CS5460A疑难解答

AN167 CS5460/CS5460A 常见问题解答 简介 本文回答和讨论了有关正确使用 CS5460 单相电能 IC 的一些常见问题。自 然，这些回答通常是相当技术性的。首先， 我们描述如何把取自 CS5460 电压/电流/ 功率/能量寄存器中的读数换算成以 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 公制单位表示的量值。其次，较为深入地 讨论了校准过程。其它题目包括相位校准 描述和时基校准寄存器的使用问题。也讨 论了无功能量的计算方法。有关 CS5460 的某些功能错误也做了详尽的讨论，其中 描述了 CS5460 版本 A－版本 C 有效值溢 出计算错误（参见 CS5460 勘误表）并提 出了一种解决 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 。本文也详尽讨论了 /EDIR 脉冲输出功能的错误及其解决办 法。所列题目如下： 1. 输出标准化：怎样把 CS5460 的读数转换成安培、伏特、瓦特、 和焦耳？ 用户可以确定出把 CS5460 的各种读 数转换成标准公制单位（安培、伏特、焦 耳/千瓦时）读数的常数值。本节讨论如何 推导出这些常量。 CS5460 的输出寄存器包括： 瞬时电压寄存器 瞬时电流寄存器 能量寄存器 功率寄存器 电压有效值寄存器 电流有效值寄存器 前四个寄存器可在 –0.9999999 至 +0.9999999 范围之内取值[译注：精确取值 范围应为-1.0 至+（1-2-23）]。后两个寄存 器（有效值寄存器）可在 0 至 +0.9999999 范围之内取值[译注：精确取值范围应为 0.0 至+（1-2-24）]。用户可以推导出用来 把这些寄存器中的值换算成诸如安培、伏 特、瓦特等公共度量单位的乘法转换常数。 本文的第一节描述如何确定这些常数。 电压、电流转换常数 首先，我们将定义电压与电流的乘法 转换常数。将电压转换常数称为 K1，电流 转换常数称为 K2。通过测量电力线上电压 和电流的电平，然后把其测量值与 CS5460 电压/电流寄存器内获得的信号读数值相 比较，用户就可确定这些常数值。最好是 在用户刚校准了 CS5460 之后进行。校准 时，对于给定线电压/线电流，增益寄存器 和/或偏移寄存器的值被调整成能使输出 寄存器获得适当的读数值。 举例来说，对于电压通道，假定用户 这样校准（稍后一节详述校准过程） CS5460，使得当电压有效值寄存器的读数 为 0.6003400 时 测 得 线 电 压 为 150.000VAC。通过把线电压除以该寄存器 的值，我们可确定转换常数 K1 的值。此例 中 K1 为 150.000/0.6003400 = 249.8584。从 瞬时电压寄存器和电压有效值寄存器中读 出的任何值，通过乘以 K1，被转换成伏特 值。 P.O. Box 17847, Austin, Texas 78760 (512) 445 7222 FAX: (512) 445 7581 http://www.cirrus.com http://www.crystal.com AN167REV1 2001-12 AN167 2 类似的论据也适于电流通道。如果校 准信号测得 5.000120 安（有效值），并且 测得刚刚校准后电流有效值寄存器为 0.5998263 ， 则 K2 为 8.335947 。（ = 5.000120/0.5998263） 能量与功率转换常数 确定电压和电流转换常数值 K1、K2 之 后，我们希望能把能量寄存器的读数换算 成诸如焦耳、千瓦秒、或千瓦时等标准化 单位的能量读数。给定时间区间内的有功 能量等于在该时间区间上对有功（平均） 功率的积分。由于能量寄存器是 CS5460 一个计算周期内的功率之和，所以计算周 期定义了该时间区间的时长。 目的：假定 CS5460 已取得 N 个瞬时 电压和电流采样值，此处 N 为周期计数寄 存器内的值。这些采样值分别以 Rvk 和 Rik 来表示，此处 k = 0，1，2，…，N-1。（“i” 和“v”下标分别代表电压和电流。）假设 通过把这些采样值乘以已知的常数 K1 和 K2，来获得实际的电压和电流值 Vk 和 Ik： vkk RKV ×= 1 （伏） ikk RKI ×= 2 （安） 每个计算周期之后，CS5460 在其能量 寄存器中将获得一值，我们将其表示为 Re。有功（平均）能量可被表示为： eRKE ×= 3 （焦耳） 我们打算根据 K1、K2，以及其它已知 变量，求出 K3 的值。 解答：我们必须知道 CS5460 的主时 钟频率 MCLK，分频值 K，和时基校准寄 存器（TBC）的值是多少，它们为已知量。 （参考 CS5460 数据手册） 如果作出了以上假设，则我们可以确 定常数 K3，其可用来确定 CS5460 在一个 计算周期内消耗的有功能量。在完成每个 计算周期后，把该常数乘以能量寄存器中 得到的值，即可获得能量值（以焦耳为单 位）。该常数为： TBC K MCLK KK K × = ))(( )1024)()()(4096( 21 3 再次重复，能量值以焦耳为单位。为 了换算成千瓦时单位，结果值应除以 3600000。注意如果 MCLK = 4.096 MHz， 且 TBC 和 K = 1，该常数可简化为 1.024 x K1 x K2。也请注意该表达式与周期计数寄 存器的值 N 无关。 推导：平均（有功）能量是时间区间 上对平均（有功）功率的积分。此处所提 的时间区间是 CS5460 完成一个计算周期 所花费的时间。