ANALOG DEVICES AN-950 Service Manual

AN-950

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应用笔记

校准基于ADE71xx/ADE75xx系列的单相电表

作者：Meghan Kaiserman、Aileen Ritchie和Dave Smith

简介

本应用笔记说明如何校准ADE71xx/ADE75xx。第一部分详

细描述了校准程序，包括如何计算每项常数的公式和示

例。本文的第二部分概述如何使用专为与

ADE71xx/ADE75xx 参考设计交互而设计的LabVIEW™校准

程序。

ADE71xx/ADE75xx系列电能计量IC在电能计量内核中集成

8052微控制器，提供一种完全集成的单相计量解决方案。

该系列器件是ADI公司的新一代SPI接口电能计量IC。作为

一种完善的计量解决方案，ADE 71xx/ADE75xx系列提供内

部LCD驱动器、电池切换功能、温度ADC、RTC和通信外

设。

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目录

简介...................................................................................................... 1

校准ADE71xx/ADE75xx .................................................................. 3

校准方法........................................................................................ 3

有功功率校准............................................................................... 3

电流和电压有效值 ...................................................................... 6

视在功率校准............................................................................... 7

无功功率校准............................................................................... 8

利用精确源来校准 ...................................................................... 8

实时时钟........................................................................................ 9

设计防窃电电表........................................................................... 9

ADE71xx/ADE75xx校准软件 ....................................................... 11

确定隔离COM端口 ................................................................... 11

下载ADE71xx/ADE75xx参考设计固件................................. 12

EEPROM中的ADE71xx/ADE75xx参考设计校准常数表.. 12

校准软件启动屏幕 ....................................................................12

功率校准...................................................................................... 13

有效值校准 ................................................................................. 15

VA R 校准 ...................................................................................... 16

RTC校准 ...................................................................................... 18

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校准ADE71xx/ADE75xx

为获得精确读数，去除外部元件或内部基准电压源的电表

间差异，ADE71xx/ADE75xx

需要校准。功率测量、电流

效值、电压有效值需要分别进行校准以获得精确读数。

如果使用低阻抗分流器，则需要进行功率增益校准。如果

使用电流互感器，则还需要进行相位校准，以补偿外部传

感器带来的相移。

校准方法

有两种不同方法可以成功校准ADE71xx/ADE75xx。

基准电表

最常用的校准方法使用脉冲输出和外部基准电表来确定所

需的补偿。脉冲输出方法更为常用，因为这种方法可以通

过工具利用校准脉冲输出(CF)来验证电表校准。CF输出频

率可以配置为与有功功率、无功功率或视在功率成比例，

或者与电流有效值成比例。校准是利用基准电表取得输出

有

CF脉冲中的百分比误差来实现的。利用百分比误差，可以

确定相应补偿并将其施加于内部寄存器。

精确源

第二种方法是使用内部电能寄存器来累计特定期限内的电

能。线路周期累计模式用于累计一定数量的线路周期内的

电能。接着，将获得的电能与预期值比较，并将相应补偿

施加于内部校准寄存器。使用这种方法时要求具有精确源

由于这种方法并不使用脉冲输出，因此必须通过内部寄存

器执行校准验证。有关这种校准方法的详细信息，请参见

“利用精确源来校准”部分。

有功功率校准

配置ADE71xx/ADE75xx电表

执行功率校准时，应将CF脉冲输出配置为输出有功功率。

这 可 通过设置寄 存 器 MODE 2 的 位 4 至 位 7来 实 现 。

ADE71xx/ADE75xx功率测量的信号链如图1所示。

校准ADE71xx/ADE75xx上的功率测量需要两个步骤，而要

进行高级校准，则还需要两个额外步骤：

•

设置CF输出频率

• 校准功率增益

• 校准功率相位(如有需要)

• 校准功率失调(如有需要)

WATTHR[23:0]

23 0

CURRENT
CHANNEL

VOLTAGE
CHANNEL

OUTPUT LPF2

t

WATTOS[15:0]

LPF2

ACTIVE POWER

CLKIN

+

SIGNAL

5

TIME (nT)

+

WGAIN[11:0]

WAVEFORM

REGISTER

VALUES

WDIV[7:0]

