ATT7022：高精度三相電能計量芯片的全方位解析

在電力計量領(lǐng)域，高精度的三相電能計量芯片至關(guān)重要。珠海炬力集成電路設(shè)計有限公司的ATT7022芯片，以其卓越的性能和豐富的功能，成為眾多工程師的首選。下面將從芯片介紹、系統(tǒng)功能、校表方法、應(yīng)用舉例以及電氣特性等方面，對ATT7022芯片進行詳細剖析。

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芯片介紹

芯片特性

ATT7022芯片在電能測量方面表現(xiàn)出色。有功測量滿足0.5S/0.2S標準，支持IEC 687/1036、GB/T 17883 - 1999；無功測量滿足2級、3級，支持IEC 1268、GB/T 17882 - 1999。它適用于三相三線和三相四線系統(tǒng)，能測量瞬時有功、無功、視在功率，以及有功、無功能量，還可測量功率因數(shù)、相位、頻率、電壓和電流有效值等參數(shù)。同時，提供分相以及合相參數(shù)，具備相序以及斷相檢測功能，合相能量累加模式可選（代數(shù)加/絕對值相加），三相四線時提供三相電流向量和之有效值。此外，芯片直接提供有功、無功校表脈沖輸出，電表常數(shù)和起動電流可調(diào)，支持正向和反向有功電能數(shù)據(jù)及反向有功指示功能，提供四象限無功參數(shù)，支持軟件調(diào)試電表，可測量到21次以上諧波的有功和無功功率，具有SPI接口，方便與外部MCU通訊，采用單 + 5V供電，采用QFP44封裝。

功能簡介

ATT7022是高精度三相電能專用計量芯片，集成了六路二階sigma - delta ADC、參考電壓電路以及所有功率、能量、有效值、功率因數(shù)以及頻率測量的數(shù)字信號處理等電路。能測量各相以及合相的多種參數(shù)，充分滿足三相復(fù)費率多功能電能表的需求。支持全數(shù)字域的增益、相位校正，即純軟件校表，有功、無功電能脈沖輸出CF1、CF2可直接接到標準表進行誤差校正。提供SPI接口，方便與外部MCU傳遞計量參數(shù)以及校表參數(shù)，內(nèi)部的電壓監(jiān)測電路可保證加電和斷電時正常工作。

引腳定義

ATT7022芯片的引腳功能豐富。例如，RESET引腳為復(fù)位管腳，低電平有效；SIG引腳在上電復(fù)位或異常重啟時變?yōu)榈碗娖剑瑢懭胄１頂?shù)據(jù)后變?yōu)楦唠娖?；V1P/V1N等為電流信道正、負模擬輸入引腳；REFCAP引腳可外接基準2.4V；CF1、CF2分別為有功、無功電能脈沖輸出引腳；CS、SCLK、DIN、DOUT為SPI接口相關(guān)引腳等。不同引腳各司其職，共同保證芯片的正常運行。

系統(tǒng)功能

電源監(jiān)控電路

芯片片內(nèi)包含電源監(jiān)控電路，連續(xù)對模擬電源進行監(jiān)控。當電源電壓低于4V ± 5%時，芯片將被復(fù)位，有利于上電和掉電時芯片的正確啟動和正常工作。同時，電源監(jiān)控電路安排在延時和濾波環(huán)節(jié)中，可防止電源噪聲引發(fā)的錯誤。為保證芯片正常工作，需對電源去耦，使電源波動不超過5V ± 5%。

模數(shù)轉(zhuǎn)換

片內(nèi)集成了6路16位的ADC，采用雙端差分信號輸入，最大輸入電壓是1.5V，建議電壓通道Un對應(yīng)到ADC的輸入選在0.5V左右，電流通道Ib時的ADC輸入選在0.1V左右。

