物聯(lián)網(wǎng)（IoT）擁有高分辨率數(shù)據(jù)的前景，可以對(duì)其進(jìn)行能量監(jiān)測分析。在能源計(jì)量曾經(jīng)主要局限于電力公用事業(yè)和客戶設(shè)施之間的接口的地方，組織正在尋找來自單個(gè)機(jī)器和設(shè)備的更詳細(xì)信息。

設(shè)計(jì)精確的能量測量子系統(tǒng)可以是這是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈冃枰屑?xì)關(guān)注模擬信號(hào)鏈和復(fù)雜的計(jì)算能力。在三相計(jì)量應(yīng)用的情況下，ADI公司提供單芯片解決方案ADE9078 ，，大大簡化了電表和電力監(jiān)控應(yīng)用的實(shí)施解決方案。

文章將深入探討三相能量監(jiān)測信號(hào)鏈的核心要求，該鏈如何演變，然后介紹ADE9078以及如何實(shí)現(xiàn)它。

能量監(jiān)測信號(hào)鏈

工程師過去依靠分立器件和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來構(gòu)建電表。模擬前端（AFE）IC的出現(xiàn)使工程師能夠用一個(gè)將ADC，放大器和濾波器集成到一個(gè)優(yōu)化信號(hào)鏈中的器件取代復(fù)雜的信號(hào)采集電路。工程師可以依靠集成的AFE向MCU或DSP提供適當(dāng)調(diào)節(jié)的信號(hào)，以計(jì)算功率特性，而不是處理分立解決方案所需的器件匹配和電路調(diào)諧。

MCU的集成或者將DSP核心轉(zhuǎn)換為專門的計(jì)量AFE，為開發(fā)人員提供了更有效的解決方案。使用這些設(shè)備，工程師可以快速開發(fā)用于普通單相電力線的住宅電表。

對(duì)于更復(fù)雜的三相電能測量，開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)除了再次使用高電平建立自定義信號(hào)鏈之外，幾乎沒有其他有效選擇性能多通道ADC和放大器。然而，使用這種方法，開發(fā)人員不僅要應(yīng)對(duì)構(gòu)建調(diào)諧信號(hào)鏈的挑戰(zhàn)，還要確保每個(gè)階段的測量同步。工程師通常選擇使用單相AFE進(jìn)行多相電表設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1：過去，多相能量儀表設(shè)計(jì)人員需要組合單獨(dú)的單相AFE并添加定制電路以測量相位相關(guān)參數(shù)。 （圖片來源：ADI公司）

集成多相AFE

認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)人員需要解決日益增長的對(duì)更高效解決方案的需求的解決方案，ADI公司專門針對(duì)多相能源開發(fā)了ADE9078 AFE計(jì)量應(yīng)用。該IC集成了一個(gè)專用計(jì)量引擎和一個(gè)由7個(gè)獨(dú)立的24位Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）驅(qū)動(dòng)的多通道信號(hào)鏈（圖2）。在每個(gè)ADC的輸入端，可編程增益放大器（PGA）提供1,2或4的增益，而ADC輸出饋入四階同步濾波器和抽取濾波器以進(jìn)行抗混疊。

基于DSP的計(jì)量引擎使用經(jīng)過處理的線路信號(hào)生成多相測量應(yīng)用所需的全部參數(shù)。此外，該器件還支持有功和無功電能測量的國際標(biāo)準(zhǔn)。由于其最大通道溫度漂移為±25 ppm/°C，因此該設(shè)備可提供所需的精度和穩(wěn)定性，以滿足低至0.2級(jí)的公用級(jí)儀表的要求。

圖2：ADI公司的ADE9078 AFE將專用ADC與先進(jìn)的信號(hào)鏈和計(jì)量引擎相結(jié)合，可提供多種能量測量。 （圖像來源：ADI公司）