%

48 0

+

+

OUTPUTS FROM THE LPF2 ARE
ACCUMULATED (INTEGRATED) IN
THE INTERNAL ACTIVE ENERGY REGISTER

CFNUM[15:0]

15 0

DCF

15 0

%

CFDEN[15:0]

UPPER 24 BITS ARE
ACCESSIBLE THROUGH
WATTHR[23:0] REGISTER

CF

07161-001

图1. ADE71xx/ADE75xx功率信号链

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CF输出频率

利用ADE71xx/ADE75xx的内部寄存器，可以将CF脉冲输出

配置为每个CF脉冲代表千瓦时的一部分。这是通过CF除

法器(由CFNUM和CFDEN组成)来执行的。该除法器根据

电表常数以及电流和电压通道上的标称比例进行计算。

假定需要3200 imp/kWh的电表常数，可在给定负载下确定

预期CF。

在220 V和10 A负载且功率因数为1的条件下，计算的预期

CF输出频率为1.95556 Hz，如下式所示：

图3. 电流通道输入

根据ADE71xx/ADE75xx数据手册，采用满量程交流输入

时，最大CF输出为21.1 kHz。要用给定的220 V、10 A输入

获得1.9556 Hz，CF分母应设置为0x429，如下式所示：

应选择CFNUM和CFDEN比率，在给定负载条件下获得

1.95556 Hz的频率。

图2所示为ADE71xx/ADE75xx参考设计上的电压通道输入。

图2. 电压通道输入

在220 V rms的电压通道幅度下，输入以满量程的62.29%

工作。

图3所示为ADE71xx/ADE75xx默认电流通道配置。电流通

道幅度为10 A rms，内部增益为16时，输入以满量程的

15.84%工作。

注意，CFNUM固定为1。

由于ADE71xx/ADE75xx参考设计采用350 μΩ分流电阻，因

此在电流通道上选择的增益为16。要设置此增益，应向

GAIN增益中写入0x04。

功率增益

功率增益校准的目的是补偿因设计中器件间差异(外部元件

差异)而引起的小增益误差。每个电表都需要增益校准，并

以功率因数1来执行。要确定所需的补偿幅度，应利用下

式确定累计中的百分比误差：

正如前面的计算，在220 V和10 A下，预期CF为1.9556 Hz。

假设实际测得的CF为2.2238 Hz，则测量百分比误差为13.71%。

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要获得补偿该差异所需的WGAIN值，应将百分比误差代

入下面的WGAIN公式：

注意，正如上文所述，如果利用基准电表来执行校准，则

可以直接从基准电表读取百分比误差，而不必进行计算。

高级功率校准

功率相位(可选)

使用电流变压器时需要相位校准，以消除传感器引起的任

何相移。CT可增加显著相移，在低功率因数下引起较大误

差。如果使用不同类型的传感器，例如低电阻分流，就不

一定需要相位校准。

相位校准使用感性负载，以0.5的功率因数来执行。以下公

式概述了确定相位补偿的方式：

其中，f

注意，上述计算单位为弧度。

为线路频率。

l

对于ADE71xx相位补偿，请参见“防窃电相位校准”部分来

了解设计防窃电电表时需要考虑的一些特殊因素详情。

功率失调(可选)

功率失调校准仅适用于低负载下的精度超出失调校准前所

需规格的情况。

为了校正任何在低电流水平下可能降低测量精度的电压/电

流通道串扰，应执行功率失调校准。必须施加小电流信

号，以便测量并消除失调幅度。

此示例中，施加100 mA的输入电流以执行失调校准。当电

压通道输入为220 V、功率因数为1时，预期CF输出频率如

前所述确定：

022 V 0.1 /A 0001imp/kWh3200

CF

EXPECTED

0. 6555910 zH

=

=

0063 h/ces

× ×

(soc 0)

×

如果100 mA和220 V负载下的实际CF频率为0.020 Hz，失调

引起的误差百分比由下式确定：

% =

0. 00020 0. 6555910

=Error

0. 6555910

−

2. 372 %

功率测量中的失调依据以下公式校正：

在220 V、10 A负载下，功率因数为0.5，预期CF正好是先

前计算值的一半：

022 V 01 /A 0001imp/kWh3200

CF

EXPECTED

0. 8779 zH

=

=

0063 h/ces

× ×

(soc 06 )

