1 引言

　　CS5463是帶有串行接口和△-∑模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠進行高速功率(電能)計算的高度集成電路,。CS5463可以通過使用低成本的分壓電阻器或電壓互感器測量電壓,，使用分流器或電流互感器測量電流，從而計算出有功功率,，因此該電路特別適用于開發(fā)單相2線,、3線用電表。與上代的CS5460相比,，CS5463還能提供視在功率,、無功功率等多種參數(shù)計算，可滿足設(shè)計者的多方面需求,。此外,，CS5463片內(nèi)還帶有溫度傳感器，有助于設(shè)計者調(diào)整溫度漂移誤差,，提高測量精度,。

　　2 CS5463的主要特點

　　CS5463的特性如下：

　　(1)電能數(shù)據(jù)在1000：l動態(tài)范圍內(nèi)的線性度為±0.1％；

　　(2)精確測量瞬時電壓,、電流,、功率以及電壓,、電流有效值；

　　(3)計算視在,、有功和無功功率,，基波有功、諧波功率和功率因數(shù),；

　　(4)電能/脈沖轉(zhuǎn)換功能,；

　　(5)低功耗(小于12 mW)；

　　(6)單電源地參考信號,；

　　(7)內(nèi)置電源監(jiān)視器,；

　　(8)從串行EEPROM“自引導”，可以不用微控制器,；

　　(9)簡單的3線數(shù)字串行接口,；

　　(10)優(yōu)化的分流電阻器的輸入接口；

　　(11)帶有溫度傳感器,；

　　(12)具有機械計數(shù)器/步進電機的驅(qū)動器

　　3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能

　　3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　CS5463的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,，它由2個可編程增益放大器、2個△-∑調(diào)制器,、配套的高速濾波器,、功率計算引擎、偏置和增益校正,、功率監(jiān)測,、串行接口及相應功能寄存器等組成。2個可編程放大器采集電壓和電流數(shù)據(jù),，△-∑調(diào)制器對模擬量采樣處理,，高速數(shù)字低通或可選的高通濾波器濾取可用電壓電流數(shù)字信號，功率計算引擎計算各類型的功率,，電壓,、電流，并將計算的功率值通過串行接口對外輸出,，既可以接EEPROM,，也可以接微控制器。該電路還有能量脈沖信號輸出模塊,，可以直接外接計數(shù)器或步進電機,，從而省去微控制器而直接外送用電量，降低電表類產(chǎn)品的成本,。

　　3.2 引腳功能

• VA+/VA-：正負模擬電源,，+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供電；
• VD+/DGND：數(shù)字電源和數(shù)字地,，+5V/0V供電,；
• PFMON：掉電監(jiān)視器,，監(jiān)視模擬電源狀況。
• VIN+/VIN-：電壓通道的差模模擬輸入,，范圍是±250mV；
• IIN+/IIN-：電流通道的差模模擬輸入,，范圍是±50 mV(PGA設(shè)置為50×時),；
• VREFIN/VREFOUT：參考電壓輸入/輸出，為片上調(diào)制器提供參考電壓及其輸出,，通常為2.5 V,。
• MODB模式選擇，用于配置CS5463自引導模式,；
• RESET/INT：復位及中斷,；
• CS：片選信號，為低電平時,，端口可識別串行時鐘等信號,。
• SCLK：串行時鐘輸入，該時鐘信號確定SDI,、SDO的輸入/輸出速率,，只在CS低電平時有效；
• SDI/SDO：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出,；
• E1/E2/E3(EOUT)：能量輸出,，輸出低電平有效、頻率和能量成比例關(guān)系的脈沖,，3個引腳分別對應有功功率,、視在功率和無功功率。

　　4 CS5463的工作原理

　　4.1 輸入濾波

　　電壓和電流通道的輸入模擬信號送入可編程PGA進行增益放大,，放大后由△-∑調(diào)制器以一定的采樣速度采樣,，采樣的結(jié)果再進行高速數(shù)字濾波，得到符合要求的數(shù)字信號,。電壓輸入通道采用二階△-∑調(diào)制器,，高速濾波器由一個固定的Sinc2濾波器實現(xiàn)；電流通道采用四階△-∑調(diào)制器,，并用一個Sinc4濾波器實現(xiàn),，與電壓通道的范圍相比，可以在輸入跨度更大的情況下實現(xiàn)電流通道的精確測量,。2個通道的數(shù)據(jù)接著通過2個FIR補償濾波器來補償通過低通濾波器后產(chǎn)生的幅值損耗,。另外，2個通道都提供了一個可選的高通濾波器(HPF),，它可以在有效值,、電能計算之前除去電壓和電流信號中的直流成分,。

