二、专用计量芯片CS5463
1、CS5463计量芯片功能简介
CS5463是内含两个△∑模-数转换器(ADC)、高速电能计算功能和一个串行接口的高集成△∑模—转转换器。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、无功功率、IRMS和VRMS，可用于研制开发单相2线或3线电表。CS5463可以使用低成本的分流器或电流互感器来测量电流，并使用分压电阻或电压互感器来测量电压。CS5463具有与微控制器通讯的双向串口，其芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5463具有方便的片上AC／DC系统校准功能。其“自引导”的特点使得CS5463能独自工作，并在系统上电后自动初始化。在自引导模式，CS5463可从一个外部EEP-ROM中读取校准数据和启动指令。使用该模式，CS5463在工作时不需要外加微控制器，因此，当电表用于大批量住宅电能测量时，可降低电表的成本。
CS5463可以提供瞬时电压／电流／功率数据采样及有功能量、IRMS、VRMS的周期计算结果。为适应低价测量应用，CS5463也能在给定引脚上输出脉冲串，输出的脉冲数与有功能量寄存器的数值成正比。CS5463专为功率测量进行了优化，适合于与分流器或电流互感器相连来测量电流，并与分压电阻或电压互感器相连来测量电压。为适应不同电平的输入电压，CS5463的电流通道集成有一个增益可编程放大器(PGA)，它可使输入电平满量程选择为±250 mVRMS或±50 mVRMS。
电压通道的PGA可适应±250 mV的输入电压范围。对于VA+和VA-两端接单+5 V电源的情况，两个通道的差模输入引脚间所加的共模信号电压为-0.25~+5 V。另外，设计时，还可以在某一个通道或两个通道实现双端差模输入，此时，其输入信号的共模电压将加在AGND上。CS5463每通道都有一个高速数字滤波器，可将两个△∑调制器的输出衰减10倍并积分。滤波器以(MCLK／K)／1024的字输出速率(OWR)输出24位数据。为了方便与外部微控制器通讯，CS5463集成有一个简单的三线串行接口。该串口与SPITM和Micro wireTM标准兼容。串口的串行时钟(SCLK)和RESET引脚内包含有一个施密特触发器，故可允许使用上升速度较慢的信号。 CS5463的主要特性如下：
1）在1000：1的动态范围内，其电能数据的线性度为±0.1％； 2）可以测量瞬时电压、电流和功率，包括IRMS和VRMS、视在功率、有功和无功功率以及有功的基波和谐波功率、无功的基波功率、功率因数、频率等；
3）具有电能-脉冲转换功能； 4）具有系统校准和相位补偿功能； 5）带有温度传感器； 6）具有两种无功计算方式；
7）可以从串行EEPROM智能“自引导”，而不需要微控制器； 8）可AC或DC系统校准；
9）具有机械计度器／步进电机驱动器；
10）符合IEC687／1036，JIS工业标准； 11）功耗<12mW；
12）带有优化的分流器接口； 13）带有单电源地参考信号；
14）片内带有2.5 V参考电压(最大温漂为25ppm/℃)； 15）带有简单的三线数字串行接口； 16）内带电源监视器。
2、CS5463计量芯片的内部结构
CS5463的内部结构框图如图1所示，它由2个可编程增益放大器、2个△-∑调制器、配套的高速滤波器、功率计算引擎、偏臵和增益校正、功率监测、串行接口及相应功能寄存器等组成。2个可编程放大器采集电压和电流数据，△-∑调制器对模拟量采样处理，高速数字低通或可选的高通滤波器滤取可用电压电流数字信号，功率计算引擎计算各类型的功率，电压、电流，并将计算的功率值通过串行接口对外输出，既可以接EEPROM，也可以接微控制器。该电路还有能量脉冲信号输出模块，可以直接外接计数器或步进电机，从而省去微控制器而直接外送用电量，降低电表类产品的成本。
3、CS5463计量芯片的引脚功能
VA+/VA-：正负模拟电源，+5 V/0 V或+2.5 V/-2.5 V供电； VD+/DGND：数字电源和数字地，+5V/0V供电；
PFMON：掉电监视器，监视模拟电源状况。
VIN+/VIN-：电压通道的差模模拟输入，范围是±250mV；
IIN+/IIN-：电流通道的差模模拟输入，范围是±50 mV(PGA设臵为50×时)；
VREFIN/VREFOUT：参考电压输入/输出，为片上调制器提供参考电压及其输出，通常为2.5 V。
MODB模式选择，用于配臵CS5463自引导模式； RESET/INT：复位及中断；
CS：片选信号，为低电平时，端口可识别串行时钟等信号。 SCLK：串行时钟输入，该时钟信号确定SDI、SDO的输入/输出速率，只在CS低电平时有效； SDI/SDO：串行数据输入/输出；
E1/E2/E3(EOUT)：能量输出，输出低电平有效、频率和能量成比例关系的脉冲，3个引脚分别对应有功功率、视在功率和无功功率。
4、CS5463计量芯片的工作原理 4.1 输入滤波
电压和电流通道的输入模拟信号送入可编程PGA进行增益放大，放大后由△-∑调制器以一定的采样速度采样，采样的结果再进行高速数字滤波，得到符合要求的数字信号。电压输入通道采用二阶△-∑调制器，高速滤波器由一个固定的Sinc2滤波器实现；电流通道采用四阶△-∑调制器，并用一个Sinc4滤波器实现，与电压通道的范
围相比，可以在输入跨度更大的情况下实现电流通道的精确测量。2个通道的数据接着通过2个FIR补偿滤波器来补偿通过低通滤波器后产生的幅值损耗。另外，2个通道都提供了一个可选的高通滤波器(HPF)，它可以在有效值、电能计算之前除去电压和电流信号中的直流成分。
4.2 增益及DC偏移量调整
滤波后的瞬态电压和电流的数字量将进行偏移量和增益调整，这是基于DC偏移量寄存器(加法运算)和增益寄存器(乘法运算)的调整。调整后的24位瞬态数据采样值将存入瞬态电压和电流寄存器，用户可以通过串口从中读出采样数据。
4.3 能量计算
以有功功率的计算为例，采样得到瞬态电压和电流的数字量，把每对瞬态电压和电流的数据相乘，得到瞬时有功功率的采样值。每个A/D采样周期后，新的瞬态功率采样值就存入功率寄存器，N个瞬时功率采样值为一组，每组的值累加和用于计算以后放在能量寄存器中的数值，它与电路在N个A/D转换周期中的有功功率值成正比。同样原理，电压和电流有效值也利用最近的N个瞬态电压、电流采样值计算，并可从RMS电压和电流寄存器中读出。
4.4 串行接口
CS5463的串行接口使用了包括2条控制线CS、SCLK和2条数据