Измерительные ИС фирмы Analog Devices

К измерительным ИС фирмы Analog Dialog относятся: AD7750, ADE7751/52/55/57 и перспективные ADE7731/32/35/37 - с частотным выходом; ADE7753/54/56/59 и перспективные ADE7730/58 - с цифровым выходом. Отметим, что среди перспективных ИС - 4 с частотным выходом (с выходом на электромеханический индикатор) и две - с цифровым [5]. То есть микросхемы с частотным выходом и электромеханическим индикатором не сдают своих позиций в конкуренции с микросхемами с цифровым выходом и ЖКИ.

Ниже даётся краткая характеристика особенностей ИС, сначала первой из указанных, затем второй группы. Основные параметры ИС AD775x и ADE775x приведены в таблице. Отметим, что рассматриваемые ИС предназначены, в основном, для измерений в цепях промышленной частоты 50/60 Гц - от 45 до 65 Гц. Однако они обладают более широкими возможностями. Частотный диапазон их входных сигналов - от 0 (постоянный ток) и, в зависимости от типа ИС, до 3,5, 7 или 14 кГц. Кроме того, они могут быть использованы не только для "счёта" электроэнергии, но и для других измерительных или вычислительных целей.

ИС AD7750 [6,7] является первой в ряду микросхем, выпускаемых фирмой Analog Devices для счётчиков электроэнергии. Её схема, соответствующая приведенной на рис. 1, положена в основу других ИС. Входной усилитель канала "Дат. I" используется при одном из двух значений коэффициента усиления K_усI, равном 1 или 16. Чтобы возможный дрейф нуля при измерении слабого сигнала (например, при шунтовом датчике и KусI = 16) не приводил к погрешности, преобразованный в АЦП сигнал пропускают через ФВЧ (на рис. 1 не показан). Поскольку ФВЧ вызывает опережение по фазе, после него включено устройство временной задержки, компенсирующей фазовый сдвиг на частоте 50 Гц. ФВЧ и устройство задержки могут быть отключены (например, при использовании трансформаторного датчика тока с более высоким выходным сигналом и K_усI = 1). При их отключении возможно применение ИС и для измерения мощности в цепи постоянного тока, но с шунтовым датчиком тока. В канале "Дат. U" используется усилитель с постоянным коэффициентом усиления K_усU = 2. Корректирующего ФВЧ в канале "Дат. U" нет.

ИС AD7750 обладает дополнительными особенностями. Одной из них является то, что в ИС обеспечивается измерение не только положительных, но и отрицательных значений P_a. В связи с этим частотно-модулированные сигналы преобразователей "F₁/F₂" и "CF" могут быть двух видов со значениями частот:

F_F1/F2 = k_PF_max и F_CF = k_CFF_F1/F2, (8)

где: k_P - коэффициент пропорциональности, выбираемый в зависимости от номинальных значений U_U и U_I на входах ИС, коэффициентов усиления усилителей, а также величины опорного напряжения (номинал 2,5 В); F_max - максимальное значение частоты, определяемое преобразователем "F₁/F₂" и зависимое также от тактовой частоты (номинал 3,58 МГц); k_CF - дополнительный коэффициент для частоты преобразователя "CF", равный 8, 16 или 32;

F_F1/F2 = (1 ± k_P)F_max и F_CF = k_CFF_F1/F2 (9)

с начальным (средним) значением частоты, изменение которой пропорционально измеряемой мощности и может быть положительным или отрицательным.

Значения F_max равны 6,8 или 13,6 Гц, а значения k_P - согласно приводимой в [6] формуле. Первый вид сигнала (8) используется для однополярных значений, а второй вид (9) - для двухполярных значений измеряемой мощности. Значения k_PF_max могут быть 1,45 и 2,9 Гц, k_CFF_max - 109 и 218 Гц, а k_CFk_PF_max - согласно таблице в [6]. Указанные значения приведены для частоты сети 50 Гц. В [6] приводятся также значения указанных параметров, используемые при измерениях мощности в цепях постоянного тока. Если измеряемая мощность оказывается отрицательной, на выводе “RevP” возникает последовательность положительных импульсов, соответствующих (по времени) импульсам F₁/F₂.

