AT7022技术手册与应用笔记文档资料下载(三相多功能计量芯片)

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at7022资料


概述
ATT7022EU 是一颗精度高且功能强的多功能防窃电三相电能专用计量芯片，它集成了七路二阶sigma-delta ADC，其中三路用于三相电压采样，三路用于三相电流采样，还有一路可用于零线电流或其他防窃电参数的采样，输出采样数据和有效值，使用十分方便，该芯片适用于三相三线和三相四线应用。该芯片还集成了参考电压电路以及所有包括基波和全波(基波+谐波,以下简称全波)的各项电参数测量的数字信号处理电路，能够测量各相及合相全波有功功率、无功功率、视在功率、有功能量、无功能量以及视在能量（PQS、RMS 两种方式可选择）；基波有功功率、基波有功能量及基波电压、电流有效值，同时还能测量频率、各相电流及电压有效值、功率因数、相角、电压夹角等参数，充分满足三相多功能电能表以及基波电能表制作的需求。
ATT7022EU 内部的电压监测电路可以保证加电和断电时正常工作,提供一个 SPI 接口，方便与外部 MCU之间进行计量参数以及校表参数的传递。支持全数字域的增益、相位校正，即纯软件校表。有功、无功、视在及基波有功电能脉冲输出 CF1、CF2、CF3、CF4，可以直接接到标准表，进行误差校正。
一、 硬件电路设计
ATT7022EU 封装为 44 脚 LQFP 形式，外围硬件电路主要包括电源、电压及电流模拟输入、脉冲输出及SPI 通讯接口等电路。

摸拟输入电路
ATT7022EU 内部集成了 7 路 19 位 A/D 转换器，电流通道有效值在 0.1mV 至 500mV 的范围内线性误差小于 0.1%；电压通道有效值在 0.2mV 至 500mV 的范围内线性误差小于 0.1%；电压有效值取值在 0.2V到 0.5V（放大后的电压值，建议电压取样信号为 0.1V，电压通道的放大倍数选 2 倍），电流取值在 0.2mV至 500mV， 电能线性误差小于 0.1%。
每路 ADC 的交流输入由管脚 VxP 和 VxN 输入，以 GND 为中心，不再需要偏置电压。
三相表计量芯片的采样电压输入可采用电阻分压方式（如图 1）或电压互感器方式（如图 2），也可先将电压转换成电流，通过电流互感器，再将电流转换成电压的方式（如图 3、图 4），后 3 种方式采用了互感器，将芯片与电网进行了隔离，从而可以获得良好的抗干扰性能。


图中 VP 与 VN 是电网电压，图中的参数是对 220V 为参考电压而设计的，图 2 中的 PT 将电网电压（如 220V）变换为采样电压，图 3、图 4 中的 CT 是 1：1 的变换器（如 2mA 到 2mA）。电流采样都是通过电流互感器完成的，有以下几种接线方式。


图5与图 6 中 IA+、IA-是电流互感器的二次侧信号。第七路 ADC 输入也可参考这种接法。在采样输入信号设计时应注意以下几点：1、 无论任何输入方式，输入引脚的 VxP 和 VxN 均应偏置在 GND，否则不能准确计量。2、 为保证测量精度，芯片第 5 脚外接滤波电容应尽量靠近管脚处，走线粗短，远离其它信号线，且两个电容均不可省去。电容的接地点应与采样信号的地线尽可能短的连在一起。3、 VxP 和 VxN 输入电路中电阻 1.2K 和电容 0.01uF 构成了抗混叠滤波器，其结构和参数要讲究对称，并采用温度性能较好的元器件，从而保证电表获得良好的温度特性。4、 任意一相电流与电压反向时，芯片第 40 脚 REVP 输出高电平，据此可以判断接线是否有错。5、芯片的输入脚 SEL 接高电平为选择三相四线接线方式，接低电平为选择三相三线接线方式。6、三相三线电表采用两元件测量方式，B 相不参与电能计量，端子接线上用 VB 替代三相四线的 VN。电压采样输入 V4P 与 V4N、电流采样输入 V3P 与 V3N 可做为独立的信号输入，其电压、电流、功率、功率因数值可读 B 相相应的寄存器。电能脉冲输出电路下面是有功电能脉冲信号生成的过程框图：

电压、电流信号经变换后再相乘得到瞬时功率，对时间积分后成为电能信号，根据设定的合相能量累加模式将三相电能做绝对值相加或代数值相加运算，并将结果变换为频率信号，然后按照用户设定的分频系数进行分频，得到可用于校表的电能脉冲输出信号。下面是高频输出常数为 64 时的分频示意图，电能脉冲输出的脉宽为 90 毫秒，当脉冲周期小于 180毫秒时，电能脉冲以占空比为 1：1 的等宽脉冲输出。

无功电能脉冲信号则是计量电路中得到的无功瞬时功率，对时间积分后成为无功电能信号，再去生成无功电能脉冲信号，基波有功也是同样，它们都需要根据设定的合相能量累加模式将三相电能做绝对值相加或代数值相加运算，并将结果变换为频率信号，然后按照用户设定的分频系数进行分频，得到可用于校表的电能脉冲输出信号。脉宽和周期部分的生成都是一样的，其生成的过程总体框图如下：

由上图可见，通过寄存器（0x03）的控制位 HarEn 设置，可以开通基波的计量功能，此时 CF4 输出基波有功脉冲，基波抽取滤波器完成基波信号处理功能。其中基波抽取滤波器对高于 3 次(150Hz)以上的谐波信号进行衰减，仅保留基波成分，谐波衰减率在-30dB 以上，如下图：

