當前，由于電力供需矛盾十分突出，國家提倡能源的節約，尤其是電能的節約，制定措施推行分時電價和電力負荷控制裝置的應用。95年以來全面推行分時電價，這幾年也正是復費率電能表迅速發展的時期。電能表也不再是簡單的電能計量，而是集計量、電能管理、事件記錄、自動抄表功能于一體的高科技產品。隨著計量芯片的推陳出新，功能日益強大，不僅具有完善的模擬采樣校驗功能，而且還引入了數字信號處理技術，可以計算多個電量參數，大大簡化了多功能表的軟硬件設計。
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圖1：單相復費率電能表系統框圖。 |
本單相多費率電能表采用ADI公司的ADE775X作為計量芯片，以及Microchip公司的MCU PIC16F7X作為主控芯片，系統框圖如圖1所示。本文主要以組成原理、模擬前端設計、主控MCU功能、PCB抗干擾設計和PCB的布線以及元器件質量對電能表精度的影響等幾個方面進行討論。
組成原理
接入線路后，電表通過分流電阻或電流互感器對信號進行采樣，經放大、乘法、積分、V/F變換、分頻功率驅動等電路處理，利用ADE775x輸出標準脈沖，MCU(PIC16F7X)微控制處理器計量脈沖數或直接通過其SPI讀取有功電量并根據預先設定的時段運算出電量在LCD上顯示，并將數據結果保存到EEPROM。本表設有斷電數據自動保存功能、時鐘不中斷等功能，采用專用POS機進行紅外通訊或RS-485標準接口通訊連接，對時段、需量窗口寬度等參數設置，并可以察看分段電量和需量等，實現了單相四費率分時電能計量、預置、抄表等集線抄表網絡功能。
模擬前端設計
圖2給出了兩種電流信號采樣處理方式，一種經過電流互感器接入采樣處理電路(如圖2a)，另一種是經過分流電阻采樣處理電路(如圖2b)。本設計采用第二種方法獲取電流信號，電壓信號檢測一般采用簡單的電阻衰減網絡分壓獲得(如圖2c)。
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圖2. 模擬前端信號處理。 |
1．電流輸入
a. 電流互感器
電流互感器次級電流由次級繞阻輸出負載阻抗轉化為一個電壓量。值得注意的是，如果次級開路，即不接負載，在次級會出現一個非常大的電壓，可能引起器件損壞。絕大多數電流互感器在50Hz/60Hz存在0.1°-1°相位漂移，導致電量測量誤差，尤其是在低功率因數時，這種相位漂移或相位誤差可以通過相位調整寄存器來糾正。
b. 分流電阻
使用分流電阻來實現電流至電壓的轉化是一種單相兩線電能表應用的低成本實現方法。兩線應用不需要隔離，分流電阻與電流互感器相比不僅沒有直流飽和問題的困擾，而且相位響應線性度動態范圍寬。盡管分流電阻并非純阻抗，存在一定的感性電抗，在50Hz/60Hz比較明顯，即與之相連的信號會存在一個超前相位漂移，但很容易用一個濾波網絡(R41/C11和R42/C21)來補償。
2. 電壓輸入
電壓輸入可以直接連接到線路電壓輸入端，通過增加一個簡單的電阻分壓網絡衰減至合適的范圍，再接至計量芯片ADE775X。電壓通道由于其相對信號較大且要求的動態范圍小，通常配置為單端輸入，如圖2c。V2P允許的最大輸入電壓對地應該不超過±0.5V，衰減網絡設計應易于修改。但是為保持通道1、通道2的相位響應一致，電阻R56(1kΩ)不應該改變。
主控MCU部分設計
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圖3. RS485通訊接口設計。 |
1．器件選擇
如圖1，主控MCU部分不僅需要準確采集實時有功脈沖信號，產生計量脈沖信號(采用同一信號源作為電量累計和計量，這很重要)，而且需要根據實時時鐘切換費率，保存分時電量及月電量切換，按照需求顯示電量以及相關數據。另外，由于一年中溫差顯著，對實時時鐘的頻偏不能滿足要求，因此需要實時檢測溫度變化，補償實時時鐘頻偏，以滿足各地對時間偏差的要求。為保證電量不丟失，還需要掉電檢測，及時保存電量。按照以上要求我們選擇MICROCHIP PIC16F76。為方便軟硬件設計，在外設上我們需用不同設備號I2C接口器件，如數據存儲24LC16、實時時鐘芯片RX-8025(帶校正功能)、溫度檢測芯片TCN75、LCD驅動芯片PCF8576C。
2．通訊接口設計
另外提供兩路物理上完全獨立的通訊接口(RS485和紅外)，供校表、編程和抄表用。在RS485接口設計中采用無間斷收發切換設計，改變了傳統三線方式接口設計。如圖3。
3. 掉電處理的兩點建議
硬件上，MCU供電電源整形電解電容的容量應該根據掉電檢測開始至完成電量存儲所需正常工作電壓所需的時間間隔來確定，建議使用2,200uF/16V電解電容。
軟件上一旦檢測到掉電，關閉中斷，所有不需用的輸入輸出口應遵循電流消耗最少的原則，置為輸入或輸出相應的電平，以保證有足夠的能量保存電量以及相關的信息。軟件設計流程如圖4所示。
抗EFT/EMI設計的幾點參考
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圖4：主程序流程框圖。 |
為了通過EFT高壓快速脈沖測試，設計中應該值得考慮的是：
a. 信號輸入端引線串接磁珠電感和磁環，雙絞線接入；
b. 市電相線和零線間接入壓敏電阻及脈沖吸收電容；
c. PCB布線時，高壓線路和相關區域需保持適當的安全距離，各路電源正負線路雙面交叉走線。
為了通過EMI，設計中應該考慮：PCB大面積鋪地布銅；模擬部分走線盡可能短；考慮芯片自身的電磁屏蔽。
PCB的布線以及元器件質量對電能表精度的影響
由于電能表工作環境較為惡劣，電流電壓回路與市電沒有隔離，且市電線路上諧波及浪涌干擾十分嚴重，環境溫度變化范圍大。所以模擬回路電氣參數的穩定，模擬部分PCB板設計和地線、電源線的布局尤其重要。
1．PCB布線的基本原則：
電流電壓部分走線應盡可能短；
地線鋪設面積盡可能大些；
數字地模擬地采用一點串接磁珠連接，有效防止數字地干擾串入模擬地。
2．元器件選擇原則：模擬部分元器件使用高精度SMT元件。