物聯網（IoT）擁有高分辨率數據的前景，可以對其進行能量監測分析。在能源計量曾經主要局限于電力公用事業和客戶設施之間的接口的地方，組織正在尋找來自單個機器和設備的更詳細信息。

設計精確的能量測量子系統可以是這是一項重大挑戰，因為它們需要仔細關注模擬信號鏈和復雜的計算能力。在三相計量應用的情況下，ADI公司提供單芯片解決方案ADE9078 ，，大大簡化了電表和電力監控應用的實施解決方案。

文章將深入探討三相能量監測信號鏈的核心要求，該鏈如何演變，然后介紹ADE9078以及如何實現它。

能量監測信號鏈

工程師過去依靠分立器件和模數轉換器（ADC）來構建電表。模擬前端（AFE）IC的出現使工程師能夠用一個將ADC，放大器和濾波器集成到一個優化信號鏈中的器件取代復雜的信號采集電路。工程師可以依靠集成的AFE向MCU或DSP提供適當調節的信號，以計算功率特性，而不是處理分立解決方案所需的器件匹配和電路調諧。

MCU的集成或者將DSP核心轉換為專門的計量AFE，為開發人員提供了更有效的解決方案。使用這些設備，工程師可以快速開發用于普通單相電力線的住宅電表。

對于更復雜的三相電能測量，開發人員發現除了再次使用高電平建立自定義信號鏈之外，幾乎沒有其他有效選擇性能多通道ADC和放大器。然而，使用這種方法，開發人員不僅要應對構建調諧信號鏈的挑戰，還要確保每個階段的測量同步。工程師通常選擇使用單相AFE進行多相電表設計，如圖1所示。

圖1：過去，多相能量儀表設計人員需要組合單獨的單相AFE并添加定制電路以測量相位相關參數。 （圖片來源：ADI公司）

集成多相AFE

認識到設計人員需要解決日益增長的對更高效解決方案的需求的解決方案，ADI公司專門針對多相能源開發了ADE9078 AFE計量應用。該IC集成了一個專用計量引擎和一個由7個獨立的24位Σ-Δ模數轉換器（ADC）驅動的多通道信號鏈（圖2）。在每個ADC的輸入端，可編程增益放大器（PGA）提供1,2或4的增益，而ADC輸出饋入四階同步濾波器和抽取濾波器以進行抗混疊。

基于DSP的計量引擎使用經過處理的線路信號生成多相測量應用所需的全部參數。此外，該器件還支持有功和無功電能測量的國際標準。由于其最大通道溫度漂移為±25 ppm/°C，因此該設備可提供所需的精度和穩定性，以滿足低至0.2級的公用級儀表的要求。

圖2：ADI公司的ADE9078 AFE將專用ADC與先進的信號鏈和計量引擎相結合，可提供多種能量測量。 （圖像來源：ADI公司）

設計人員需要很少的額外組件來圍繞ADE9078構建電表。對于典型的三相四線制系統，設計人員將在三個電壓通道（A相，B相和C相）中分別使用ADE9078 ADC，并在每個通道上使用一個簡單的電阻分壓器作為電壓傳感器。同樣，器件的剩余ADC將使用適當的電流傳感器測量四個電流通道（A相，B相，C相和中性點）。同時，ADE9078消除了同步輸入的關鍵挑戰，因為ADC同時采樣各自的信號。

ADE9078不是強制設計人員使用如圖1所示的耗電電流分流器。支持更高效的電流傳感器選項，包括電流互感器（CT）和Rogowski線圈。雖然該器件的內置補償功能可減輕CT中的相位和增益非線性，但其內置的數字積分器可以使用高效的di/dt器件，如Rogowski線圈。

實際上，設計人員需要充分過濾傳感器輸入以衰減帶外信號（圖3）。此外，Rogowski線圈會產生顯著的高頻噪聲，至少需要二階抗混疊濾波器。設計人員還需要在電壓輸入上加入類似的濾波器，以消除電壓和電流測量之間的相位差。

圖3：雖然ADI公司ADE9078 AFE的傳感器輸入需要基本的RC濾波器來限制高頻信號，但器件本身還集成了補償功能用于傳感器非線性。 （圖像來源：ADI公司）

在器件本身內，ADC，濾波器和計量相結合，創造了一個復雜的信號鏈（圖4）。在鏈的每個階段，相關的設備寄存器允許軟件控制它們的性能。這些寄存器提供了一種校正CT傳感器非線性的機制，以實現非常高的儀表精度。設置MTEN寄存器，設計人員可以實現中點校正，以調整增益和相位補償。此外，它們可以調整電流通道增益xIGAINx，以校正由于CT增益非線性引起的增益誤差，或者調整相位補償寄存器xPHCALx以校正相位誤差。