该时间为： ))(( ))(1024( K MCLK NT = （秒） [译注： ))(( 1024 1024 1 K MCLKNDCLKN NT ×× × ＝ 转换周期＝＝计算周期 （ 参 见 CS5460A 数 据 手 册 （DS284PP2）-第 6 页的模拟特性一节参 数表。）] 对于每个 k，将 N 个顺序的电压和电 流采样值相乘将产生正比于瞬时功率（Rvk x Rik）的 N 个乘项。该时间区间上的平均 功率，可通过把这 N 个采样值的和（并包 AN167 3 括进用于得到以伏特和安培为单位的电压 和电流的乘法常数 K1 和 K2）除以 N，来 极为精确地计算出来。 N RKRK P N k ikvk avg ∑− == 1 0 21 ))(( （瓦） 一旦我们有了这个平均功率，我们就 可以通过在此时间区间上对有功（平均） 功率积分，求得所耗费的有功能量。由于 Pavg 为一常数，该积分可转化为 Pavg 与时 间区间 T 的简单乘积。 ))(( TPE avg= （焦耳） 注意 1 焦耳 = 1 瓦秒。现在，每个计 算周期之后，CS5460 在其能量寄存器中有 如下量值： 4096 ))(( 1 0 ∑− =× N k ikvk RR TBC [ 译注：参见 CS5460A 数据手册 （DS284PP2）－第 14 页图 6 的数据流程 图。] 此处 TBC 为时基校准寄存器的值。如 果我们将上式与表示能量 E 的表达式相比 较，我们可以看到两式相差一个因子： 3 21 ))(( )1024)()()(4096( K TBC K MCLK KK = × 因此当利用能量寄存器中的结果值来 计算一个计算周期内所消耗的有功能量 时，这就是所需要的乘法常数。 能量寄存器中的值也可用来确定一个 计算周期的平均功率。这可通过把能量寄 存器的值乘以 K3，然后除以一个计算周期 的时长（如上所述以 T 表示）。测量到的 功率将以瓦特为单位。 2. 怎样校准 CS5460 的偏移和 增益？ CS5460 被设计成对电压和电流通道 执行直流偏移和增益校准。但是，在许多 实际情况中，交流校准会更有意义。首先， 我们描述如何正确执行现有的直流偏移和 增益校准算法，该算法为内嵌于 CS5460 之中的例程。对此进行讨论之后，将描述 建议用于交流校准算法的例程，以将其作 为可供选择的一种校准方法。用户可把这 样一种算法作为子程序编写进印制板上的 微控制器中，以此作为用户计量控制系统 程序的一部分。或者该例程可被编写到专 门的校准设备中，用于仪表生产线的测试/ 校准阶段。在新的仪表被安装到现场之前， 合格的操作员在相随的其它测试工作中， 对每个制造的仪表进行一次性校准。在许 多电力计量应用领域中，此交流校准过程 被证明是一种更为现实的校准方法（因为 大多数电力计量行业使用交流信号源）。 新的CS5460A确能执行这样一个交流 校准算法。该算法为 CS5460A 的一条内部 可调用指令，类似于 CS5460 中的现有直 流校准命令。对于 CS5460A，交流校准例 程内嵌于其中，这样用户通过发出一个简 单的 8-位串行命令，可轻易地启动交流校 准过程。在本节有关校准的稍后部分，我 们将描述该交流校准算法是如何编程在微 码软件中，以使该算法能在现有的 CS5460 上实现。该交流校准算法作为印制板上微 控制器的整个程序中的一个例程，在软件 中由用户实现。 为完整性起见，首先描述 CS5460 现有 的直流校准算法。 在 CS5460 中，有四个校准寄存器： 电压偏移寄存器 电流偏移寄存器 AN167 4 电压增益寄存器 电流增益寄存器 这四个寄存器用于为采样的电压和电 流值提供 加法 100以内进位加法和退位减法100以内进位加法题100以内进位加法100以内进位加法竖式整数加法运算定律推广到小数说课 和乘法修正因子。电压和电 流通道的缺省偏移值为零。对于电压和电 流通道两者，缺省增益值为 1。但是，由 于 CS5460 版本 A－版本 C 所出现的溢出 错误（在本文中稍后描述――继续之前， 读者最好首先阅读题为“9. 什么是有效值 溢出误差？如何避免它？”一节），用户应 设定标称增益值为 0.5。在 CS5460 的未来 版本中，当该溢出错误被改正后，缺省增 益值还将被设为单位值，正如其本来打算 设定的值。我们将保持周期计数寄存器的 设定为 4000。 直流校准 应遵循下列过程来执行 CS5460 电压 和电流通道的直流校准。该校准的目的是 去除系统中存在的任何直流偏移误差（偏 移校准），然后定义电压、电流信号的满量 程值（增益校准），使其帮助量化系统的传 感器增益。当用户指令 CS5460 分析其所 提供的、施加在输入端上的校准信号后， 将完成直流校准，其后适当的值被自动记 录进 CS5460 的校准寄存器。 直流偏移校准－理论 直流偏移校准的基本思想如下所述： 用户把输入通道的两个输入引脚短接到模 拟地，然后通过启动 CS5460 内部的偏移 校准例程，CS5460 可确定当输入引脚接地 时输入引脚之间所存在的偏移量。一旦完 成偏移校准操作程序，则在正常操作期间， 所有后续的瞬时采样值将把该偏移量加到 其值中。偏移校准值存储在电压偏移寄存 器和电流偏移寄存器之中。 直流偏移校准操作程序 首先应（在全部两个通道上）执行偏 移校准，然后再执行增益校准。 注意：在进行校准之前，用户应确认 电流/电压偏移寄存器的值为零，电流/电 压增益寄存器的值设为 0.5。为实现此目 标，用户必须把一个 0.5 的值写入电压增 益寄存器和电流增益寄存器。CS5460 复位 后，这两个偏移寄存器的缺省值为零。 1) 把电压、电流输入通道的输入端 （Vin+和 Vin-，Iin+和 Iin-）接到地或参考 电位，其代表电流或电压两输入端之间的 零值输入电压。 在大多数电力计量配置中，零值输入 电平被定义成地电位（与 VA-模拟地引脚 电位相同）。比如，如果输入被交流耦合到 两个通道，则该零值输入电压只是 VA-。 