計量模塊

1. 數(shù)字信號處理框圖：通過一系列數(shù)字信號處理完成各項參數(shù)的測量。
2. 計量原理簡介
   • 基本參數(shù)測量原理：包括電流有效值、功率因數(shù)、三相三線合相功率、三相四線合相功率、單相有功平均功率、單相無功平均功率、有功能量等的計算。
   • 信號處理模塊說明：數(shù)字高通濾波器用于去除電流、電壓采樣數(shù)據(jù)中的直流分量；數(shù)字移相濾波器對電壓信號移相90度，無功計量帶寬限制在1500Hz以內(nèi)；有功功率計量通過對去直流分量后的電流、電壓信號進行乘法、加法、數(shù)字濾波等處理得到；無功功率計量算法與有功類似，只是電壓信號采用移相90度之后的；四象限功率測量可同時提供有功、無功參數(shù)；視在功率、功率因數(shù)、相角測量基于有功功率和無功功率運算得到；有效值測量通過對電流、電壓采樣值進行平方、開方以及數(shù)字濾波等運算得到；能量計算通過將功率信號對時間進行積分得到。
3. 脈沖輸出：通過高頻脈沖輸出寄存器可設(shè)定脈沖輸出頻率，用于儀表的校驗。

參數(shù)輸出

1. 計量參數(shù)寄存器定義：包含眾多寄存器，如各相有功功率、無功功率、視在功率、電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、相角、頻率、電能等寄存器，每個寄存器都有特定的地址和功能。
2. 計量參數(shù)寄存器說明：三相電流之和均方根可檢測三相平衡負載狀態(tài)；工作狀態(tài)寄存器記錄各相電能溢出情況及校表數(shù)據(jù)請求；相序、斷相寄存器可指示相序和斷相情況；SPI校驗寄存器用于SPI寫入數(shù)據(jù)的校驗；有功電能以及無功電能寄存器在不考慮正負性時進行累計；特殊電能寄存器可完成四象限無功測量及分別測量輸入、輸出有功能量；部分寄存器讀取后會清零，部分則不會。
3. 寄存器參數(shù)格式化：介紹了有效值、功率、功率因數(shù)、相角、線電壓頻率、能量等參數(shù)的計算方法和單位。

通信接口

計量參數(shù)通過SPI提供給外部MCU。SPI接口有特定的信號時序圖和命令格式，工作過程為先寫入8 Bits的命令字，可能需要等待時間，然后讀取24 Bits的數(shù)據(jù)。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時MSB在前，LSB在后，CK為高時更新DI或DO上的數(shù)據(jù)，每個寄存器的讀或?qū)懶璨僮饕淮蜟S。

校表方法

校表模式介紹

ATT7022支持全數(shù)字校表，即軟件校表。功率校正主要對比差以及角差進行修正，比差校正可對互感器比差進行分段補償，角差修正最多可提供五個補償區(qū)域，建議先完成比差修正，再進行角差修正。此外，還可通過寄存器對電流、電壓有效值進行修正，脈沖輸出頻率可通過HFConst寄存器設(shè)定，啟動電流通過Istartup寄存器設(shè)置。

校表寄存器定義

眾多校表寄存器各有其功能，如Iregion1 - 4用于相位補償區(qū)域設(shè)置，PgainA0/1等用于功率增益校正，PhsregA0 - 4等用于相位校正，UgainA - C用于電壓增益校正，IgainA - C用于電流增益校正等。

校表步驟及參數(shù)計算

1. 校表步驟：有特定的校表流程圖。
2. 參數(shù)計算：包括高頻輸出參數(shù)HFConst、比差分段補償區(qū)域設(shè)置Iregchg、相位補償區(qū)域設(shè)置Iregion1 - 4、功率增益校正PgainA0/1等、相位校正PhsregA0 - 4等、啟動電流Istartup、電壓增益校正UgainA - C、電流增益校正IgainA - C、斷相閾值電壓設(shè)置FailVoltage、合相能量累加模式EnergyAddMode等的計算方法。

通信接口

校表數(shù)據(jù)通過SPI寫入ATT7022。SPI接口有特定的命令格式和工作過程，特殊命令包括0x80（校表起始命令字）、0xC3（清校表數(shù)據(jù)命令）、0xD3（軟件復(fù)位命令）。