Другой особенностью ИС AD7750 является то, что преобразователь "CF" может быть использован для формирования сигналов, частотно-модулируемых не только измеряемыми средними значениями P_a, но и мгновенным значениям напряжения сети и тока в нагрузке. Для этого используется сигнал второго вида (9) со средней частотой k_CFF_max = 218 Гц и изменением частоты в пределах до ±142 Гц.

ИС ADE7751 (AD7751) [6,8] отличается от AD7750 более широкой полосой частот входных сигналов - от 0 до 14 кГц (в AD7750 - до 3,5 кГц), но основным её отличием является то, что она имеет два коммутируемых канала для измерения тока. К AD7751 подключаются два датчика тока, один из которых включается в фазный провод нагрузки, другой - в нейтральный. Основным является измерение в фазном проводе, но если выходное напряжение датчика тока упадёт на 12,5% по сравнению с напряжением датчика в нейтральном проводе, автоматически включится последний. В общем при работе микросхемы включаться будет тот датчик тока, напряжение которого будет превышать напряжение другого на указанные 12,5%. Об указанном рассогласовании, независимо от того, какой датчик включен, микросхема будет сигнализировать уровнем "1" на выводе FAULT. ИС ADE7751, контролируя ток в обоих проводах одной и той же двухпроводной цепи, обеспечивает максимальную защиту от несанкционированного потребления электроэнергии.

Входные усилители канала измерения тока ("Дат. I") имеют четыре значения коэффициента усиления K_ycI = 1, 2, 8 и 16, соответствующие максимальным входным напряжениям ±660, ±330, ±82 и ±41 мВ (пиковые значения на дифференциальном входе). Максимальное входное напряжение канала "Дат. U" равно ±660 мВ. Измерение отрицательной мощности в ADE7751 (а также в ADE7752/55) сопровождается наличием на выходе "RevP" положительных импульсов, соответствующих, в отличие от AD7750, импульсам CF.

В ADE7751 (а также в ADE7752/55/57) выходной сигнал F₁/F₂ пропорционален активной мощности в соответствии с (1), а выходной сигнал CF, будучи более высокочастотным, также пропорционален ей, но содержит остаточные пульсации 100 Гц, имеющиеся на выходе ФНЧ, включенном после перемножителя (рис. 1). Этот сигнал с пульсациями (на выходе ФНЧ), уровень которых может составлять -22 дБ, называется в [6] instantaneous real-po-wer signal (сигнал перед ФНЧ — instantaneous power signal). Указанные пульсации следует иметь в виду при использовании сигнала CF (пульсации "фильтруются", например, при использовании счётчика импульсов на выходе "CF").

ИС ADE7752 [6] предназначена для измерения активной мощности в нагрузке трёхфазной сети - в соответствии с двумя методиками измерений, рассмотренными выше. ИС имеет три канала, каждый - с двумя входами для подключения датчиков тока и напряжения. Сигналы трёх ФНЧ, включенных после перемножителей в каждом из каналов, суммируются и в виде суммарного сигнала Pa подаются на преобразователи "F1/F2" и "CF".

Для измерения мощности в 4-проводной сети (с нейтральным проводом) в [6] рекомендуется применение трёх резистивных датчиков (делителей) напряжения и трёх трансформаторных датчиков тока. Датчики напряжения подключены к каждой из фаз относительно нейтрального провода, а датчики тока, соответственно, - в фазные провода.

Для измерения мощности в трёхпроводной трёхфазной сети используются два резистивных датчика напряжения, подключенных к двум фазам относительно третьей, и два трансформаторных датчика тока, включенных в фазные провода тех же двух фаз. При этом используются только два канала ИС.

ИС ADE7755 (AD7755) [6-8] аналогична ADE7751, но имеет один канал измерения тока. Коэффициент усиления входного усилителя канала "Дат. I" KусI = 1, 2, 8 и 16, но максимальные входные напряжения, в отличие от ADE7751, составляют ±470, ±235, ±60 и ±30 мВ. Максимальное входное напряжение канала "Дат. U" равно ±660 мВ.