設(shè)計(jì)人員需要很少的額外組件來圍繞ADE9078構(gòu)建電表。對(duì)于典型的三相四線制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員將在三個(gè)電壓通道（A相，B相和C相）中分別使用ADE9078 ADC，并在每個(gè)通道上使用一個(gè)簡單的電阻分壓器作為電壓傳感器。同樣，器件的剩余ADC將使用適當(dāng)?shù)?a href="http://www.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流傳感器測量四個(gè)電流通道（A相，B相，C相和中性點(diǎn)）。同時(shí)，ADE9078消除了同步輸入的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，因?yàn)锳DC同時(shí)采樣各自的信號(hào)。

ADE9078不是強(qiáng)制設(shè)計(jì)人員使用如圖1所示的耗電電流分流器。支持更高效的電流傳感器選項(xiàng)，包括電流互感器（CT）和Rogowski線圈。雖然該器件的內(nèi)置補(bǔ)償功能可減輕CT中的相位和增益非線性，但其內(nèi)置的數(shù)字積分器可以使用高效的di/dt器件，如Rogowski線圈。

實(shí)際上，設(shè)計(jì)人員需要充分過濾傳感器輸入以衰減帶外信號(hào)（圖3）。此外，Rogowski線圈會(huì)產(chǎn)生顯著的高頻噪聲，至少需要二階抗混疊濾波器。設(shè)計(jì)人員還需要在電壓輸入上加入類似的濾波器，以消除電壓和電流測量之間的相位差。

圖3：雖然ADI公司ADE9078 AFE的傳感器輸入需要基本的RC濾波器來限制高頻信號(hào)，但器件本身還集成了補(bǔ)償功能用于傳感器非線性。 （圖像來源：ADI公司）

在器件本身內(nèi)，ADC，濾波器和計(jì)量相結(jié)合，創(chuàng)造了一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)鏈（圖4）。在鏈的每個(gè)階段，相關(guān)的設(shè)備寄存器允許軟件控制它們的性能。這些寄存器提供了一種校正CT傳感器非線性的機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)非常高的儀表精度。設(shè)置MTEN寄存器，設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)校正，以調(diào)整增益和相位補(bǔ)償。此外，它們可以調(diào)整電流通道增益xIGAINx，以校正由于CT增益非線性引起的增益誤差，或者調(diào)整相位補(bǔ)償寄存器xPHCALx以校正相位誤差。

圖4：工程師只需更改與不同流水線級(jí)相關(guān)的寄存器值，即可修改ADE9078 AFE信號(hào)處理流水線的特性。 （圖片來源：ADI公司）

ADE9078提供數(shù)百個(gè)寄存器，可提供對(duì)器件操作幾乎所有方面的可視性和控制。開發(fā)人員通過ADE9078的SPI兼容接口讀取和設(shè)置器件寄存器值。例如，為了讀取寄存器的當(dāng)前值，開發(fā)人員使用一種簡單的協(xié)議，其中16位字將目標(biāo)寄存器的地址和表示讀訪問的標(biāo)志組合在一起（圖5a）。如果啟用突發(fā)模式，器件將返回所請(qǐng)求寄存器的值（圖5b）。

圖5：使用包含相應(yīng)寄存器地址（A）的簡單命令頭，ADE9078使用簡單的協(xié)議進(jìn)行讀取（此處顯示）或?qū)憜蝹€(gè)寄存器（BURST_EN = 0）或一系列寄存器（BURST_EN = 1）。 （圖像源：ADI公司）

工作模式

ADE9078持續(xù)監(jiān)控其兩個(gè)電源模式引腳PM1和PM0，并根據(jù)引腳電平進(jìn)入四種相應(yīng)的電源模式之一（表1）。通常，設(shè)計(jì)人員將以正常模式（PSM0）操作設(shè)備，其提供全部功能，并使用空閑模式（PSM3）來實(shí)現(xiàn)低功率復(fù)位狀態(tài)。