然而，在某些情形下该参考电位对电压通 道、电流通道、或两者皆不同。如果输入 是非交流耦合的，则输入信号的中点可能 不同于模拟地。这取决于用户的具体应用。 例如，如果用户把电流通道的输入传感器 信号配置为一幅值在 0V 与 0.4V 之间变化 的正弦波，则 Iin+和 Iin-输入脚需要被接 到一 0.2V（直流）的共模电位以表示输入 的地参考输入电平，即此正弦波的中点电 平。（用户应注意在任何情况下，CS5460 任一个输入通道的可能的共模输入电压必 须在 VA-与[(VA+) - 0.25V]之间。） 2) 启动电压和/或电流通道的偏移校 准操作程序。参考 CS5460 的数据手册， 我们可知这是通过向 CS5460 写入校准控 制命令来完成的。为了执行电压和电流通 道的同时偏移校准，8-位命令字应为 “11011001”。如果用户使用 CDB5460 评 估板软件，可以通过进入“Setup Window”， 按下“Offset Register”框中的“Cal Both” 按钮来完成该校准。 3) 等待 CS5460 完成一整个计算周期 （典型情况下约 1 秒）之后，电压和电流 偏移寄存器的内容被自动更改成新的校准 结果值。这些值代表将被加到瞬时电压和/ 或瞬时电流采样值中的偏移量，以补偿系 统中固有的任何偏移误差。这些值将保留 在偏移寄存器中一直到 CS5460 失电或复 位，或一直到执行另一次偏移校准为止， 此时更为新的校准结果值将替换掉较老的 值。 pmac 铅笔 AN167 5 注意每一个偏移和增益校准步骤将花 费一个计算周期来完成。校准步骤结束时， 状态寄存器中的 DRDY 位将置位以指示 该校准步骤已完成。这对用微控制器来完 成校准是有用的。编程者可激活该 DRDY 事件，以确认在继续板上其它任务之前， 已完成该校准过程。 增益校准－理论 直流增益校准的思想是把一恒定的、 代表输入范围满量程电平的直流电平，施 加到电流、电压通道的一对输入端子上。 该输入电平通常位于输入端允许的最大输 入范围附近，以使用户能够利用 A/D 转换 器的最大动态范围。执行增益校准操作程 序之后，增益校准时所使用的电压/电流输 入校准信号的电平将等于A/D转换器的满 量程输出。换句话说，增益校准完成之后， 用于校准而施加的输入信号现在在电压/ 电 流 输 出 寄 存 器 中 将 测 为 0.999999880791。[译注： 该数值等于（1 – 2-23）。] 在电压和电流通道的增益校准期间， 用户必须把直流校准信号施加到通道输入 端。然后用户必须向 CS5460 发送适当的 8-位命令。此后增益校准操作程序在 CS5460 内部被启动，并且增益值被写入电 压增益寄存器和/或电流增益寄存器。在 CS5460 增益校准操作期间，CS5460 将试 图设定电压/电流通道的增益寄存器以使 用户施加的直流电压/电流校准信号在瞬 时电压/电流寄存器中分别测得约为 1.0。 电压/电流偏移寄存器中的值被加到瞬 时电压/电流寄存器的同时，电压/电流增益 寄存器中的值被用作乘数，与每个电压/ 电流采样值相乘。 在大多数电力计量应用中，电压通道 多数时间总是感应一相对稳定的线电压。 与此相反的是，当电力线上的负载改变时， 电流通道常常有显著的变化。 首先，让我们讨论电压通道。为简单 起见，我们假定电力线上的电压和电流信 号为纯正弦波。建议（按照交流瓦时电能 表的 IEC 规格所规定）用户具有能提供超 出标称线电压以外的过量程能力，但不要 太大。用户应定义一个“标称最大线电压 电平”，其应测得接近电压输入量程的顶 端。我们知道 CS5460 的瞬时电流寄存器 和瞬时电压寄存器能返回位于-1.0 和 1.0 之间的值。如果正弦线电压信号的峰值被 校准成表示 1.0，则该正弦信号在电压有效 值寄存器中会测得有效值为 0.707。但如果 线电压轻微地增加了一点，或在电力线上 出现了暂短的浪涌，则此方法不能够留有 任何裕量空间。（强烈建议用户避免让信 号超出输入通道所允许的最大输入电压。） 由于这个原因，推荐这样校准电压/电流通 道的增益，以使得电力线上满量程有效值 在电压/电流有效值寄存器中测得的值为 0.6，而不是 0.707。如果我们假设将要使 用正弦信号，这就意味着用户应该施加一 个其值为标称感应电压信号峰值 1.1785倍 的直流电压作为校准信号。（1.1785 的因 子得自 0.707/0.6。）见图 1。 *[术语“标称最大线电压电平”似乎 有点矛盾，该术语通常用来表示在电力线 上看到的最大线电压。瞬间的浪涌能量和 闪电脉冲在很短时间内能把线电压提高到 比该电平高得多的水平，但标称最大线电 压电平仅表示在长期时间范围内，能在电 力线上被安全维护的最大交流线电压电 平。该标称最大线电压电平通常被等价为 规定的线电压最大额定值。例如，美国的 115VAC 电力线通常规定其具有 150VAC 的最大电压额定值。] AN167 6 图 1 举例来说，假定我们测量一个 150VAC 的电力线。我们决定定义 150VAC 为标称 最大线电压电平。假设线电压的分压电阻 被选成当前线电压为 150VAC 时，所感应 的线电压信号的标称有效值在Vin+和Vin- 输入端之间被精确地测为 130mV（有效 值）。（可通过用交流伏特表测量 Vin+和 Vin-输入端之间的感应信号来确定。）我们 假设信号是正弦的，因此请注意这意味着 该 感 应 信 号 的 峰 值 电 压 为 mVmV 848.1831302 ≈× （直流）。我们想 要使 130mV（有效值）的输入电压对应电 压有效值寄存器中 0.6 的读数。这意味着 我 们 的 满 量 程 输 入 电 压 应 为 mVmV 205.1531301785.1 =× （有效值）。 