1. 概述

NADC24是由新唐科技開(kāi)發(fā)的一款高精度24位Delta-Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），專(zhuān)為低噪聲、高分辨率的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換而優(yōu)化。當(dāng)與基于Cortex-M0的M031微控制器配合使用時(shí)，它能夠?yàn)閱蜗?a target="_blank">電源（PSU）提供精準(zhǔn)且經(jīng)濟(jì)高效的功率測(cè)量解決方案。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流和功率，同時(shí)提供用戶(hù)友好的界面用于配置和校準(zhǔn)。其緊湊且集成的設(shè)計(jì)使其適用于能源監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制和儀器儀表應(yīng)用。

2. 原則

電源的線路電壓和電流信號(hào)分別通過(guò)分壓器和電流互感器進(jìn)行縮放。這些模擬信號(hào)以差分模式輸入到NADC24中。集成的可編程增益放大器（PGA）在信號(hào)被Delta-Sigma ADC核心數(shù)字化之前增強(qiáng)小信號(hào)。數(shù)字化數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳輸?shù)組031 MCU。隨后，MCU計(jì)算各種與功率相關(guān)的參數(shù)，并實(shí)時(shí)更新顯示/UI。

3. 功能描述

硬件組件：

NADC24 ADC提供高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換，最高可達(dá)22位有效位數(shù)（ENOB）。

M031 微控制器執(zhí)行信號(hào)處理和顯示功能。

分壓器和電流互感器縮小并隔離線路電壓和電流。

SPI接口實(shí)現(xiàn)NADC24與M031之間的高速通信。

特點(diǎn)：

最高支持96 KSPS采樣率

集成低噪聲PGA，增益范圍從1到128

8個(gè)單端或4個(gè)差分輸入通道

內(nèi)部電壓參考（1.2V/2.4V）

工作范圍：2.7V – 3.6V，-40°C 至 105°C

小型封裝 QFN32 或 TSSOP20

3-1. 頻率計(jì)算

為了計(jì)算線路頻率，系統(tǒng)對(duì)電壓波形的零交點(diǎn)進(jìn)行采樣。M031測(cè)量零交點(diǎn)之間的間隔，并使用以下方法計(jì)算頻率：

數(shù)字低通濾波器用于穩(wěn)定波形并避免由噪聲引起的偽交叉。

3-2. 電壓和電流的均方根值計(jì)算

RMS值是通過(guò)對(duì)數(shù)字化波形在一個(gè)完整周期內(nèi)進(jìn)行計(jì)算得出的：

其中 T 是時(shí)間周期（通常稱(chēng)為累積周期）。

PGA確保了足夠的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率，即使在低信號(hào)水平下也能進(jìn)行準(zhǔn)確的RMS計(jì)算。

3-3. 有功功率計(jì)算

有功功率是負(fù)載實(shí)際消耗的功率。其計(jì)算公式為：

v(t) 是瞬時(shí)電壓

i(t) 是瞬時(shí)電流

T 是一個(gè)周期

采樣的電壓和電流波形必須時(shí)間對(duì)齊，以確保準(zhǔn)確的乘法運(yùn)算。

3-4. 視在功率計(jì)算

視在功率表示有效值電壓和電流的乘積：

該值包括有功功率（實(shí)際功率）和無(wú)功功率分量。

3-5. 功率因數(shù)計(jì)算

功率因數(shù)（PF）是有功功率與視在功率的比值：

該指標(biāo)反映了電力使用的效率。功率因數(shù)（PF）接近1表示電力使用效率高。

3-6. 基波與諧波

諧波分析涉及對(duì)電壓和電流信號(hào)應(yīng)用快速傅里葉變換（FFT）。基波頻率（通常為50/60Hz）被分離出來(lái)，而高頻分量被識(shí)別為諧波。

