ATT7022E/26E/28E 多功能高精度三相電能專用計量芯片詳解

在電力計量領(lǐng)域，一款性能卓越的計量芯片對于準(zhǔn)確測量電能參數(shù)至關(guān)重要。ATT7022E/26E/28E 系列多功能高精度三相電能專用計量芯片就是這樣一款備受關(guān)注的產(chǎn)品。下面，我們將深入探討這款芯片的各個方面。

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芯片概況

芯片簡介

ATT7022E/26E/28E 適用于三相三線和三相四線應(yīng)用，集成了多路二階 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)及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路。它能測量各相以及合相的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量及無功能量，還能測量各相電流、電壓有效值、功率因數(shù)、相角、頻率等參數(shù)，滿足三相復(fù)費率多功能電能表的需求。該芯片支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表，且提供多種脈沖輸出用于誤差校正。

芯片特性

• 高精度測量：在輸入動態(tài)工作范圍（5000:1）內(nèi)，非線性測量誤差小于 0.1%。有功測量滿足 0.2S、0.5S 標(biāo)準(zhǔn)，支持 IEC62053 - 22:2003、GB/T17215.322 - 2008；無功測量滿足 1 級、2 級，支持 IEC62053 - 23:2003、GB/T17215.323 - 2008。
• 豐富的計量功能：提供基波有功功率/電能/電壓/電流有效值以及 CF 脈沖輸出；提供 RMS、PQS 兩種視在功率、能量計量方式；提供有功、無功、視在功率/電能及 CF 脈沖輸出；提供功率因數(shù)、相位角、線頻率、電壓夾角參數(shù)；提供電壓有效值、電流有效值，在 500:1 動態(tài)范圍，有效值精度優(yōu)于 0.1%；提供三相電壓矢量和、電流矢量和的有效值輸出。
• 其他特性：提供斷相指示、電壓/電流相序檢測功能；支持多種中斷，如過零中斷、采樣中斷、電能脈沖中斷、校表中斷；提供有功、無功反向指示功能；合相能量絕對值相加與代數(shù)相加可選；電表常數(shù)可調(diào)；起動電流可調(diào)；可準(zhǔn)確測量到含 41 次諧波的有功、無功和視在功率、電能；支持增益及相位補償，小電流非線性補償；具有 SPI 通信接口，速率可達 10Mbps；內(nèi)置溫度測量傳感器；適用三相三線和三相四線模式；片內(nèi)參考電壓，也可以外接參考電壓。

芯片比較列表

從表格中可以清晰看出，第 7 通道、電能質(zhì)量檢測 SAG 功能、基波諧波功能及數(shù)據(jù)緩存功能為 ATT7022E 專有。

引腳定義

ATT7022E/26E/28E 系列采用 LQFP44 封裝形式，其引腳功能豐富多樣。例如，Reset 引腳用于外接復(fù)位，低電平有效；IRQ 引腳用于輸出中斷信號；V1P/V1N 等引腳為模擬輸入引腳，不同通道對應(yīng)不同的功能。每個引腳都有其特定的作用，在設(shè)計電路時需要根據(jù)實際需求合理使用。

功能描述

電源管理

芯片片內(nèi)包含一套電源監(jiān)控電路，連續(xù)對模擬電源（AVCC）進行監(jiān)控。當(dāng)電源電壓低于 2.5V±5% 時，芯片將被復(fù)位，有利于電路上電和掉電時芯片的正確啟動和正常工作。同時，為保證芯片正常工作，應(yīng)對電源去耦，使 AVCC 的波動不超過 3.3V±5%。

SLEEP 模式

將 Sleep 引腳（pin 32）拉高，芯片進入 sleep 模式，在該模式下，校表參數(shù) 0x01~0x1F 保存。當(dāng) Sleep 拉低后，芯片重新進入正常工作。

復(fù)位系統(tǒng)

芯片提供硬件復(fù)位和軟件復(fù)位兩種方式。硬件復(fù)位通過外部引腳 RESET 完成，當(dāng) RESET 出現(xiàn)大于 20us 的低電平時，芯片進入復(fù)位狀態(tài)，當(dāng) RESET 變?yōu)楦唠娖綍r，芯片從復(fù)位狀態(tài)進入正常工作狀態(tài)。軟件復(fù)位通過 SPI 接口完成，當(dāng)往 SPI 口寫入 0xD3 命令后，系統(tǒng)進行一次復(fù)位。