因此我们设定电压通道直流增益校准信号 为 mVmV 665.216848.1831785.1 ≈× （ 直 流）。此直流电压电平代表一个约为 176.775VAC 的“绝对最大交流线电压”。 建议用户以这种方法来计算直流校准输入 信号的电平。 用户可以精确地确定电压/电流输入相 对标称最大线电压电平和标称最大线电流 电平，应具有多大的过量程能力。在上一 例子中，如果用户希望有更大的过量程能 力，应把直流校准的满量程信号设定为比 如 230mV（直流）的某个值。这使得 0.6 的满量程读数对应一个约 187.65VAC的线 电压。[译注：疑此例中如以 230mV（直 流）作为直流校准的满量程信号，0.707 的读数才对应 187.65VAC 线电压，而 0.6 的读数应该对应一个 187.65VAC/1.1785 = 159.23VAC 的线电压。]这也许是个好主 意，因为被测信号通常不是理想正弦波， 事实上它们通常是由基波及其高次谐波组 成的。一般情况下，这蕴含用户不得不测 量比拥有相同峰值的、等价的纯正弦信号 具有更大有效值的信号。 对于电流增益校准，遵循类似的过程。 此处主要是关于电力线上的最大电流电平 是多少，以及当此感应电流信号加在 Iin+ 和 Iin-输入端之间时，其对应的电压电平 是多少的问题。假定电力线上最大电流额 定值为 15A（有效值）。与有关直流电压增 益校准的讨论相类似，我们定义 15A 为电 力线上“标称最大线电流电平”。进一步假 定选择电流感应变换器和/或负荷/传感电 阻，以使电力线上 15A 有效值电流信号在 CS5460 的 Iin+和 Iin-输入端之间将产生一 110mV 有效值信号。若是这种情况，感应 AN167 7 的输入信号的峰值将约为 155.563mV。如 果使用这样一个信号电平来校准电流通道 增益，则在电流通道上不会留有任何裕量， 并且无论何时线电流位于标称最大线电流 水平时，电流有效值寄存器中的读数值为 0.707。然而为了留有裕量，我们利用类似 于电压增益校准的一系列推理方法 － 我 们选择一个其为标称最大电平峰值 1.1785 倍的直流输入电平来进行校准。因此，电 流通道增益校准信号的电平应设定为 mVmV 332.183563.1551785.1 =× （直流）。 这将使得一个 15A（有效值）的线电流在 电流有效值寄存器中测得 0.6。 此处再次明确术语“标称最大线电流” 是很有用的。电力线上大浪涌能量可暂时 地把线电压/线电流电平提高到远超出推 荐的最大线电平的程度。当我们引用“标 称最大线电流电平”时，我们通常在谈论 一个与线电流额定值处于同一幅度数量级 的线电流电平，但仍然足以高得通常很难 在电力线上看到如此这样一个电平。 最后，注意到电压/电流输入通道输入 放大器（PGA）的最大差分输入电压范围 是很重要的。有所指的是，我们在谈论用 户电压/电流传感器电路的输出电压，其将 作为输入电压施加到Vin+和Vin-引脚之间 （或对电流通道施加到 Iin+和 Iin-引脚之 间）。在运行任何校准之前，当 CS5460 首 次上电或复位时，并且如果我们假设两个 PGA（可编程增益放大器）均设定为（x10） 增益模式，且校准寄存器中的值为缺省校 准值，此输入范围为直流 250mV。（对于 电流通道，且 PGA 设定为（x50）增益模 式，输入范围为直流 50mV。）如果我们假 设是（x10）增益模式，这意味着一个正弦 信号的最大可接受峰值幅度为直流 250mV。（参见图 1。）注意 250mV 的 0.6 为 150mV。因此对于一个正弦信号，这是 可加在输入端上的最大有效值电压，如果 用户想要提供本讨论中论述过的过量程能 力的话。 如果我们假设输入信号是正弦的，则 在 CS5460 上可获得的绝对最大有效值为 176.78mV。但这蕴含着不能留有裕量范 围，在大多数实际应用中，这是颇为不现 实的。记住在任何一个计算周期期间内， 如果峰值输入电压电平确曾超出了 PGA （可编程增益放大器）的输入范围，则有 效值/功率/能量计算不能保证是正确的（直 到开始一个新的计算周期为止）。 直流增益校准操作程序 注意：在进行之前，用户应确认电流 /电压增益寄存器的值被设为 0.5。（见有 效值溢出错误一节。） 一旦选择了直流增益校准信号的电 平，就可继续进行校准。假定 CS5460 仍 然处于上电状态且用户已完成偏移校准， 则应采取如下步骤： 1) 电压通道（Vin+和 Vin-）和电流通 道（Iin+和 Iin-）的输入脚应连接到直流校 准电压电平，其值按上节讨论的来决定。 （在上面的例子中，直流校准信号的电平 在电压通道输入端被确定为 216.665mV， 在电流通道输入端被确定为 183.332mV。） 2) 启动 CS5460 的同时对电压和电流 通道进行增益校准的操作程序。参见 CS5460 数据手册，我们可知通过向 CS5460 写入校准控制命令来完成。为了执 行电压和电流通道同时增益校准，8-位命 令字应为“11011010”。如果用户在使用 CDB5460 评估板软件，可通过进入“Setup Window”，按下在“Gain Registers”框中 的“Cal Both”按钮来完成。 3) 等待完成至少一个完整的计算周 期后，电压和电流通道增益寄存器将被自 动地写入此次增益校准的结果值。把电压 和电流增益因子除以 2 并将结果值写入电 压/电流增益寄存器（其将改写初始结果）。 这些值代表电压/电流通道的乘法修正因 子，当 CS5460 运行在单次转换或多次转 换模式下，其将乘入所有后续的瞬时电压/ 电流采样值。这些值将保留在电压/电流增 益寄存器中直到 CS5460 失电或复位，或 直到完成另一次增益校准为止。 值得注意的是，对于偏移和增益校准， 电压和电流通道不必同时校准。