應(yīng)用舉例

系統(tǒng)概述

采用ATT7022設(shè)計的三相電能表具有低成本、高精度、多功能、復(fù)費率等特點，適用于三相四線制系統(tǒng)，有功功率精度滿足0.5S，無功功率精度滿足2級，通過改變設(shè)置可適應(yīng)三相三線制系統(tǒng)，還可擴展外圍電路實現(xiàn)更多功能。ATT7022內(nèi)部包含六路模數(shù)轉(zhuǎn)換器、基準電壓源、串行通信接口和數(shù)字信號處理器，可直接輸出有功、無功電能脈沖，外加MCU主要完成通訊、顯示、復(fù)費率管理以及提供校表參數(shù)等功能。

設(shè)計規(guī)格

依據(jù)0.2S級和0.5S級靜止式交流有功電度表國家標準GB/T 17883 - 1999設(shè)計，滿足三相四線制系統(tǒng)應(yīng)用，采用互感式接入?；炯夹g(shù)指標包括精度、儀表常數(shù)、額定電壓、額定電流、最大電流、啟動電流等，功能要求包括液晶顯示、串口通訊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、復(fù)費率實現(xiàn)、校表參數(shù)傳送等，校表儀器有河南思達JCD3060三相精密測試電源和深圳科陸CL311E三相標準電能表（0.05級）。

硬件設(shè)計

1. 互感器選擇：為滿足精度要求，選擇合適規(guī)格的電流互感器和電壓互感器，使額定電流、額定電壓輸入時，電流、電壓差動輸入電壓有效值分別在0.1V和0.5V左右。
2. 抗混疊濾波器：采用簡單的RC低通濾波器作為抗混疊濾波器，防止采樣失真，但元件容差可能導(dǎo)致相位失配，可與互感器角差一起校正。
3. MCU模塊：選用ATMEL的AT89C52單片機，內(nèi)含8K Flash程序空間以及256 Bytes的RAM，晶體選用3.58M，采用MAX232作為RS232電平轉(zhuǎn)換，LCD顯示驅(qū)動芯片選用HOLTEK的HT1621。
4. 三相電能表工作原理圖：展示了整個系統(tǒng)的工作原理。

軟件設(shè)計

包括單片機軟件和上位機（PC）軟件兩部分。單片機軟件包括復(fù)費率管理程序、LCD顯示程序、通訊程序以及異常處理程序等；上位機軟件包括集中抄表部分和校表軟件，校表軟件根據(jù)手冊提供的校表參數(shù)計算公式計算校表系數(shù)，并通過通訊接口發(fā)送給單片機，再由單片機將校準數(shù)據(jù)寫入EEPROM中保存。

校驗電表

根據(jù)基本設(shè)計指標，設(shè)置高頻輸出參數(shù)HFConst、比差分段補償區(qū)域Iregchg、相位補償區(qū)域、功率增益校正、相位校正、啟動電流、電壓校正、電流校正等參數(shù)。

測試結(jié)果

有功誤差和無功誤差在不同負載情況下的測試結(jié)果表明，ATT7022芯片在各種負載條件下都能保持較高的測量精度，滿足設(shè)計要求。

電氣特性

電氣參數(shù)

包括電源電壓VCC、VDD，基準電源，輸入電壓范圍，輸出電壓VOH、VOL，邏輯輸入輸出電壓，參考電壓輸出阻抗，電源電流，ADC位數(shù)、采樣速率、動態(tài)范圍、總諧波失真、通道干擾，晶體頻率，溫度范圍等參數(shù)，為芯片的使用提供了詳細的電氣性能參考。

芯片封裝

采用44Pin QFP（Quad Flat Package 10X10）封裝，文檔還給出了封裝的具體尺寸和相關(guān)參數(shù)。

ATT7022芯片憑借其豐富的功能、高精度的測量能力和靈活的校表方式，在三相電能計量領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。電子工程師在設(shè)計相關(guān)產(chǎn)品時，可充分利用其特性，開發(fā)出性能優(yōu)良的電能表等設(shè)備。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似芯片的使用問題呢？歡迎交流分享。