Nguyên lý IC đo công suất AD7755

Cấu trúc và chức năng của AD7755
AD7755 kết hợp dùng Vi điều khiển AVR32 để đo năng lượng điện với độ
chính xác rất cao. Mạch tương tự duy nhất được dùng trong AD7755 là trong các
bộ ADC. Tất cả các quá trình xử lý tín hiệu khác như nhân, lọc đều được thực hiện
trong một dải số. Điều này sẽ đảm bảo độ ổn định và chính xác ngay trong điều
kiện môi trường khắc nghiệt và trong thời gian dài.
AD7755 đưa ra thông tin về giá trị công suất thực trung bình trên đầu ra tần số
thấp F1 và F2. Những đầu ra logic này có thể được sử dụng để điều khiển công tơ
điện tử hay để kết nối với một vi điều khiển. Đầu ra logic CF đưa ra thông tin về
công suất thực tức thời. Đầu ra này được sử dụng cho mục đích hiệu chỉnh, hay để
ghép nối tới một khối vi điều khiển.

Hình 3.8. Sơ đồ khối AD7755.


Hình trên là sơ đồ khối chức năng của AD7755. AD7755 gồm một mạch
nguồn ở chân AVDD. AD7755 sẽ vẫn ở trong tình trạng bị reset cho đến khi điện áp
cấp chân AVDD được 4V. Nếu nguồn cấp giảm đi nhỏ hơn 4V thì AD7755 sẽ cũng
sẽ bị reset và sẽ không có xung nào được phát ra tại chân F1, F2 và chân CF.
Sơ đồ mạch pha bên trong bảo đảm kênh điện áp và kênh dòng là pha thích
hợp cho dù bộ lọc thông cao HPF trong kênh Channel 1 (kênh dòng) là On hay
Off. Một giới hạn không tải bên trong đảm bảo cho AD7755 khi không có tải.
Trong AD7755 gồm có 1 kênh dòng và 1 kênh áp, các tín hiệu được đưa vào là các
tín hiệu dạng tương tự, sau khi được chuẩn hóa qua bộ chuyển đổi tương tự số
ADC mạch lọc thông sẽ đưa thành đầu ra dạng tần số. Các tín hiệu đầu ra đuợc
ghép nối vi điều khiển thực hiện hiển thị.
. Chức năng các chân của AD7755.
Chân
1

Ký hiệu

VSS

Mô tả
Cấp nguồn số. Chân này cấp nguồn điện
áp cho mạch số trong AD7755. Điện áp
cấp nên được duy trì mức 5V ± 5% cho
mạch hoạt động. Chân này phải được
tách bằng 1 tụ 10uF mắc song song với
1 tụ gốm 100nF.

2

VDD

Bộ lọc thông cao. Đầu vào logic này
được dùng để kích hoạt bộ lọc HPF
trong kênh 1( kênh dòng điện). Mức
logic 1 cho phép HPF hoạt động. Đáp
ứng pha của bộ lọc này được bù ngoài
dải tần số từ 45 Hz đến 1 KHz. HPF nên


được kích hoạt trong các ứng dụng đo
công suất.
3

Vee

Cấp nguồn tương tự. Chân này cấp điện
áp nguồn cho mạch tương tự trong

AD7755. Nguồn nên được duy trì ở mức
5V ± 5%. Nên tối thiểu hóa gợn sóng
và nhấp nhô cho nguồn cấp tại chân này
bằng cách dùng mạch tách riêng. Chân
này phải được tách với AGND bằng 1 tụ
10uF song song với 1 tụ gốm 100nF.

4, 19

NC

Không nối.

5, 6

V1P,V1N

Các đầu vào tương tự cho kênh 1 ( kênh
dòng điện ). Các đầu vào này là các đầu
vào điện áp vi sai với tín hiệu vi sai lớn
nhất lên tới ± 470mV. Kênh 1 cũng có
PGA và lựa chọn bộ khuêch đại. Tín
hiệu lớn nhất tại các chân này là ± 1V.
Cả hai đầu vào này đều có mạch bảo vệ
bên trong và ngoài ra chịu được quá tải
± 6V mà không lo bị phá hủy lâu dài.

7, 8

V2N,V2P

Đầu vào âm và dương cho kênh 2 ( kênh
điện áp ). Các đầu vào này là cặp đầu
vào vi sai. Điện áp vi sai lớn nhất là ±
660mV. Tín hiệu lớn nhất tại các chân


này là ± 1V. Chúng đều có mạch bảo vệ
bên trong và chịu được quá tải ± 6V mà
không lo bị phá hủy lâu dài.
9

RESET

Thiết lập lại chân cho AD7755. Một
mức logic thấp ở chân này sẽ giữ các bộ
ADC và mạch số trong trạng thái thiết
lập lại.

10

REFIN/OUT

Chân cung cấp điện áp chuẩn, giá trị
danh định là 2,5V ± 8% và hệ số nhiệt
độ là 30ppm/oC. Một nguồn chuẩn bên
ngoài cũng phải được nối tại chân này.
Chân này phải tách AGND bằng 1 tụ
1uF song song với 100nF.