表1.通過設(shè)置PM0和PM1引腳的值，設(shè)計(jì)人員可以控制ADE9078的工作模式。 （表格來源：ADI公司）

其他兩種功耗模式PSM1和PSM2分別提供篡改測量和電流峰值檢測。在電流峰值檢測模式（PSM2）中，器件使用其集成的低功耗比較器來檢查輸入電流是否高于可編程閾值電平。在篡改測量模式（PSM1）中，設(shè)備可快速測量關(guān)鍵參數(shù)，包括IRMS，VRMS，有功功率和無功功率。由于SPI接口在此模式下被禁止，因此ADE9078使用其中斷引腳IRQ0和IRQ1向主機(jī)處理器發(fā)出明顯篡改事件的信號(hào)。在典型的使用場景中，開發(fā)人員將ADE9078在正常或空閑工作模式之間循環(huán)，周期性地切換到PSM2以測試篡改。

ADE9078的廣泛集成功能需要相對(duì)較少的額外硬件才能進(jìn)行部署。一個(gè)設(shè)計(jì)。軟件設(shè)置同樣簡單。設(shè)計(jì)人員最低限度只需要配置寄存器來設(shè)置信號(hào)鏈中的增益電平，將器件配置為50或60 Hz線路，如果使用Rogowski線圈進(jìn)行電流檢測，則啟用數(shù)字積分器。將1寫入器件的運(yùn)行寄存器后，ADE9078將在短至40 ms內(nèi)開始生成結(jié)果。通常，設(shè)計(jì)人員還需要執(zhí)行增益校準(zhǔn)以考慮器件制造變化，并在使用CT傳感器時(shí)執(zhí)行相位校準(zhǔn)。

開發(fā)支持

幫助開發(fā)人員獲得ADE9078的使用經(jīng)驗(yàn)，ADI公司提供EVAL-ADE9078EBZ評(píng)估板和附帶軟件。設(shè)計(jì)人員需要添加自己的CT設(shè)備或Rogowski線圈進(jìn)行電流檢測。此外，SPI控制和監(jiān)控ADE9078還需要一個(gè)主機(jī)處理器。雖然開發(fā)人員可以使用他們自己的控制器板和處理器，但ADI公司建議使用基于該公司Blackfin DSP的控制器板EVAL-SDP-CB1Z。

ADI公司提供免費(fèi)的定制軟件開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序?yàn)樗性O(shè)備的數(shù)據(jù)和配置寄存器定義助記符，并實(shí)現(xiàn)前面提到的用于讀寫的SPI協(xié)議。對(duì)于剛剛開始使用ADE9078的設(shè)計(jì)人員而言，評(píng)估板隨附的基于Windows的軟件對(duì)于深入了解設(shè)備操作特別有用。

評(píng)估軟件提供單獨(dú)的屏幕，用于檢查寄存器，中斷，電源質(zhì)量和計(jì)算的能量值。大多數(shù)屏幕允許用戶探索設(shè)備的內(nèi)部。例如，在RMS屏幕上，用戶可以配置信號(hào)鏈的不同階段，設(shè)置寄存器值，并查看這些變化對(duì)計(jì)算出的RMS結(jié)果的影響（圖6）。

圖6：與ADE9078評(píng)估板一起，ADI公司EVAL-ADE9078EBZ評(píng)估套件包含的軟件可讓工程師探索和修改內(nèi)部器件特性，包括這里顯示的信號(hào)鏈。 （圖片來源：ADI公司）

結(jié)論

過去，設(shè)計(jì)人員在構(gòu)建精確的多相電表方面面臨著重大挑戰(zhàn)?？捎玫姆椒ㄐ枰O(shè)計(jì)自定義信號(hào)鏈或組合單相AFE。盡管如此，這些方法幾乎無法滿足與高電壓和電流信號(hào)的高性能測量相關(guān)的各種要求。

為幫助設(shè)計(jì)人員滿足客戶對(duì)更小，更簡單，更高效解決方案的需求，器件ADE9078將復(fù)雜的信號(hào)鏈與專用ADC集成在一個(gè)器件中，簡化了設(shè)計(jì)，同時(shí)消除了多相電能表設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)障礙。利用ADE9078，設(shè)計(jì)人員可以快速實(shí)施復(fù)雜的解決方案，以滿足能量計(jì)量要求的性能，精度和可靠性。