　　4.2 增益及DC偏移量調(diào)整

　　濾波后的瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量將進行偏移量和增益調(diào)整，這是基于DC偏移量寄存器(加法運算)和增益寄存器(乘法運算)的調(diào)整,。調(diào)整后的24位瞬態(tài)數(shù)據(jù)采樣值將存入瞬態(tài)電壓和電流寄存器,，用戶可以通過串口從中讀出采樣數(shù)據(jù)。

　　4.3 能量計算

　　以有功功率的計算為例,，采樣得到瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)字量,，把每對瞬態(tài)電壓和電流的數(shù)據(jù)相乘，得到瞬時有功功率的采樣值,。每個A/D采樣周期后,，新的瞬態(tài)功率采樣值就存入功率寄存器，N個瞬時功率采樣值為一組,，每組的值累加和用于計算以后放在能量寄存器中的數(shù)值,，它與電路在N個A/D轉(zhuǎn)換周期中的有功功率值成正比。同樣原理,，電壓和電流有效值也利用最近的N個瞬態(tài)電壓,、電流采樣值計算，并可從RMS電壓和電流寄存器中讀出,。

　　4.4 串行接口

　　CS5463的串行接口使用了包括2條控制線CS,、SCLK和2條數(shù)據(jù)線SDI、SDO的外接方式,。串行接口集成了帶有發(fā)送,、接收緩沖器的狀態(tài)機，狀態(tài)機在SCLK的上升沿解析8位命令字,，根據(jù)對命令的解碼執(zhí)行相應的操作,，或者為被尋址的寄存器的數(shù)據(jù)傳輸做準備，內(nèi)部寄存器都是24位,。讀操作需將被尋址的內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送緩沖區(qū),；寫操作在數(shù)據(jù)傳輸前要等24個SCLK周期。

　　所有的命令字長度均為1個字節(jié),。寫寄存器命令后必須緊跟1,、2或3個字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù)；讀寄存器命令則發(fā)出3字節(jié)的寄存器數(shù)據(jù),。圖2和圖3分別示出串口緩沖區(qū)的讀,、寫時序。

　　數(shù)據(jù)的讀和寫通過向串口SDI引腳寫入相應的8位命令字(高位在前)來啟動,。當命令包含寫操作時,，串口將在下面24個SCLK周期記錄SDI引腳的數(shù)據(jù)(從高位開始)。寄存器寫指令后必須跟24位的數(shù)據(jù)，一旦收到數(shù)據(jù),，狀態(tài)機便將數(shù)據(jù)寫入配置寄存器,，然后等待下一個命令。啟動讀命令后,，串口將在下8個,、16個或24個SCLK周期啟動SDO引腳上的寄存器進行內(nèi)容轉(zhuǎn)移(從高位開始)，寄存器讀指令可以終止在8位的邊界上,。讀寄存器時,，微控制器可以同時發(fā)送新指令，并立即執(zhí)行新指令,，同時終止讀操作。

　　5 CS5463的典型應用

圖4所示是以CS5463為核心的住宅用220V單相電源(圖中為2線式)系統(tǒng)的典型功率測量連接方式,。首先在線路上串,、并聯(lián)適當阻值的分壓和分流電阻器，對從電阻器上采樣的電壓信號進行濾波,，圖中對稱的阻容濾波器更有助于減小電磁干擾,，最后得到符合要求的電壓信號，送入電路進行實時計算,。CS5463提供了數(shù)字校準,，用戶通過設(shè)置校準命令字中的相應位來決定執(zhí)行哪種校準。對于電壓和電流通道,，都有AC校準和DC校準,。

　　該電路中用于監(jiān)測電流的分流電阻器串聯(lián)在電源的火線端，因為在大多數(shù)住宅電能測量應用中,，電度表分流器接在火線上有助于發(fā)現(xiàn)竊電行為,。從這種類型的分流電阻器得到的共模輸入電壓應以火線電壓為參考．這意味著CS5463的輸入共模電壓相對于地電位會在很高的正電壓和負電壓之間振蕩。因此,，在設(shè)計CS5463的數(shù)字輸出接口與外部數(shù)字接口(如其他通信網(wǎng)絡)時應謹慎,。CS5463的數(shù)字串行接口引腳必須與外部數(shù)字接口隔離，使測量端的參考地電位與外部接口地參考地電位不相互影響,，另外,，CS5463及其電路必須密封絕緣以防觸電。