ИС ADE7757 [6]. Микросхема упрощена. Коэффициенты усиления входных усилителей не программируются. Корпус - меньшего размера, с 16 выводами (тогда как другие микросхемы - с 20 и 24 выводами). ADE7757 имеет собственный тактовый генератор, что упрощает счётчик в целом, так как отпадает необходимость во внешне подключаемом кварцевом резонаторе. Длительности выходных импульсов почти в два раза больше, чем в других ИС: 531 мс (F1/F2) и 173 мс (CF).

ИС ADE7753 [6] является новой разработкой фирмы Analog Devices. Она относится к группе ИС с цифровым выходом и использована выше в качестве примера при рассмотрении ИС этой группы. Помимо измерения P_a, в ADE7753 определяются P_r и P, причём P_r определяется подобно P_a, но после предварительного фазового сдвига на 90°, а P — как произведение Uэфф и Iэфф согласно (1). Кроме того, определяются E_a, E_r и E и производится преобразование данных измеряемой E_a в частоту (выход "CF"). Помимо указанных величин, на выход могут поступать значения Uэфф и Iэфф, а также отсчёты мгновенных значений U и I (в режиме Sampled Waveform).

ADE7753 может использоваться с датчиком тока любого типа, в том числе с дифференцирующим трансформатором. В связи с этим в канале измерения тока имеется интегратор, который может быть отключен, если используется шунт или трансформатор тока.

ИС ADE7754 [6] — трёхканальная, поскольку, как и ADE7752, предназначена для измерений в трёхфазных (3- и 4-проводных) сетях. Но в каждом канале, в отличие от ADE7752, имеются фазосдвигающие цепи для измерения P_r. Для определения суммарных P_a и P_r данные измерений каждой фазы суммируются. При этом обеспечивается измерение E_a и E, Uэфф и Iэфф. Кроме того, берутся отсчёты мгновенных значений U и I (в режиме Sampled Waveform). В качестве датчика тока могут использоваться шунт или трансформатор тока, но не дифференцирующий, так как интегратор в цепи измерения тока отсутствует. С выхода "CF" снимается сигнал, пропорциональный P_a.

ИС ADE7756 [6-8] — одноканальная, предназначена для измерений в однофазной цепи. Измеряются P_a и E_a, берутся отсчеты U и I, на выходе "CF" - сигнал, пропорциональный P_a. Для определения E_a используется 40-разрядный накопительный регистр (в ADE7753 — 53-разрядный), обеспечивающий время полного цикла интегрирования, равное 11,53 с (для ADE7753 — 100 с), при тех же f_T = 3,58 МГц и f_д ~ 0,9 МГц. Делитель уровня сигнала на входе накопительного регистра в ADE7756 отсутствует. Разрядность выходных данных: P_a и E_a - 40 бит, U и I - 20 бит. В [6,8] рассмотрено применение ADE7756 для измерения суммарного потребления в двух фазах двухфазной (с разностью фаз 180°) цепи.

ИС ADE7759 [6,8] подобна ADE7756, но дополнительно содержит интегратор в канале измерения тока, обеспечивающий возможность использования датчика тока типа "di/dt". Разрядность выходных данных P_a, E_a, а также U и I — 40 бит.

Основные параметры рассмотренных ИС приведены в таблице. Рабочий диапазон температур - от -40 до +85°C, диапазон хранения - от -65 до +150°C. Напряжение питания — 5 ± 0,25 В (токи потребления указаны в таблице).

Рассмотренные ИС (второй группы) содержат также температурные датчики, контролирующие температуру, и другие устройства.

При использовании ИС следует руководствоваться документацией фирмы, в частности [6-8]. Наряду с ИС, фирма Analog Devices поставляет оценочные платы ([8] и др.), обеспечивающие оценку ИС, их изучение и отработку схем счётчиков. Рекомендации по применению ИС можно получить в НПФ VD MAIS являющейся официальным (авторизованным) дистрибьютором фирмы Analog Devices в Украине, а также найти в [1, 5].