A/D 轉(zhuǎn)換

芯片片內(nèi)集成了多路 19 位的 ADC，采用雙端差分信號輸入，輸入最大正弦信號（滿量程）有效值是 0.5V。建議將電壓通道 Un 對應(yīng)到 ADC 的輸入選在有效值 0.22V 左右，而電流通道 Ib 時的 ADC 輸入選在有效值 0.05V 左右，參考電壓 Refcap 典型值是 1.2V。

電能質(zhì)量測量

• SAG 功能：以半周波為單位，找到 ADC 采樣值絕對值的最大值。某相電壓暫降判據(jù)為該相電壓波形采樣值絕對值的峰值的高 16 位小于 SAG 閾值設(shè)置寄存器 SAGLVL 的設(shè)置值，且持續(xù)時間為 SAG 長度設(shè)置寄存器 Cyclength 設(shè)定的半周波數(shù)。
• 過流檢測功能：某相電流過流判據(jù)為該相電流波形采樣值絕對值的峰值的高 16 位大于電流閾值設(shè)置寄存器 OILVL 的設(shè)定值，檢測時間為 Cyclength 設(shè)定的半周期數(shù)。
• 閃變功能實現(xiàn)方案：通過設(shè)置 Cyclength = 1，每 10mS 讀取一次 Peak 值，可得到所有半波有效值用于閃變電壓計算。
• 電壓相序檢測：三相四線模式下按 A/B/C 三相電壓的過零點順序判斷，三相三線模式下按 A 相電壓與 C 相電壓的夾角判斷。
• 電流相序檢測：三相四線模式下按 A/B/C 三相電流的過零點順序判斷，三相三線模式下按 A 相電流與 C 相電流的夾角判斷。
• 電壓夾角測量：測量精度為 0.1 度，提供三個寄存器分別表示 AB/AC/BC 電壓的夾角，范圍為 0~360 度，數(shù)據(jù)更新時間為 3Hz。
• 電壓電流相角的測量：提供相角 φ 的檢測功能，φ 表示為±180°。
• 功率因數(shù)測量：計算公式為 (Pf=frac{abs(P)}{abs(S)})。
• 電壓頻率測量：可自動選擇 A/B/C 三相中的任意一相電壓為電壓頻率測量的基準(zhǔn)，增加了穩(wěn)定過零點的低通濾波，可有效減小噪聲和諧波的干擾影響，精度達 0.01Hz。
• 失壓檢測：可根據(jù)設(shè)定的閾值電壓對 A/B/C 三相電壓是否失壓進行判斷，閾值電壓可通過失壓閾值設(shè)置寄存器 FailVoltage 進行設(shè)定。

有效值測量

通過對電流和電壓采樣值進行平方、開方以及數(shù)字濾波等一系列運算得到電流和電壓有效值。電流通道輸入有效值 500mV 到 1mV 的信號時電流有效值的誤差小于 0.2%，電壓通道同理。

有功計量

• 有功功率計算：各相的有功功率是通過對去直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理后得到的，依據(jù)公式 (P=frac{1}{N} sum_{n=0}^{N}(U(n) ×I(n))) 計算，合相有功功率 (Pt = Pa + Pb + Pc)。
• 有功能量計算：有功能量通過瞬時有功功率對時間的積分得到，合相有功能量可以根據(jù)設(shè)置按照代數(shù)或者絕對值的模式進行累加。

無功計量

• 無功功率計算：根據(jù)真無功功率定義公式 (Q=sum_{k=1}^{infty}(Un ×In ×sin (varphi))) 計算，電壓信號采用移相 90 度之后的，移相方式采用 Hilbert 濾波器，測量帶寬可高達 41 次諧波。
• 無功能量計算：無功能量通過瞬時無功功率對時間的積分得到，合相無功能量可以根據(jù)設(shè)置按照代數(shù)或者絕對值的模式進行累加。

視在計算

• 視在功率計算：視在功率有 PQS 視在功率（(S=sqrt{P^{2}+Q^{2}})）和 RMS 視在功率（(S = Urms × Irms)）兩類計算公式，用戶可通過寄存器配置選擇使用。
• 視在能量計算：視在能量定義為視在功率對時間的積分，芯片提供這兩類的視在能量，通過寄存器控制位選擇。

