傳統感應式電能表用其結構和原理上的制約，通常存在著測量范圍小，穩定性差，精度低等缺點而不能適應社會發展的需要。隨著微電子技術和單片機的發展和普及，新型智能化測控技術迅速發展。以單片機為核心的電子式電能表顯示了其明顯的優勢。本文采用單片機作為儀表的主控制器，并由Cirrus Logic公司的電能計量芯片負責采集數據，因而具有性價比高，抗干擾能力強，測量精度高等優點。
1 電路工作原理
本設計采用開關穩壓電源，將220 V交流市電整流穩壓為模擬、數字兩路+5 V電壓，為整個電表電路供電。該系統通過電流互感器檢測電流信號，而通過分壓電阻采集電壓信號，然后將其送入單相功率／電能集成芯片CS5463內，并在片內完成信號采樣、計算和誤差校正等。整個過程在單片機PLC916控制下進行。其原理框圖如圖1所示。
2 專用計量芯片CS5463
CS5463是內含兩個△∑模-數轉換器(ADC)、高速電能計算功能和一個串行接口的高集成△∑模—轉轉換器。它可以精確測量和計算有功電能、瞬時功率、無功功率、IRMS和VRMS，可用于研制開發單相2線或3線電表。CS5463可以使用低成本的分流器或電流互感器來測量電流，并使用分壓電阻或電壓互感器來測量電壓。CS5463具有與微控制器通訊的雙向串口，其芯片的脈沖輸出頻率與有功能量成正比。CS5463具有方便的片上AC／DC系統校準功能。其“自引導”的特點使得CS5463能獨自工作，并在系統上電后自動初始化。在自引導模式，CS5463可從一個外部EEP-ROM中讀取校準數據和啟動指令。使用該模式，CS5463在工作時不需要外加微控制器，因此，當電表用于大批量住宅電能測量時，可降低電表的成本。
CS5463可以提供瞬時電壓／電流／功率數據采樣及有功能量、IRMS、VRMS的周期計算結果。為適應低價測量應用，CS5463也能在給定引腳上輸出脈沖串，輸出的脈沖數與有功能量寄存器的數值成正比。CS5463專為功率測量進行了優化，適合于與分流器或電流互感器相連來測量電流，并與分壓電阻或電壓互感器相連來測量電壓。為適應不同電平的輸入電壓，CS5463的電流通道集成有一個增益可編程放大器(PGA)，它可使輸入電平滿量程選擇為±250 mVRMS或±50 mVRMS。電壓通道的PGA可適應±250 mV的輸入電壓范圍。對于VA+和VA-兩端接單+5 V電源的情況，兩個通道的差模輸入引腳間所加的共模信號電壓為-0.25~+5 V。另外，設計時，還可以在某一個通道或兩個通道實現雙端差模輸入，此時，其輸入信號的共模電壓將加在AGND上。CS5463每通道都有一個高速數字濾波器，可將兩個△∑調制器的輸出衰減10倍并積分。濾波器以(MCLK／K)／1024的字輸出速率(OWR)輸出24位數據。為了方便與外部微控制器通訊，CS5463集成有一個簡單的三線串行接口。該串口與SPITM和Micro wireTM標準兼容。串口的串行時鐘(SCLK)和RESET引腳內包含有一個施密特觸發器，故可允許使用上升速度較慢的信號。
CS5463的主要特性如下：
◇在1000：1的動態范圍內，其電能數據的線性度為±0.1％；
◇可以測量瞬時電壓、電流和功率，包括IRMS和VRMS、視在功率、有功和無功功率以及有功的基波和諧波功率、無功的基波功率、功率因數、頻率等；
◇具有電能-脈沖轉換功能；
◇具有系統校準和相位補償功能；
◇帶有溫度傳感器；
◇具有兩種無功計算方式；
◇可以從串行EEPROM智能“自引導”，而不需要微控制器；
◇可AC或DC系統校準；
◇具有機械計度器／步進電機驅動器；
◇符合IEC687／1036，JIS工業標準；
◇功耗<12mW；
◇帶有優化的分流器接口；
◇帶有單電源地參考信號；
◇片內帶有2.5 V參考電壓(最大溫漂為25ppm/℃)；
◇帶有簡單的三線數字串行接口；
◇內帶電源監視器。
3 電源電路設計
開關穩壓電源具有功耗低，穩壓范圍寬，體積小，重量輕，安全可靠等優點，因此，目前電子設備的變壓器穩壓電源正逐漸被開關穩壓電源所取代。本系統中的電源電路如圖2所示。由于在檢測電路部分要用到CS5463，為了避免模數間的干擾，本系統在開關穩壓電源部分需要有兩路+5 V輸出。
交流電首先經過一個由保險絲和壓敏電阻組成的保護電路，保險絲主要起過流保護作用；壓敏電阻則起過壓保護作用。在正常工作情況下，電路的壓敏電阻相當于斷路。當電網電壓波動或受外界影響(如閃電，電源突然接入等)而引起電壓瞬間激增時，壓敏電阻會自動導通，并由壓敏電阻和保險絲組成回路。由于高壓下的壓敏電阻阻值較小，所以回路電流很大，保險絲自動斷開，這樣就起到了保護內部電路的作用。該保險絲是可以自恢復的，也就是說，它可以反復使用而無需更換。
L1和C1可消除信號中的尖峰波并抑制干擾。經L1、C1濾波后的信號接入到整流橋，再將從整流橋中輸出的高壓直流信號經過C2進行濾波后，即可得到電壓Vi。在圖2中，T1為高頻變壓器，它能夠快速存儲和釋放能量，經高頻整流濾波后即可獲得直流連續輸出。高頻變壓器T1的1腳和3腳為輸入初始繞組，4、5兩腳為反饋繞組，次級繞組分別為6，9腳和7，10腳(其中1，4，6，7為各繞組的同名端)。并且6，9繞組是主繞組，用它經進一步變換產生的+5 V直流穩壓電源可作為主電壓源，即數字電壓源(Vo1)；7，10繞組為輔繞組，用它經電容C8～C11濾波和78L05穩壓產生的+5 V直流穩壓電源為輔電壓源，即模擬電壓源(Vo2)。鑒于在TOP221Y內的功率MOSFET關斷瞬間，高頻變壓器的漏感會產生尖峰電壓，另外，在1，3初始繞組上還會產生感應電壓(即反向電動勢)，而且二者又會疊加在Vi上，使電壓嚴重增大，因而要求功率MOSFET能夠承受高壓。同時，還必須在漏極增加鉗位電路，以吸收尖峰電壓，保護TOP221Y內的功率MOSFET不受損害。本設計利用R1，C3，ZD1，D1組成鉗位電路。當MOSFET導通時，T1的初始繞組的電壓極性為(3端)為正，1端為負，此時D1截止，鉗位電路不起作用；而在MOSFET截止的瞬間，初始繞組變為1端為正，3端為負，此時D2導通，尖峰電壓就被R1和C3吸收掉。