圖4：工程師只需更改與不同流水線級相關的寄存器值，即可修改ADE9078 AFE信號處理流水線的特性。 （圖片來源：ADI公司）

ADE9078提供數百個寄存器，可提供對器件操作幾乎所有方面的可視性和控制。開發人員通過ADE9078的SPI兼容接口讀取和設置器件寄存器值。例如，為了讀取寄存器的當前值，開發人員使用一種簡單的協議，其中16位字將目標寄存器的地址和表示讀訪問的標志組合在一起（圖5a）。如果啟用突發模式，器件將返回所請求寄存器的值（圖5b）。

圖5：使用包含相應寄存器地址（A）的簡單命令頭，ADE9078使用簡單的協議進行讀取（此處顯示）或寫單個寄存器（BURST_EN = 0）或一系列寄存器（BURST_EN = 1）。 （圖像源：ADI公司）

工作模式

ADE9078持續監控其兩個電源模式引腳PM1和PM0，并根據引腳電平進入四種相應的電源模式之一（表1）。通常，設計人員將以正常模式（PSM0）操作設備，其提供全部功能，并使用空閑模式（PSM3）來實現低功率復位狀態。

表1.通過設置PM0和PM1引腳的值，設計人員可以控制ADE9078的工作模式。 （表格來源：ADI公司）

其他兩種功耗模式PSM1和PSM2分別提供篡改測量和電流峰值檢測。在電流峰值檢測模式（PSM2）中，器件使用其集成的低功耗比較器來檢查輸入電流是否高于可編程閾值電平。在篡改測量模式（PSM1）中，設備可快速測量關鍵參數，包括IRMS，VRMS，有功功率和無功功率。由于SPI接口在此模式下被禁止，因此ADE9078使用其中斷引腳IRQ0和IRQ1向主機處理器發出明顯篡改事件的信號。在典型的使用場景中，開發人員將ADE9078在正常或空閑工作模式之間循環，周期性地切換到PSM2以測試篡改。

ADE9078的廣泛集成功能需要相對較少的額外硬件才能進行部署。一個設計。軟件設置同樣簡單。設計人員最低限度只需要配置寄存器來設置信號鏈中的增益電平，將器件配置為50或60 Hz線路，如果使用Rogowski線圈進行電流檢測，則啟用數字積分器。將1寫入器件的運行寄存器后，ADE9078將在短至40 ms內開始生成結果。通常，設計人員還需要執行增益校準以考慮器件制造變化，并在使用CT傳感器時執行相位校準。

開發支持

幫助開發人員獲得ADE9078的使用經驗，ADI公司提供EVAL-ADE9078EBZ評估板和附帶軟件。設計人員需要添加自己的CT設備或Rogowski線圈進行電流檢測。此外，SPI控制和監控ADE9078還需要一個主機處理器。雖然開發人員可以使用他們自己的控制器板和處理器，但ADI公司建議使用基于該公司Blackfin DSP的控制器板EVAL-SDP-CB1Z。

ADI公司提供免費的定制軟件開發驅動程序為所有設備的數據和配置寄存器定義助記符，并實現前面提到的用于讀寫的SPI協議。對于剛剛開始使用ADE9078的設計人員而言，評估板隨附的基于Windows的軟件對于深入了解設備操作特別有用。

評估軟件提供單獨的屏幕，用于檢查寄存器，中斷，電源質量和計算的能量值。大多數屏幕允許用戶探索設備的內部。例如，在RMS屏幕上，用戶可以配置信號鏈的不同階段，設置寄存器值，并查看這些變化對計算出的RMS結果的影響（圖6）。

圖6：與ADE9078評估板一起，ADI公司EVAL-ADE9078EBZ評估套件包含的軟件可讓工程師探索和修改內部器件特性，包括這里顯示的信號鏈。 （圖片來源：ADI公司）

結論

過去，設計人員在構建精確的多相電表方面面臨著重大挑戰?？捎玫姆椒ㄐ枰O計自定義信號鏈或組合單相AFE。盡管如此，這些方法幾乎無法滿足與高電壓和電流信號的高性能測量相關的各種要求。

為幫助設計人員滿足客戶對更小，更簡單，更高效解決方案的需求，器件ADE9078將復雜的信號鏈與專用ADC集成在一個器件中，簡化了設計，同時消除了多相電能表設計的傳統障礙。利用ADE9078，設計人員可以快速實施復雜的解決方案，以滿足能量計量要求的性能，精度和可靠性。