基波諧波功能

新版 ATT7022E 需要提供基波/諧波有效值、基波/諧波有功功率、有功電能。基波/諧波使能控制通過寄存器位 HAREn 使能，并通過寄存器 EnHarmonic 進行基波測量和諧波測量的切換。

功率方向判斷

芯片提供實時功率方向指示，方便實現(xiàn)四象限功率計量。負(fù)功率指示 REVP 當(dāng)檢測到三相中任意一相的有功功率為負(fù)，則 REVP 輸出高電平，直到下次檢測到所有的有功功率都為正時，REVP 才恢復(fù)為低電平。

起動/潛動

芯片提供電流閾值判斷和功率閾值判斷兩種方式實現(xiàn)能量計量的起動和潛動，推薦使用功率閾值判斷方式，設(shè)置值更準(zhǔn)確。

硬件端口檢測

芯片可以自動檢測硬件端口，當(dāng)硬件端口改變時，系統(tǒng)將自動復(fù)位重新起動，外部端口輸入主要有 SEL，用于選擇芯片工作在三相三線還是三相四線模式。

片上溫度檢測

芯片內(nèi)建溫度傳感器，并提供一個 8 位的 ADC 對環(huán)境溫度進行采樣輸出，分辨率為 0.726℃ /LSB。

基波測量功能

芯片專門提供基波有功電能測量功能，將電壓和電流信號中的基波成分分離出來，直接提供精確的基波有功功率以及基波有功電能的計量?；ǔ槿V波器用于完成基波測量功能，對高于 3 次（150Hz）以上的諧波信號進行衰減，僅保留基波成分，諧波衰減率在 - 30dB 以上。

三相三線/四線應(yīng)用

三相四線模式采用三元件測量方法，合相功率計算公式為 (P{4}=U{A} I{A}+U{B} I{B}+U{C} I{C}) 、(Q{4}=dot{U}{A} dot{I}{A} angle 90^{circ}+dot{U}{B} dot{I}{B} angle 90^{circ}+dot{U}{C} dot{I}{C} angle 90^{circ}) 、(S{4}=sqrt{P{4}^{2}+Q{4}^{2}}) ；三相三線模式采用兩元件測量方法，合相功率計算公式為 (P{S}=dot{U}{A B} I{A}+dot{U}{C B} I{C}) 、(Q{s}=dot{U}{A B} dot{I}{A} angle 90^{circ}+dot{U}{C B} I{C} angle 90^{circ}) 、(S{3}=sqrt{P{3}^{2}+Q{3}^{2}}) 。

能量脈沖輸出

芯片有 4 個高頻脈沖輸出 CF1/CF2/CF3/CF4，分別對應(yīng)全波有功電能、全波無功電能、全波視在電能、基波有功電能。電壓、電流信號經(jīng)過變換后在功率測量信號處理電路中相乘得到瞬時功率，對時間積分后成為電能信號，根據(jù)設(shè)置將 A/B/C 三相電能做絕對值相加或代數(shù)值相加運算，并將結(jié)果變換成頻率信號，然后按照用戶設(shè)定的分頻系數(shù)進行分頻，得到可用于校表的電能脈沖輸出信號。

ADC 采樣數(shù)據(jù)緩沖功能

ATT7022E 內(nèi)建一個長度為 1024*16bit 的緩存存儲區(qū)，用以實時保存 ADC 原始采樣數(shù)據(jù)。用戶發(fā)送命令后，芯片在每個采樣周期將相應(yīng)的 ADC 數(shù)據(jù)保存到緩存中，直到緩存滿為止。用戶可以隨時讀取緩存的內(nèi)容。

同步采樣數(shù)據(jù)緩沖功能

為便于用戶實現(xiàn)分次諧波功能，ATT7022E 額外提供同步采樣數(shù)據(jù)緩沖功能，同時將 7 路 ADC 的同步采樣存儲在 1024*16bit 的緩沖存儲器中。用戶可以通過命令啟動自動同步采樣功能，芯片根據(jù)內(nèi)部計量的頻率信息自動調(diào)整采樣率后開始將同步采樣數(shù)據(jù)保存到緩存中。

Vref 數(shù)字自動補償功能

新版 ATT7022E/26E 增加溫度自動補償功能，當(dāng) VrefAotu_en = 1（校表參數(shù) 0x70 bit1）且 TPS_En = 1（校表參數(shù) 0x31 bit4）時有效。工作機制包括 TPS 初始偏置校正、Tgain 校正寄存器以及新增 Vrefgain 的補償曲線系數(shù)。