如果参考 AN167 8 数据手册，可以确定相应的仅执行电压偏 移/增益校准算法、或仅执行电流偏移/增益 校准算法的校准命令代码。如果用户仅有 一个电源且该电源必须用来在两个通道上 执行直流校准，这种校准就十分有用。（很 明显，对于某一个通道不能同时执行偏移 和增益校准。）电压和电流通道可被同时或 分别地校准，但是用户应注意，对于直流 校准，偏移校准操作程序应在增益校准操 作程序之前完成。 交流校准 交流增益校准－理论 交流校准是两种校准算法中的另一 种。不像直流校准算法，交流校准过程目 前不被 CS5460 的片内校准操作程序所支 持；该交流校准算法必须由用户“手工地” 编程。 重复前面所述：新的 CS5460A 确实具 有这样一种交流校准算法。该算法为 CS5460A 内部的一条可用指令，类似于 CS5460 中现有的直流校准命令。对于 CS5460A，交流校准例程内嵌于其中，如 此用户通过发出一个简单的 8-位串行命 令，可轻易地启动交流校准过程。在本讨 论中，我们将描述用户如何利用现在的 CS5460 来执行交流校准算法。该交流校准 算法作为板上微控制器整个程序中的一个 例程，由用户在软件中实现。 注意本节所述的交流校准算法仅适用 于交流增益校准，而不适用于交流偏移校 准。清除交流偏移的交流偏移校准操作程 序在 CS5460A 中也具备，但在本文中不予 描述。 为了完成交流增益校准，用户必须指 令 CS5460 工作在连续转换模式下。 CS5460 应就像工作在正常操作情况下。虽 然直流校准例程是基于瞬时电压/电流的 读数，但交流校准例程 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 用户监测电压/ 电流有效值寄存器。虽然直流校准使用最 大电平直流输入来设定满量程输入电平， 但交流校准方法要求用户施加一交流信号 来定义满量程交流输入电平。最好由用户 把交流校准信号电平设置成如上节所述的 “标称最大电平”（参见直流增益校准）。 再次重述，这就是通常在输入端上出现的 最大交流信号电平（除能量浪涌的情况以 外）。交流校准的主要思想在于，当电力线 上呈现出标称最大交流信号（对电压和电 流两者）时记录下有效值寄存器中的值， 然后调整电压和电流增益寄存器中的值， 直到这些最大线电压/线电流电平在电压/ 电流有效值寄存器中的值测得 0.6。选择 0.6 的值是因为这将使得测量的满量程有 效值接近标称的电压/电流量程的顶端，并 为过量程能力提供了一些裕量。 通常，如果使用交流校准算法，则不 需要校准电压/电流偏移。当我们监测交流 电力线时，通常不记录可能在电力线上呈 现的直流电力。在此情形下，我们打算把 CS5460 内部的高通滤波器置成作用状态， 以使系统中的任何直流能量能被滤除，因 而不会被计量。因此，交流校准不包括直 流偏移校准。在执行交流校准之前，电流 和电压偏移寄存器皆应置成 0。本文所述 的交流校准算法假设高通滤波器是起作用 的，我们无需监测所耗费的直流功率。即 使要计量直流能量、即使用户已经执行了 直流偏移校准，在执行该交流增益校准之 前，用户应记录下偏移寄存器中的值，然 后在执行交流增益校准时把偏移寄存器清 为零。并且，在交流增益校准期间应使能 高通滤波器。然后，执行完交流增益校准 之后，用户可以再次把高通滤波器关掉， 并恢复早先获得的偏移寄存器值，如果用 户打算使用此类交流增益校准方法的话。 （注意：在进行之前，用户应确认电 流/电压偏移寄存器的值为零，和电流/电 压增益寄存器的值设为 0.5。参见有关计算 错误：版本 A－版本 C 一节。） 再重复一遍，为了能提供一些过量程 能力，建议以这样一种方式设置电压和电 流通道的增益，使得最大电压和电流值在 CS5460 的电压/电流有效值寄存器中的有 效值读数为 0.6。由于这个原因，用户必须 AN167 9 在 CS5460 处于正常工作状态下细心监测 电压有效值和电流有效值，必须确定被测 信号值与系统要测的“最大”满量程值的 关系（之比）。 交流校准－举例 作为一个例子，假设用户使用交流电 流表发现目前线电流为 7.5A（交流），我 们也假设电力线的最大额定电流为 15A （交流）。在该情况下，用户可以使用 15A 作为“标称最大电平”，其在电流有效值寄 存器中的读数将为 0.6。根据该假设，我们 可得出结论当在电力线上测得 7.5A 的电 流时，CS5460 应返回一个反映满量程一半 的有效值，即 0.3（假设 15A 的满量程电 流值对应有效值寄存器中一个 0.6 的读 数）。 在许多电力计量应用中，电力线上的 电压电平通常保持在标称最大电平。这是 因为电力公司本意就是要在配电系统中使 电压电平保持恒定。另一方面，电流将随 电力线上负载的变化而变化，通常变化是 显著的。一旦用户配置好输入到电压/电流 通道输入端的传感器电路，用户也许想设 定电压/电流增益寄存器的值为 0.5 并从 CS5460 中采集一些原始的有效值寄存器 值。这些值可被用户加以分析，以确定有 效值是否在期望的一般取值范围内。由用 户定义测量的这个电压/电流对应满量程 的百分率。在此处，用户也许需要把用来 测量线电压和/或线电流信号的电压/电流 传感器电路的增益调整到一个适当的输入 电平。 继续讨论此例，我们假设 CS5460 运行 在正常电力监控模式（用户指令 CS5460 工作在连续转换模式），用户已确定，以目 前的负载，线电流现在为 7.5A，其为标称 最大额定交流电流电平的一半。此时，用 户从电流有效值寄存器中读到了某个值： 假设用户读到的值为 0.276。期望满量程电 流值应为 0.6 的有效值读数，所以满量程 一半值的读数应对应 0.3 的有效值。因此 需要设定增益寄存器使得 0.276（校准前） 的值能够测得 0.3（校准后）。