總諧波失真 (THD）計(jì)算為：

V1是基波電壓的有效值。

V2、V3、V4……分別是第二、第三、第四等諧波電壓的均方根值。

對(duì)于電流信號(hào)，THD_I 的計(jì)算公式為：

I1是基波電流的有效值。

V2、V3、V4……分別是第二、第三、第四等諧波電流的有效值。

4. 數(shù)據(jù)處理與訪問(wèn)

4-1. 數(shù)據(jù)處理

4-2. 通信協(xié)議

該解決方案采用基于簡(jiǎn)單傳感器接口（SSI）協(xié)議的通信協(xié)議。UART通信的波特率為9600。

該協(xié)議將所有設(shè)備通信組織成幀，每個(gè)幀包含一個(gè)頭字節(jié)、命令和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、命令、數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)和。

4-3 自動(dòng)報(bào)告數(shù)據(jù)

該表格顯示了自動(dòng)化報(bào)告數(shù)據(jù)的格式。

5. 校準(zhǔn)

5.1 環(huán)境

5.2 校準(zhǔn)步驟

6. 測(cè)試報(bào)告

7. 結(jié)論

該功率測(cè)量解決方案基于新唐的NADC24和M031 MCU，提供了一個(gè)高度集成、精確且具有成本效益的系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單相電源的參數(shù)。NADC24的高有效位數(shù)（ENOB）、集成PGA和多功能模擬前端簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)并降低了成本，而M031則高效地處理計(jì)算任務(wù)。該解決方案支持頻率測(cè)量、RMS計(jì)算、功率指標(biāo)和諧波分析，非常適合工業(yè)自動(dòng)化、智能電表和嵌入式能源管理系統(tǒng)。

?場(chǎng)景應(yīng)用圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)

? 高分辨率測(cè)量能力

采用24位Delta-Sigma架構(gòu)，NADC24提供高達(dá)22位的有效位數(shù)（ENOB），能夠有效檢測(cè)微小的電壓和電流變化，實(shí)現(xiàn)極高的測(cè)量精度。

? 內(nèi)置低噪聲可編程增益放大器（PGA）

支持高達(dá)128倍增益，無(wú)需額外的模擬前端設(shè)計(jì)即可增強(qiáng)低電平信號(hào)的測(cè)量靈敏度。

? 實(shí)時(shí)功率計(jì)算能力

利用M031 Cortex-M0 MCU進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，包括頻率、電壓/電流有效值、功率因數(shù)以及基波/諧波成分等參數(shù)，使其適用于動(dòng)態(tài)負(fù)載監(jiān)測(cè)。

? 高集成度與低物料成本（BOM）

NADC24集成了電壓參考、溫度傳感器、SPI通信以及多通道輸入，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)和布線需求，有效減少了PCB空間和整體成本。

? 高速且穩(wěn)定的通信接口

高速SPI數(shù)據(jù)傳輸確保了精確的數(shù)據(jù)同步，適用于高采樣率和高頻響應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

? 靈活的通道配置

支持4個(gè)差分輸入或8個(gè)單端輸入，可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)信號(hào)源（如電壓、電流和溫度）。

?方案規(guī)格

該功率測(cè)量解決方案采用了Nuvoton NADC24，這是一款具有最高22位有效位數(shù)（ENOB）的24位Delta-Sigma ADC，并與NuMicro M031 Cortex-M0 MCU配對(duì)使用。它支持4路差分輸入或8路單端輸入，內(nèi)置溫度傳感器，并提供1倍至128倍的PGA增益。系統(tǒng)具有可調(diào)節(jié)的輸出數(shù)據(jù)速率，從15.625 SPS到96 KSPS，內(nèi)置1.2V/2.4V參考電壓（100 ppm/°C），工作電壓范圍為2.7V–3.6V，工作溫度范圍為-40°C至105°C。通過(guò)SPI通信接口，具備±4kV ESD和±4.4kV EFT保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)RMS、頻率、功率因數(shù)和諧波分析，適用于電源監(jiān)控和智能計(jì)量等應(yīng)用。

原文鏈接：https://www.wpgdadatong.com.cn/reurl/3IRvEn
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