通信接口

SPI 通訊接口介紹

芯片內(nèi)部集成一個 SPI 串行通訊接口，采用從屬方式工作，使用 2 條控制線和兩條數(shù)據(jù)線：CS/SCLK/DIN/DOUT。CS 為片選信號，DIN 為串行數(shù)據(jù)輸入，DOUT 為串行數(shù)據(jù)輸出，SCLK 為串行時鐘。通訊采用固定長度的數(shù)據(jù)傳輸，每次數(shù)據(jù)通訊都是 1 個字節(jié)命令和 3 個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

SPI 讀操作

ATT7022E/26E/28E 的計量參數(shù)及校表參數(shù)寄存器通過 SPI 提供給外部 MCU。當(dāng) SCLK 頻率低于 500kHz 時，不需要等待時間；當(dāng) SCLK 頻率高于 500kHz 時，需要等待 2uS。

SPI 寫操作

SPI 寫操作是發(fā)送 8 位命令后，緊接著寫入 24 位數(shù)據(jù)。

SPI 寫特殊命令字操作

芯片提供一些特殊的命令字以配合軟件校表之用，操作過程與 SPI 寫操作時序一致。特殊命令包括采樣數(shù)據(jù)緩沖啟動命令、緩沖數(shù)據(jù)讀指針設(shè)置、清校表數(shù)據(jù)等。

寄存器

計量參數(shù)寄存器

計量參數(shù)寄存器包括功率寄存器、有效值寄存器、功率因數(shù)寄存器等多種類型，用于存儲各種計量參數(shù)。例如，功率寄存器采用補碼形式給出，最高位是符號位，可根據(jù)其值直接得到當(dāng)前所處的象限。

校表參數(shù)寄存器

校表參數(shù)寄存器用于配置芯片的各種參數(shù)，如模式配置、ADC 增益配置、功率增益補償?shù)取２煌募拇嫫饔胁煌墓δ芎驮O(shè)置方法，在進行校表時需要根據(jù)實際情況進行合理設(shè)置。

電氣規(guī)格

芯片的電氣參數(shù)在一定的測試條件下有明確的規(guī)定，如電能計量參數(shù)、ADC 參數(shù)、功耗、直流參數(shù)等。例如，有功電能測量誤差在 5000:1 的動態(tài)范圍內(nèi)典型值為 0.1%，ADC 采樣速率在 EMU 時鐘 921.6kHz 時為 14.4kHz 等。

校表過程

在對 ATT7022E/26E/28E 設(shè)計的電表進行校正時，必須提供標(biāo)準(zhǔn)電能表。校表流程包括參數(shù)設(shè)置、分相校正等步驟。參數(shù)設(shè)置涉及模式配置寄存器、EMU 單元配置寄存器、模擬模塊使能寄存器等的寫入，以及 HFconst 參數(shù)的設(shè)置。功率增益校正、相位校正、電壓和電流有效值校正等都需要根據(jù)相應(yīng)的公式進行計算和設(shè)置。

典型應(yīng)用

從采樣數(shù)據(jù)得到 FFT 的推薦流程

開啟采樣功能，等待采樣數(shù)據(jù)完成，設(shè)置用戶讀指針的起始地址，讀取采樣數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，進行 FFT 變換，如需下一次操作則重復(fù)上述步驟。

同步緩沖數(shù)據(jù)分次諧波分析推薦流程

開啟同步采樣功能，等待采樣數(shù)據(jù)完成，讀取采樣數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行抽取，進行 FFT 變換，對數(shù)據(jù)進行增益系數(shù)調(diào)整，如需下一次操作，先關(guān)閉同步采樣功能，再重復(fù)上述步驟。

典型運用電路原理圖

芯片的典型運用電路原理圖為實際應(yīng)用提供了參考，在設(shè)計電路時需要根據(jù)原理圖合理布局和連接各個元件。

ATT7022E/26E/28E 芯片具有豐富的功能和良好的性能，在三相電能計量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計相關(guān)電路時，需要深入了解芯片的各個方面，根據(jù)實際需求合理使用芯片的功能，以實現(xiàn)準(zhǔn)確的電能計量。你在使用這款芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。