11

AGND

Là chân nối đất của IC. Chân này phải
được nối với đường GND của mạch
tương tự. Đường GND của mạch tương
tự là dùng cho tất cả mạch tương tự, lọc,
biến đổi dòng và áp…

12

SCF

Chọn tần số điều chỉnh. Đầu ra này dùng
để lựa chọn tần số trên CF

13, 14

S1,S0

Các đầu vào này để chọn 1 trong 4 tàn
số cho bộ biến đổi số sang tần số. Điều
này cho phép linh hoạt trong thiết kế đo


năng lượng.
15, 16

G1,G0

Đầu vào này dùng để chọn 1 trong 4 bộ
khuêch đại cho kênh 1, các hệ số có thể
là 1, 2, 8 và 16.

17

CLKIN

Cấp xung dao động. 1 tinh thể thạch anh
có thẻ nối qua CLKIN và CLKOUT để
cấp xung nguồn cho IC. Xung để IC
hoạt động chính xác là 3,57945 MHz.

18

CLKOUT

1 tinh thể thạch anh có thể nối qua chân
này và CLKIN như trình bày ở trên.

20

REVP

Đầu ra logic sẽ lên mức cao khi có xung
dương, như khi góc pha giữa tín hiệu
dòng và áp lớn hơn 90 độ. Đầu ra này
không được nhớ và sẽ bị reset khi lại có
nguồn dương.

21

DGND

Chân cấp đường GND cho mạch số
trong IC như mạch nhân, lọc, và biến
đổi sô sang tần số. Chân này nên được
nối với GND của mạch tương tự. Nó
chung cho tất cả các mạch số, đếm, khối
vi điều khiển và hiển thị LED.

22

CF

Đầu ra tần số điều chỉnh. Chân CF cung
cấp thông tin về nguồn công suất thực


tức thời. Nó dùng cho mục đích điều
chỉnh.
23, 24

F1,F2

Các đầu ra tần số thấp. F1 và F2 cấp
thông tin công suất thực trung bình.

Các thông số kĩ thuật của AD7755:

CÁC THÔNG SỐ ĐỊNH MỨC LỚN NHẤT:
AVDD đến AGND: -0,3 V đến + 7 V
DVDD đến DGND: -0,3 V đến + 7 V
DVDD đến AVDD : -0,3 V đến + 0,3 V
Điện áp đầu vào tương tự V1P, V1N, V2P, V2N: -6V đến + 6V
Điện áp đầu vào mẫu với AGND: -0,3V đến AVDD + 0,3V
Điện áp vào số với DGND: -0,3V đến DVDD + 0,3V
Điện áp ra số với DGND: -0,3V đến DVDD + 0,3V
SAI SỐ ĐO:
Sai số kết hợp với thiết bị đo do bản thân AD7755 gây ra được xác định theo
công thức sau:
Percentage Error =

Energy Re gistered By The AD7755 − True Energy
× 100% ( 3True Energy

2)
Trong đó:
Percentage Error: Phần trăm sai số
Energy Registered by the AD7755: Năng lượng danh định của AD7755.
True Energy: Năng lượng thực


Theo đó phần trăm sai số được xác định bằng tỷ số giữa hiệu của năng lượng
danh định và năng lượng thực với năng lượng thực.
LỆNH PHA GIỮA CÁC KÊNH:
Bộ lọc thông cao HPF trong kênh 1 có 1 đáp ứng pha. Để cân bằng pha giữa
các kênh, một mạch điều chỉnh pha cũng được đặt trong kênh 1.
SAI SỐ KHUẾCH ĐẠI:
Sai số khuếch đại của AD7755 được xác định bằng sự khác nhau giữa tần số

ra đo được và tần số ra lý tưởng. Nó được đo với độ khuếch đại là 1 trong kênh V1.
Sự khác nhau được biểu thị bằng phần trăm của tần số lý tưởng.
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA AD7755:
Hai bộ ADC biến tín hiệu điện áp từ biến dòng và biến áp thành các tín hiệu
số. Cấu trúc đầu vào tương tự này rút gọn rất nhiều giao diện bộ biến đổi bằng việc
cung cấp 1 dải động rộng cho việc kết nối trực tiếp tới bộ biến đổi. Độ khuếch đại
thay đổi được trong kênh dòng có thể làm cho bộ biến đổi gọn nhẹ hơn dễ dàng.
Một bộ lọc thông cao trong kênh dòng loại bỏ bất kỳ thành phần một chiều nào từ
tín hiệu dòng điện và khử sai số trong việc tính toán công suất thực gây ra do tín
hiệu dòng hoặc áp.
Việc tính toán công suất thực được xuất phát từ tín hiệu công suất tức thời.
Tín hiệu công suất tức thời được xác định bằng một phép nhân trực tiếp của tín
hiệu dòng và áp. Để tách ra thành phần công suất thực ví dụ như thành phần 1
chiều, tín hiệu công suất tức thời được lọc bằng bộ lọc thông thấp.


