ZHCU663A April   2019  – February 2021

 

  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1系统说明
    1. 1.1 终端设备
      1. 1.1.1 电表
    2. 1.2 主要系统规格
  8. 2系统概述
    1. 2.1 方框图
    2. 2.2 重点产品
      1. 2.2.1 ADS131M04
      2. 2.2.2 TPS7A78
      3. 2.2.3 MSP432P4111
      4. 2.2.4 TPS3840
      5. 2.2.5 THVD1500
      6. 2.2.6 ISO7731B
      7. 2.2.7 TRS3232E
      8. 2.2.8 TPS709
      9. 2.2.9 ISO7720
    3. 2.3 设计注意事项
      1. 2.3.1 设计硬件实现
        1. 2.3.1.1 TPS7A78 电容压降式电源
        2. 2.3.1.2 TPS3840 SVS
        3. 2.3.1.3 模拟输入
          1. 2.3.1.3.1 电压测量模拟前端
          2. 2.3.1.3.2 电流测量模拟前端
      2. 2.3.2 电流检测模式
        1. 2.3.2.1 ADS131M04 电流检测程序
        2. 2.3.2.2 使用 MCU 触发电流检测模式
          1. 2.3.2.2.1 使用计时器定期触发电流检测模式
          2. 2.3.2.2.2 MCU 进入和退出电流检测模式的流程
        3. 2.3.2.3 如何实现计量测试软件
          1. 2.3.2.3.1 设置
            1. 2.3.2.3.1.1 时钟
            2. 2.3.2.3.1.2 端口映射
            3. 2.3.2.3.1.3 用于 GUI 通信的 UART 设置
            4. 2.3.2.3.1.4 实时时钟 (RTC)
            5. 2.3.2.3.1.5 LCD 控制器
            6. 2.3.2.3.1.6 直接存储器存取 (DMA)
            7. 2.3.2.3.1.7 ADC 设置
          2. 2.3.2.3.2 前台进程
            1. 2.3.2.3.2.1 公式
          3. 2.3.2.3.3 后台进程
            1. 2.3.2.3.3.1 per_sample_dsp()
              1. 2.3.2.3.3.1.1 电压和电流信号
              2. 2.3.2.3.3.1.2 频率测量和周期跟踪
            2. 2.3.2.3.3.2 LED 脉冲生成
            3. 2.3.2.3.3.3 相位补偿
    4. 2.4 硬件、软件、测试要求和测试结果
      1. 2.4.1 所需的硬件和软件
        1. 2.4.1.1 注意事项和警告
        2. 2.4.1.2 硬件
          1. 2.4.1.2.1 与测试设置的连接
          2. 2.4.1.2.2 电源选项和跳线设置
        3. 2.4.1.3 软件
      2. 2.4.2 测试和结果
        1. 2.4.2.1 测试设置
          1. 2.4.2.1.1 SVS 和电容压降功能测试
          2. 2.4.2.1.2 电表计量精度测试
          3. 2.4.2.1.3 电流检测模式测试
          4. 2.4.2.1.4 查看计量读数和校准
            1. 2.4.2.1.4.1 从 LCD 中查看结果
            2. 2.4.2.1.4.2 从 PC 校准和查看结果
              1. 2.4.2.1.4.2.1 查看结果
              2. 2.4.2.1.4.2.2 校准
                1. 2.4.2.1.4.2.2.1 增益校准
                  1. 4.2.1.4.2.2.1.1 电压和电流增益校准
                  2. 4.2.1.4.2.2.1.2 有源功率增益校准
                2. 2.4.2.1.4.2.2.2 偏移校准
                3. 2.4.2.1.4.2.2.3 相位校准
        2. 2.4.2.2 测试结果
          1. 2.4.2.2.1 SVS 和 TPS7A78 功能测试结果
          2. 2.4.2.2.2 电表计量精度结果
          3. 2.4.2.2.3 电流检测模式结果
  9. 3设计文件
    1. 3.1 原理图
    2. 3.2 物料清单
    3. 3.3 PCB 布局建议
      1. 3.3.1 布局图
    4. 3.4 Altium 工程
    5. 3.5 Gerber 文件
    6. 3.6 装配图
  10. 4相关文档
    1. 4.1 商标
  11. 5作者简介
  12. 6修订历史记录
2.3.1.3.2 电流测量模拟前端