×

假设测得的CF为0.98 Hz，则百分比误差可以通过下式计算：

% =

=Error

0. 8779

−

0. 3722 %

0. 89 0. 8779

注意，如果使用基准电表，则可以直接从此器件获得百分

比误差。

最后，在线路频率为50 Hz时，可以通过下式确定PHCAL

补偿：

在软件中累计瓦时

ADE71xx/ADE75xx在输出CF脉冲时提供中断，因此固件可

以与CF输出同步更新电能显示。

校准功率测量后，CF输出精确对应于电表常数，即

3200 imp/kWh。ADE71xx/ADE75xx固件中的电能累计可以

基于CF中断，因此一旦计数到3200个中断，即会向总工作

电能中增加一个千瓦时。类似地，对于每32个CF脉冲，会

增加10个瓦时。

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电流和电压有效值

校准电压和电流有效值仅适用于需要瞬时有效值读数的情

况。有效值校准不影响有功功率的性能。

有效值校准应利用瞬时有效值寄存器读数来执行。相关读

数可以从电能计量SFR 0xD1至0xD6获取。本校准不使用CF

脉冲输出。ADE71xx/ADE75xx上的电流和电压有效值读数

可以内部同步至零交越，从而减少有效值测量结果中的纹

波。此功能是在之前ADE器件上的一项改进，在之前器件

中同步必须在软件中执行。该功能通过设置ADE MODE2

寄存器中的ZXRMS位来使能。为了提高精度，应在整个校

准流程中使能零交越同步，并且必要时可以采用多个读数

的平均值。

电流和电压有效值读数需要增益校准，以补偿任何器件间

差异。每个电表也需要失调校准，以消除在低信号输入下

会降低读数精度的串扰。对于有效值读数无内部增益校准

寄存器，因此增益调节是在固件内执行的，如图4所示。

有效值增益

电流和电压有效值增益常数均在固件内计算和实施。在补

偿器件间差异时，有效值增益常数将有效值读数(单位为

LSB)转换为安培或伏特值。电压和电流有效值常数在固定

负载条件下，通过将有效值寄存器内的LSB数除以输入幅

度来确定，如下式所示：

计算有效值以供显示

为在固件内发生转换时保持全分辨率，电压和电流有效值

常数可乘以常数k。

InputVoltage

[V]

InputCurrent

[LSBs]

[A]

k

k

V tnatsnoC ×=

I tnatsnoC ×=

[V/LSB]

[Amps/LSB]

VRMS

[LSBs]

IRMS

因为十六进制数使用定点乘法，所以使用乘法系数可使转

换和存储有效值读数时保持分辨率。执行十六至二进制编

码十进制转换以进行显示前，需要将读数转换为十六进制

格式。

下式提供了一个示例，说明如何将电压有效值寄存器读数

转换为伏特值，同时保持小数点后两位分辨率。此示例

中，施加220 V，产生VRMS寄存器读数1089790d。

16

将伏特/LSB常数乘以系数100 × 2

，以便在使用定点乘法时

保持精度。V常数为1323。

下式提供了另一示例，显示如何生成电流有效值增益常

数。此示例中，最终LCD显示器测量值精确至小数点后三

位数。施加10 A的电流输入，产生IRMS读数317460d。

V tnatsnoC =

I tnatsnoC =

[V/LSB]

[Amps/LSB]

VRMS

InputVoltage

[LSBs]

IRMS

LPF1

VOLTAGE CHANNEL

[V]

[A]

InputCurrent

[LSBs]

VOLTAGE SIGNAL (V(

0x28F5

0x0

0xD70B

将安培/LSB常数乘以系数1000 × 2

需精度。最终I常数为2064。

t

))

LPF3

图4. 电压有效值信号链

VRMOS[11:0]

16215282726

egn

2

V CONSTANT HEX2BCD

FIRMWARE

16

，以便在转换中保持所

VRMS[23:0]

0x28F5C2

+

+

0x00

V

07161-004

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