Hình 3.9. Tín hiệu được biến đổi trong AD7755.
Sơ đồ trên minh họa tín hiệu công suất thực tức thời và chỉ cho ta thấy công
suất thực được lọc bằng bộ lọc thông thấp tín hiệu công suất tức thời.
Đầu ra tần số thấp của AD7755 được sinh ra bằng tích thông tin công suất
thực này. Bản thân tần số thấp này có nghĩa là một khoảng thời gian tich trữ giữa
các xung ra. Tần số ra vì thế tỷ lệ với công suất thực trung bình. Thông tin về công
suất thực trung bình có thể được tích trữ ví dụ bằng 1 bộ đếm để tổng hợp thông tin
về năng lượng thực. Vì tần số ra cao của nó và thời gian tích phân ngắn hơn, đầu ra
CF tỷ lệ với công suất thực tức thời. Điều này là có lợi cho mục đích điều chỉnh
dưới điều kiện tải ổn định.
CÁC ĐẦU VÀO TƯƠNG TỰ
Kênh V1 (Kênh dòng)
Đầu vào điện áp từ biến áp được nối với AD7755 ở đây. Kênh V1 là đầu vào
điện áp vi sai. V1P là dương, V1N là âm.

Tín hiệu vi sai cực đại trên kênh 1 phải nhỏ hơn ± 470mV. Chú ý là kênh 1
có một bộ khuếch đại có thể thay đổi được giá trị với các giá trị 1, 2, 8 hoặc 16.


Hình 3.10. Chuẩn hóa tín hiệu đưa vào kênh dòng.
Hình trên minh họa tín hiệu lớn nhất trên V1P và V1N. Điện áp vi sai lớn
nhất là ± 470mV được phân theo độ khuếch đại. Tín hiệu điện áp vi sai trên các
đầu vào này phải chuẩn với chế độ thông thường như AGND. Tín hiệu ở chế độ
thông thường cực đại là ± 100mV.
Bảng 3.3. Các giá trị điện áp vi sai cực đại.
G1

G0

Gain

Maximum

0

0

1

Differential Signal
± 470 mV

0

1

2

± 235 mV

1

0

8

± 60 mV

1

1

16

± 30 mV

Kênh V2 (kênh điện áp)
Đầu ra của bộ biến đổi điện áp được nối tại đầu vào tương tự này. Kênh V2
là đầu vào điện áp vi sai. Tín hiệu vi sai lớn nhất trên kênh 2 là ± 660 mV.


Hình 3.11. Chuẩn hóa tín hiệu đưa vào kênh áp.
NGUỒN CẤP
AD7755 gồm 1 bộ kiểm soát nguồn trên chíp. Nguồn tương tự (AV DD)
được giám sát bởi AD7755. Nếu nguồn nhỏ hơn 4V ± 5% thì AD7755 sẽ bị reset.

Điều này là cần thiết để đảm bảo khởi động chính xác thiết bị lúc nguồn bật và tắt.

Hình 3.12. Đồ thị ngưỡng Reset của AD7755.
Như hình trên ta thấy mức kích hoạt được đặt là 4V. Dung sai là khoảng 5%.
AD7755 chỉ hoạt động khi được cấp nguồn từ 4V đến 5V ± 5%. Dưới 4V nó sẽ bị
reset.


GHÉP NỐI AD7755 VỚI VI ĐIỀU KHIỂN
Cách đơn giản nhất để kết nối AD7755 với 1 vi điều khiển là dùng đầu ra
tần số cao CF với tỷ lệ tần số được đặt lên tới 2048 x F1,F2 ( SCF = 0 và S0 = S1 =
1). Với các tín hiệu xoay chiều tỷ lệ thật trên các đầu vào tương tự, tần số trên CF
xấp xỉ 5,5 kHz.

Hình 3.13. Sơ đồ ghép nối AD7755 với vi điều khiển
Theo đó, CF được nối với 1 cổng hoặc bộ đếm của vi điều khiển. Nó sẽ đếm
số lượng xung trong một thời gian tích phân được xác định bằng một bộ đếm bên
trong khối vi điều khiển.
Công suất trung bình tỷ lệ với tần số trung bình:
Tần số trung bình = Công suất thực trung bình =

Counter
Timer

( 3-3 )


Năng lượng tiêu thụ trong suốt thời gian tích phân được xác định:
Năng lượng = Công suất trung bình x Thời gian =

Counter
x Time = Counter
Timer

( 3-4 )
Để mục đích điều chỉnh, thời gian tích phân này có thể 10 đến 20 giây để
được đủ số xung đảm bảo độ chính xác của tần số. Ở chế độ bình thường thời gian
tích phân có thể giảm xuông 1 hoặc 2 giây tùy theo trường hợp. Với thời gian tích
phân ngắn hơn trên vi điều khiển, giá trị năng lượng có thể có chút độ gợn sóng,
thậm chí ngay khi tải ổn định. Tuy nhiên, với thời gian tích phân hơn một phút
hoặc lâu hơn thì năng lượng đo được sẽ không có gợn sóng.