说明：基波抽取滤波器对高于 3 次(150Hz)以上的谐波信号进行衰减，仅保留基波成分，谐波衰减率在-30dB 以上；在进行电能脉冲输出信号设计时应注意以下几点：1、选择合适的合相能量累加方式：三相电能以代数和或以绝对值和方式累加。ATT7022EU 复位后对三相四线表（SEL 接高电平或浮空），合相能量累加方式默认为绝对值和，对三相三线表（SEL 接地），合相能量累加方式默认为代数和。通过写校表寄存器 0x03 的控制位 EAddmode，可以改变合相能量累加方式。2、电能脉冲输出口 CF1、CF2、CF3、CF4 上所串电阻靠近管脚，如引线较长，可考虑在脉冲输出口管脚处接去耦电容，对电表获得良好的电磁兼容性有好处。电源电路下图是一个三相电源供电的原理图：

电源电路的设计对电表的性能尤为重要，为了保证良好的电磁兼容性，请注意以下几点：1、电源电压 VCC、AVCC 应在 3.3V±10%以内。2、建议在 3.3V 稳压元件 U2 的输出端接 2200uF 的滤波电容。3、GND 与 AGND 为数字和模拟电源参考点，在 PCB 布线时应将他们就近接大面积地，不要区分 GND 和AGND，更不要在 GND 和 AGND 之间接电感、电阻和磁珠等元件。

4、大面积铺地不要铺到整流元件之前，电压采样的固定电阻下面也不要铺地，做到强、弱电分开。5、去耦电阻 R16 及电容 C17、C18 靠近 IC 模拟部分保证较好的滤波效果。6、用电阻网络分压取样电路，VN 应经压敏电阻后接内部电路。与单片机的接口ATT7022EU 与单片机一般有 6 条连线，其中 4 条是 SPI 口线 CS、SCLK、DIN、DOUT，一条 ATT7022EU的复位控制线，一条握手信号线 IRQ，在应用中应注意：1、ATT7022EU 采用 3.3V 电源供电，在与 5V 电源工作的单片机连线时要做电平转换。2、SPI 通讯连线应尽可能短，并且周围用地线包起来,否则， SPI 传输信号线可能受到干扰。可以在 SPI信号线上串联一个 10Ω电阻并在信号输入端加一个去耦电容，这个电阻靠近 IC 的输入端并与所接去耦电容结合起来可构成一个低通滤波器，从而可以消除接受信号的高频干扰。在保证 SPI 通讯速率正常的情况下，去耦电容可适当选大，以增强抗干扰能力，注意 CS、SCLK、DIN 所串电阻和所并电容要尽量靠近芯片，DOUT 所串电阻和所并电容要靠近单片机。虽然 ATT7022EU 本身 SPI 读写有很完善的校验手段，其信号线加强抗干扰能力还是很重要的。3、单片机必须对 IRQ 信号或其状态进行监控。在上电或者 ATT7022EU 受干扰复位，必须由外部 MCU 通过SPI 口对校表数据进行更新，以保证计量的准确性。IRQ 信号就是用来通知外部 MCU 的一个握手信号。在单片机的 IRQ 输入口处接 0.01uF 的去耦电容，增强其抗干扰能力。当然也可以检测标志状态寄存器(地址：0x2C)的 bit.7 是否置位，以确定校表数据是否需要更新。4、为了在上电和单片机复位后，ATT7022EU 能与单片机同步的工作，ATT7022EU 的 RESET 信号需要由单片机控制，复位过程为 RESET 信号保持大于 20uS 低电平，芯片复位，此时 IRQ 输出高电平，然后单片机将 RESET 信号拉高，大约经 100uS 左右，ATT7022EU 完成初始化，IRQ 输出低电平信号，此后才能进行 SPI 操作。在 ATT7022EU 的 RESET 端口处接 0.1uF 的去耦电容，增强其抗干扰能力。

判断芯片工作是否正常在给 ATT7022EU 上电后，如何判断芯片是否正常工作了呢？应该从下面几个方面进行检查：1、 芯片上的电压是否正常。通电后 VCC、AVCC 应加 3.3V 电压，VDD（芯片第 39 脚）是由芯片内部产生，这个引脚主要用于外接滤波电容，不要做它用，也不要外灌电压，正常时为 1.8V。芯片的第 5脚为内部用参考电压，这个引脚的正常电压在 1.2V，是由内部电路产生的。2、 由于 ATT7022EU 计量部分采用了数字滤波器结构，所以为了保证测量精度，建议选用 5.5296MHz 的晶振，检查晶体振荡是否正常，频率及幅度是否符合要求。3、 RESET 信号（第 1 脚），正常工作时为高电平，如为低电平则芯片一直处于复位状态。4、IRQ 信号在复位后处于低电位，当正确接受到单片机的任意一次写操作约 2uS 后，IRQ就成为高电平。以上信号检查正常，说明芯片处在正常的工作状态，否则，应检查接线是否正确，有无短路、虚焊等故障。

二、电磁兼容设计电表的电磁兼容设计是保证电表可靠性的重要环节。针对 ATT7022EU 的应用，在此给出几点建议，供大家参考。PCB 布线的说明当正确的原理图设计完成后，需要将其转化为印刷线路板图，好的 PCB 设计，是获得良好的电磁兼容性能的基本保证。下图为应用 ATT7022EU 的一款 PCB。1、首先在元器件的布局上应注意强、弱电信号分开。