精度的測(cè)量能力和靈活的校表方式，在三相電能計(jì)量領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計(jì)相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，可充分利用其特性，開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的電能表等設(shè)備。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似芯片的使用問(wèn)題呢？歡迎交流分享。