如此我们会 得出结论增益寄存器应设为 0.3/0.276 = 1.08696。但是由于 CS5460 的有效值溢出 错误，我们记得增益寄存器在此校准期间 由用户设成了 0.5 的缺省值。这意味着所 有的结果值是实际值的一半。由于这个原 因，我们需要把新的增益校准值调节为 0.5，这样我们才能在 CS5460 内部的计算 寄存器中维持正确的除 2 运算。因此我们 应把一个 0.54348 的值输入进电流增益校 准寄存器。该过程应重复于电压通道。 在上一段，需注意的一点是，在该交 流电压/电流增益校准过程中，用户不需使 用假定最终在电压/电流有效值寄存器中 产生 0.6 的输入信号电平。用户可较为方 便地使用比如表示为 0.6（或 0.3）的电平 一半的交流信号。只要用户明白所施加的 信号代表标称最大线电流电平的一半，用 户则应试着调整增益寄存器的设定以使信 号在有效值寄存器中精确地测为 0.3。这将 完成同样的事情。 因为新的CS5460A不会有有效值溢出 的问题，因此当增益校准输入信号施加到 电流和电压通道时，CS5460A 事实上确实 会试图把有效值寄存器读数校准到 0.6。并 且注意在运行增益校准之前电压/电流增 益寄存器应设为单位值，不像在此讨论中， 需设置初始增益值为 0.5。 在以上的讨论中，我们使用了几次诸 如“最大”和/或“标称最大”等术语来引 用增益校准输入信号的电平。希望到目前 为止，对读者而言，用于描述输入电平的 此术语，实际上显然不是所能测到的真正 最大电平。电力线上大功率浪涌可短暂地 把电力线上的电压/电流电平提高到标称 的“最大”电平以上。当我们引用最大电 平时，我们通常是在谈论对线电平的一个 合理估计值，其与线电平的标称额定值具 有同数量级的幅度，但确实足以高得通常 在电力线上难以遇见。这就是在有效值寄 存器中应等于 0.6 的输入电平。 2.1 解释校准结果 [译注：本节部分内容请参考 CDB5460 数据手册。] AN167 10 完成交流校准之后，标称有效值线电 压读数在“Conversion Window”的“RMS Voltage”框应测为“0.6”。例如，如果使 用一个从 115VAC 的线电压感应的电压电 平来做校准，则“Conversion Window”中 0.6 的电压有效值对应于电力线上的 115VAC。当然这假定用于校准的 115V 线 信号事实上确实为 115VAC－应尽可能的 把一个干净的、不失真的信号用于校准。 为了得到一个精确值，用户应在校准时使 用交流伏特表来测量线电压的值。利用该 测量值，我们可以定义一个电压转换常数， K1。假设校准时用户测得的线电压精确地 为 115VAC。则该例中 K1 的值为 115V/0.6 ＝ 191.6667。因此，为了得到电压读数值 （以伏特为单位）用户应把瞬时电压寄存 器中的值乘以 K1 ＝ 191.6667。为了获取 最精确的结果，用户应在校准时使用交流 伏特表来测量线电压的值，以获得用来确 定 K1 的精确的交流电压值，由于线电压 随时间变化不大，用户应可确定标称额定 线电压就足以确定电压转换常数。 电流值被调节成 0.6 的有效值读数将 指示一个等于校准信号电平的电流电平。 这表示多少线电流？要回答这个问题，用 户必须知道校准时，与使用的电流电平相 对应的线电流的值，或用户必须知道传感 器电流与实际线电流之比。如果用户通过 使用一个从实际电力线上采样的的电流信 号来完成校准（此处校准信号通过电流感 应网络构成），则用户可轻易地通过把测得 的线电流值，除以与其对应的电流有效值 寄存器中的读数值来确定一个转换常数。 假设校准时线电流的值测得 15A（有效值） 且此时用户从电流有效值寄存器中读到 0.6 的值。则电流转换因子，K2，将等于 15/0.6 ＝ 25。如果校准信号是由用户“人 工”产生的，例如利用信号发生器，在 J8 输入端（而不是板上的传感器网络输入端） 接入该信号，则用户必须知道线电流与感 应电流之比，并且用户必须在校准时额外 测量CS5460的 Iin+和 Iin-输入端之间的电 压。可用交流伏特表来测量。我们假设用 户知道电流感应设备的线电流与感应电压 之比为 107:1（所以 15A 的线电流对应于 Iin+和 Iin-输入端之间的约 0.07V 电压）。 也假设校准时 Iin+和 Iin-输入端之间测得 的电压为 120mV（有效值），且此时电流 有效值寄存器测得 0.6。则 K2 将等于 4.216.0/)120.0107( =× V 。 2.2 校准信号输入范围 注意到电压 /电流通道输入放大器 （PGA）的最大差分输入电压，是很重要 的。我们讨论的是呈现在 Vin+和 Vin-（或 Iin+和 Iin-）之间的实际电压。在（x10） 模式下，该输入范围为直流 250mV。（对 于电流通道的（x50）模式下，输入范围是 直流 50mV。）这代表执行任何校准之前 （CS5460 中增益和偏移寄存器为缺省 值），可施加在输入端上的最大直流电压， 它们在瞬时电压/电流寄存器中将返回单 位值。现在请注意 250mV的 0.6为 150mV。 150mV 因此是可用于输入端的最大有效 值，如果仍然需要如前所述的过量程能力 的 话 。 可 能 的 绝 对 最 大 有 效 值 为 176.78mV，但这蕴含无任何裕量范围，在 许多实际应用中，这是不现实的。记住如 果峰值输入电压电平确实超出了 PGA 的 输入范围，有效值/功率/能量计算不能保证 是正确的。因此，呈现在 CS5460 输入端 上的电压和电流信号的最优满量程值为 150mV（有效值）。（如果电流输入 PGA 的 增益设为（x50），此值为 30mV（有效值））。 校准信号电平可小于此值，且在输入上会 损失一些动态范围。但是校准信号电平不 应超出 150mV（有效值）。