1 引言
帶有串行接口和△-∑模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,，能夠進(jìn)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(diǎn)
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(dǎo)”,，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(jī)械計數(shù)器/步進(jìn)電機(jī)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(yīng)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(jìn)電機(jī)，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(fù)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(dǎo)模式,；
RESET/INT：復(fù)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(yīng)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(jìn)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(jìn)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(shí)現(xiàn),；電流通道采用四階△-∑調(diào)制器,，并用一個Sinc4濾波器實(shí)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(shí)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(bǔ)償濾波器來補(bǔ)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(jìn)行偏移量和增益調(diào)整,，這是基于DC偏移量寄存器(加法運(yùn)算)和增益寄存器(乘法運(yùn)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(jī),，狀態(tài)機(jī)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(yīng)的操作,，或者為被尋址的寄存器的數(shù)據(jù)傳輸做準(zhǔn)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(yīng)的8位命令字(高位在前)來啟動,。當(dāng)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(jī)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(jìn)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(yīng)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(dāng)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(jìn)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(jìn)行實(shí)時計算,。CS5463提供了數(shù)字校準(zhǔn)，用戶通過設(shè)置校準(zhǔn)命令字中的相應(yīng)位來決定執(zhí)行哪種校準(zhǔn),。對于電壓和電流通道,，都有AC校準(zhǔn)和DC校準(zhǔn)。
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?yàn)樵诖蠖鄶?shù)住宅電能測量應(yīng)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(yīng)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(fù)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(luò))時應(yīng)謹(jǐn)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。