用于电流输入的模拟前端不同于用于电压输入的模拟前端。图 2-5 显示了用于 CT 电流通道的模拟前端，其中 CT 的正极和负极引线连接到接头 J26 的引脚 3 和 1。

TIDA-010036 CT 电流输入的模拟前端图 2-5 CT 电流输入的模拟前端

电流模拟前端包括电磁干扰滤波器磁珠占用区（R48 和 R57）、电流互感器的负载电阻（R51 和 R56），以及用作抗混叠滤波器的 RC 低通滤波器（R49、R58、C52、C53 和 C54）。此外，电路板上还预留了 U12 和 U13 封装位置，如有需要，可在此处安装 TVS0500 以提供额外的浪涌防护。

如图 2-5 所示，电阻 R51 和 R56 是负载电阻且彼此串联。为获得出色 THD 性能，在将公共点连接到 GND 的情况下，使用两个相同的串联负载电阻，而不是使用一个负载电阻。此分载电阻配置可确保馈入 ADC 正负端子的波形相位差为 180 度，从而为此 ADC 提供出色的 THD 结果。总负载电阻是根据使用的电流范围和 CT 的匝数比规格来选择的（此设计使用匝数比为 2000 的 CT）。此设计的负载电阻总值为 12.98Ω。

方程式 2 显示了如何针对给定最大电流、CT 匝数比和负载电阻值计算馈入电流 ADC 通道的差分电压范围。

方程式 2. TIDA-010036

根据 100A 最大电流、CT 匝数比为 2000 以及 12.98Ω 的负载电阻，在此设计中，当应用电表的最大电流额定值 (100A) 时，电流 ADC 输入信号的最大电压摆幅为 ±918mV (649mVRMS)。对于用于电流通道的所选 PGA 增益 1，此 ±918mV 最大输入电压完全在器件的 ±1.2V 输入范围内。

图 2-6 显示了用于分流器电流通道的模拟前端，其中分流器正极和负极引线连接到接头 J25 的引脚 1 和 3。分流器的接地连接到 J25 接头的引脚 2。

TIDA-010036 分流电流输入的模拟前端图 2-6 分流电流输入的模拟前端

图 2-6 中的电路与 CT 通道所示的电路类似，只是由于使用了分流器而不是 CT，现在移除了 R51 和 R56 负载电阻器。由于负载电阻器已移除，请勿将 CT 连接到此通道，否则可能会产生过高输出电压，从而损坏电表。此外，请注意，从一个转换器通道到另一个转换器通道时，ADS131M04 器件上的 AINxP 和 AINxN 引脚顺序会切换。例如，AIN1N 为引脚 5，AIN1P 为引脚 6，而 AIN2P 为引脚 7，AIN2N 为引脚 8。正是由于接线顺序被调换，J26 上 CT 的正负输出终端与 J25 上分流器的正负输出端顺序互换。

方程式 2 展示了如何针对给定最大电流和分流器值计算馈入电流 ADC 通道的差分电压范围。

方程式 3. TIDA-010036

对于分流电流传感器，分流器阻值根据精度与分流器功率损耗之间的权衡来选择。如果分流器值减小，则通过分流器耗散的功率会较少；但是，分流器值减小意味着分流器的输出电压会较小，这会导致电流较低时的精度较差，即使使用较高的 PGA 增益来提升分流器输出也是如此。在本设计中，测试分别使用了 100µΩ 和 200µΩ 的分流器。

根据 VADC,shunt 范围，通过查看 表 2-1 中的满标量程表选择合适的 PGA 增益，找到 VADC,shunt 所在的两个增益。在这两个增益中，选择较低的增益作为分流器通道的 PGA 增益设置。该增益值可在高电流下不发生饱和的情况下，实现 ADC 范围的最大化。以此过程为例，假设使用 100A 最大 RMS 电流和 200µΩ 分流器。根据这些值，VADC,shunt 在 ±28.3mV 之间变化。该电压范围位于增益为 32 时的最大电压 ±37.5 mV 与 PGA 增益为 64 时的 ±18.75 mV 之间，因此分流器通道的 PGA 增益设置为 32。

表 2-1 满量程范围
增益设置FSR
1±1.2V
2±600mV
4±300mV
8±150mV
16±75mV
32±37.5mV
64±18.75mV
128±9.375mV