设计电压/电流 传感器网络时应牢记此数据。如果 CS5460 输入端上的输入信号电平确实增加到某个 输入饱和点，则 CS5460 的测量输出是无 效的。 也请注意对校准信号的电平有一个较 低的限制。如果电压和/或电流校准信号电 平太低，则计算出的增益因子将大得不能 放进 24-位电压/电流增益寄存器。可存储 在这两个增益寄存器中的最大值为 4。因 此，增益校准信号应不小于最大可能有效 AN167 11 值的 1/4，最大可能有效值为 176.78mV 有 效值（当电流 PGA 增益设为（x50）模式 时，电流通道为 35.36mV 有效值）。 3. 相位补偿：可以校正由电力 线传感电路所导致的电压和电 流信号之间的相位延时吗？ CS5460 允许电压和电流通道之间进 行可编程相位补偿。相位补偿可用于修正 由于用户提供的传感电路所引入的相位偏 差，而传感电路用于感应电力线上的电压 和电流信号。当电压/电流传感网络是互感 器耦合的，这就更为有意义。由于互感器 传感网络的感性性质，少量的但可检测到 的相位误差会存在于电流和电压之间。除 传感器之外，其它在输入引脚用于滤除噪 声的元件也能改变线电压和线电流之间的 相位。用户可调整相位补偿位 PC[3:0]（位 于 CS5460 配置寄存器）以修正任何这样 的误差。 相位补偿位的本意不是用来清除电流 和电压之间的由实际线负载的电抗引起的 延迟。这样一个相位延迟不应该被消除， 因为这是实际被测电力信号的一个重要属 性。 当我们以“度”来讨论相位延迟时， 我们同时必须声明被测电力信号的频率。 当所关注的电力信号为 60Hz 时，配置寄 存器中 PC[3:0]位的每个增量代表一个约 为 0.34 度的步长（当 MCLK = 4.096MHz 时）。在此设定中，只有四位可选的情况下， 相位补偿位可取得大约一个 -2.5 度到 +2.4 度的范围。（见 CS5460 数据手册。） 相位调整补偿反映了电流通道相对于电压 通道（反之非亦然）的延迟。举例来说， 一个 +2.4 度的相位调整表示电流领先电 压 2.4 度。 当 所 有 四 个 相 位 补 偿 位 设 为 零 （“0000”），电压和电流通道之间的相位误 差大约为 0.2 度。 注意主时钟频率（MCLK）和分频值 （K），以及电力信号的频率，对相位补偿 位（一个 LSB）的步长都有作用效果。因 此这些因子也就决定了相位补偿的全范围 （以度为单位）。 在新的 CS5460A 中（早先提到过）， 相位补偿寄存器的分辨率已经增加到使步 长为 0.04 度（MCLK = 4.096MHz 时），且 相位补偿位的位数已增加到七。在 0000000 设定处的相位偏移大约为 0.0215 度。 执行相位补偿/校准过程时，主要问题 在于电压和电流信号之间的相位角小得难 以用普通测量设备测到。对带有噪声的交 流电力信号尤其如此。因此，相位补偿调 整在执行前应仔细予以考虑。相位补偿值 可通过写入配置寄存器的 PC[3:0]位，由用 户来进行调整。 相位校准的理论算法讨论如下：当电 力线馈予一非电抗性（即完全阻性的，无 感性/容性效应）的负载时，用户必须能够 运行和监测电能表。在该情形下，我们知 道电力线不会在电压和电流之间引起任何 相移，这样在 CS5460 中测得的任何相移 可归结于传感器网络中存在的电抗。用户 在扫描相位补偿位的所有可能值时，应同 时监测能量寄存器中的结果值。相位补偿 位应设置成能使能量寄存器获取最大读数 的那些位组合。 4. 时基校准寄存器的用途是什 么？ 时基校准寄存器可用来补偿输入时钟 的不准确性。通常用户将提供一个专门的 晶体输入到 CS5460 的 XIN/XOUT 引脚， 作为产生 MCLK 的激励信号。如果用户的 时钟信号输入偏离期望值一点点，则能量 寄存器中的值（及/EOUT 和/EDIR 引脚的 脉冲速率输出）将偏离在一个计算周期内 所期望的值一点点。假设时钟频率为 4.096MHz，且 K=1，和 N（周期计数寄存 器的值）设成 4000 的缺省值。每个计算周 期之后（每 N 个转换之后），能量寄存器 AN167 12 中的结果值正比于 CS5460 在此计算周期 内测得的能量。以一种稍微不同的方式思 考，能量寄存器中的值可被认为是功率的 平均率，代表最近一次计算周期中 1/4096 秒内测得的功率的平均率。然而，如果晶 体的实际频率偏离其额定频率某个百分数 （比如说此例中为 0.1%），则能量寄存器 中的值则表示在某个其它时间长度上的平 均功率。根据板与板的不同，（在每个表的 校准/测试期间）编程时基校准寄存器的 值，以补偿每个单独晶体所造成的偏差。 则能量寄存器中结果值的时间关系性仍能 得到保持。用户的测试设备将测得一个精 确的振荡频率（使用 CPUCLK 引脚来测 量），然后时基寄存器可被设置成一个值， 其等于被测频率与期望频率（此例中为 4.096MHz）之比。 当 MCLK = 4.096MHz，K = 1，和 N = 4000 时，某些用户故意把 TBC 设置成 1.024，以使每个计算周期结束之后，能量 寄存器中的值代表一秒的 1/4000（而不是 一秒的 1/4096）上的功率的平均率，这样 使该数字与一个转换周期进行比较时更为 方便（当采样率为 4000Hz 时）。 5. 可以用 CS5460 测量无功能 量吗？ CS5460 电流有效值、电压有效值、和 能量计算结果值，可用来间接地计算无功 功率。然而，用于该计算的方法必须假设 在原始电压/电流信号中无谐波能量。随着 电流信号中谐波能量百分数的增加，此无 功能量计算方法（如下所述）会变得越来 越不精确。由谐波分量导致的结果误差可 用公式计算出来（包括在下面）。用户必须 关注电力信号中谐波分量占的百分比以计 算该误差。 传统上计算乏使用如下公式： ))()(( tItVdavgQ ×= 此处 Vd 为电压延迟 90 度。无谐波分 量时，变为 )sin(φ××= IVQ f 此处 I 和 V 为有效值，φ为电流和电 压之间的相位角。用 CS5460 测量无功能 量可按下式 22)( EIVQw −×= 因为 )cos(φ××= IVE 技术上讲，这仅产生一个正的 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 。 无功能量的符号必须通过确定电流和电压 之间相位角的符号来决定。具体来讲： φ = 电压相角－电流相角 如果φ为负，无功能量为负。如果φ 为正，则无功能量为正。 无功能量的标准公制单位为乏。 在谐波的影响下电流波形引入的误差 可通过如下例子得到最好的理解：对于 60Hz、满量程为 1 和相角 30 度的信号， 我们用两种方法测量 Q 并得到 0.5。现在 在电流波形中引入一个为基波的 k=10% 的三次谐波。Q 方法精确地证明无功功率 未改变。Qw的结果将引入一误差，因为其 基于电流有效值的测量，此时它改变了。 Qw将读得 0.51，或高 2%。百分比误差为： 100 )( )(])()1[( 22 22222 × −× −×−−××+ = EIV EIVEIVk Error 此处 k 为谐波分量相对于基波、表示 为基波的百分比。 AN167 13 对于给定的 k 值，上面的误差，特别 是在功率因数接近单位值时，变得更大。 当功率因数显著地小于单位值（<0.8）时 则误差公式的误差值降低。这是可行的， 因为通常当相角比较显著时（即功率因数 显著地小于 1 时）才作无功能量测量。所 以在功率因数的这个区域范围内，无功能 量的测量将变得更为精确。 6. 当给定已知的每脉冲能量值 规格时，如何确定合适的脉冲速 率寄存器的值？ CS5460 的/EOUT 引脚可输出低有效 脉冲序列。脉冲序列的频率，或脉冲速率 正比于能量耗费的速率。（因此，脉冲速率 正比于功率。）输出脉冲频率的范围可由用 户把适当的值编程进脉冲速率寄存器来确 定。当 MCLK = 4.096MHz，K = 1 时，如 果瞬时电流和瞬时电压寄存器的读数为满 量程，则/EOUT 脉冲序列的平均频率将等 于编程进脉冲速率寄存器中的频率。注意 这些寄存器的满量程值为 1（实际等于 0.999999880791，即 1 - 2-24）。[译注： 该 数值应等于（1 – 2-23）。] 考虑有关/EOUT 脉冲序列输出频率的 最好方法是考虑稳态信号施加到输入端时 的情形。关键是要知道稳态输入信号的有 效值。在 MCLK = 4.096MHz，和 K=1 情 况下，当电压和电流通道输入的有效值电 平在瞬时电压和瞬时电流寄存器中导致满 量程读数时，/EOUT 的平均脉冲速率将等 于编程进脉冲速率寄存器中的值。这仅能 通过把一直流信号加到输入端来完成，该 直流信号的电平等于满量程校准时的输入 电平。例如，如果电压和电流通道被校准 成 250mV 的直流电平在瞬时电流/电压寄 存器中的读数为满量程，则当恒定的直流 250mV 加到电压和电流通道输入端时， /EOUT 脉冲序列平均频率将等于脉冲速 率寄存器中设定的值。 我们使用术语“平均频率”是因为脉 冲速率输出不是真正的功率－频率转换 器。脉冲的数目实际上取决于每个 A/D 转 换周期累积的能量值。在每次 A/D 转换周 期之后，CS5460 会发出一串脉冲。脉冲的 个数正比于在最近一次A/D转换周期上累 积的能量值。如果累积的能量小于一个脉 冲所代表的能量，则最后一次 A/D 转换周 期将不发脉冲。脉冲的真正频率是不规则 的，因为脉冲通常是以少量快速脉冲群的 形式发出的。特别是在较高的脉冲速率频 率设定下容易出现。在较低的频率设定下 （<～4kHz），当测量恒定功率时，脉冲速 率可能会相当规则。 在大多数计量情形下，电力信号通常 是交流正弦波。一个正弦波的有效值大约 是其峰值的 0.7071 倍。为了确保电流和电 压通道不会接收超出寄存器满量程值的输 入电平，输入端可测的无失真的最大正弦 信号，其有效值为电压/电流通道满量程输 入电平的 0.7071 倍。 如果我们再次假定电压/电流通道输入 被校准成在输入端满量程信号为直流 250mV，则可被精确测量的最大正弦信号 为 mVmV 78.1762507071.0 ≈× 。当这样一 个信号被施加到两个输入端时，/EOUT 脉 冲序列的平均脉冲速率，可通过把脉冲速 率寄存器的频率值与 0.7071 x 0.7071 相 乘，计算出来。这是因为两个瞬时寄存器 的有效值都有一个 0.7071 的值。事实上， 在这样的稳态正弦信号施加到输入端的情 况下，/EOUT 的频率也可通过把脉冲速率 寄存器的值与电压有效值寄存器和电流有 效值寄存器中的值相乘来确定。当上面的 稳态信号施加到输入端时，电压有效值寄 存器和电流有效值寄存器两者皆等于 0.7071。 注意如果施加到输入端上直流 250mV 的信号持续超过了 CS5460 的一个转换周 期，则有效值寄存器将测得单位值，/EOUT 脉冲的频率等于脉冲速率寄存器中设定的 频率值。 例子：我们假定 MCLK = 4.096MHz 和 K = 1。假设脉冲速率寄存器的值编程为 AN167 14 30Hz。如果一个恒定的正弦电力信号在 CS5460 的电压有效值寄存器和电流有效 值寄存器中测得 0.6，我们知道瞬时电流和 瞬时电压寄存器中的等效值也为 0.6。（对 于功率和能量，我们可得到相同的结果， 如果一个能使瞬时电压/电流寄存器的读 数值为 0.6 的直流信号被加到 CS5460 的 话。）因此/EOUT 引脚的实际脉冲速率频 率会是 30Hz x (0.6) x ( 0.6) = 10.8Hz。（注 意在此例中我们假设该电力信号的