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使用MAXQ3180/MAXQ3183 AFE的电表参考设计 更新于2014-06-04 14:58:39 文章出处:与非网

 摘要:MAXQ3180和MAXQ3183是两款三相多功能计量模拟前端(AFE),它可以提供如功率因素、功率矢量和以及谐波分量等许多先进的功率监视特性。对于电表设计而言,对计量精度和电快速瞬变(EFT)有严格要求,Maxim提供的参考设计通过了EFT和精度等方面的严格测试。这些设计说明了MAXQ3180/MAXQ3183的计量特性。该应用笔记阐述了如何评估MAXQ3180/MAXQ3183作为能量表的参考设计,该参考设计包括电表以及相关PC软件,并且给出了评估板、原理图、材料清单以及测试结果。 

 

关于MAXQ3180/MAXQ3183

MAXQ3180MAXQ3183是三相多功能计量前端(AFE),它提供丰富的功率监视特性。内部集成8通道高精度ADC数字信号处理器(DSP)对ADC采样进行处理,提供大量的电能以及功率测量参数数据,并不局限于:有功、无功、视在功率和电能、功率因数和谐波计量功能。通过集成的SPI™口和主控制器连接。

MAXQ3180和MAXQ3183是两款来自Maxim Integrated的三相AFE器件。MAXQ3181是一款三相有功计量芯片表1列举了多相AFE系列器件的关键特性。

表1. 多相计量AFE器件特性比较

Feature MAXQ3181 MAXQ3180 MAXQ3183
Active energy and power: positive/negative
Reactive energy and power: positive/negative  
V and I RMS
Neutral current monitoring
Vector sum of currents    
Temperature sensor
Phase sequence indication V V V, I
Voltage and current harmonics  
Current THDN    
Total energy and power
Fundamental energy and power  
Voltage phasor angles  
Serial interface SPI slave SPI slave SPI slave
Pulse output CFP CFP, CFQ CFP, CFQ
Package 28-pin TSSOP 28-pin TSSOP 28-pin TSSOP


MAXQ3181与MAXQ3180引脚完全兼容,唯一区别就是前者的寄存器是后者的子集。因此该参考设计样表完全支持MAXQ3181,需更改测量板上的AFE器件,但相应的应用代码和PC软件无需修改。需要注意的是,用该参考设计样表评估MAXQ3181,有些计量参数对于MAXQ3181无效,将显示随机数,并无实际意义。

为了简单起见,该应用笔记只针对MAXQ3180;对于MAXQ3183以及其独特特性仅在必要时提及。器件的参考设计共享相同的计量板并使用相同的主控制器(例如MAXQ2000)。应用代码(保存在MAXQ2000中)和PC软件支持这两款AFE。

 

关于参考设计

MAXQ3180参考设计包括:

  • 一个三相电表
  • PC软件(ZIP)
  • 此应用笔记

该参考设计支持在线购买。关于参考设计型号和定购说明,请参见下面的定购信息部分。

PC软件和主控单片机的应用固件可周期性进行升级以提升或增加性能。所有更新信息将公布在美信网站。如果你使用了Maxim的EE-Mail™¹服务,将会收到e-mail提醒。如果需要更新主机应用代码,需要使用串口转JTAG编程适配器将代码重新下载到MAXQ2000微控制器。更多信息请参考微控制器工具页面。

规格

此参考设计样表只支持三相四线接法:

  • AC:50Hz/60Hz, 220V, 9A²
  • 脉冲常数:6400
  • 计量精度:有功0.5s级,无功2级
  • 串口(PC)通信波特率:1200/9600/57600/115200

显示和通讯

该样表上电后自动运行,板上LCD将会显示相关的信息。第一条是芯片型号(比如:MAXQ3180或者MAXQ3183),然后是RS-232波特率,接着是多个功率以及能量参数(电压RMS、电流RMS、总功率因数、开机运行所累积的电量),这些信息会自动轮显,且轮显间隔是一秒。更多显示项可通过PC软件获得并显示。


样表内部已经嵌入了RS-232接口,用来和PC进行数据交互。使用时务必断开交流电源,再开启上表壳(见通讯连接/JTAG电缆部分)。注:MAXQ3180参考设计在硬件上支持红外通讯,但是在撰写本文档之前,支持该特性的固件(MAXQ2000代码)并不能使用。

 

电表内部结构图

图1所示为电表的通信和显示部分。

图1. 参考样表的电路板布局以及接线端子
详细图片
(PDF, 955kB)
图1. 参考样表的电路板布局以及接线端子

 

AC接线端子

参考设计样表和表台之间的交流连接如图2所示。

图2. 参考设计样表和表台之间的连接外观图
图2. 参考设计样表和表台之间的连接外观图

由于样表只有三个电流输入对(端子),不支持零线电流接入,但是电路板已经设计预留了零线接入端口。这种局限性对于演示MAXQ3183的4电流向量和带来不便。

该设计采用两块电路板的结构。“冷板”(包含微控制器和显示屏)可安全触摸—在该板上不存在高压。然而,紧挨该板下面的螺丝和连接器不能触摸。安装在冷板下面的“热板”带有交流输入电路和目标器件(如MAXQ3180/MAXQ3183),该板直接与AC零线连接,因此,不能触摸。冷板和热板之间的通讯通过SPI连接器,该连接器在热板上进行了隔离。他们之间采用隔离的硬件SPI通讯。

当连接到带电系统时,一定要小心操作!

当连接到带电系统时,一定要小心操作!

 

通讯连接/JTAG电缆

参见下面步骤开启表壳连接串口和JTAG电缆。
 

步骤

旋开覆盖在端子上的两固定颗螺钉(在表壳的下部)。

向上取下端子盖。

旋开上表壳的固定螺钉。

旋开表壳背面的两颗螺钉。

取下上表盖。

连接串行电缆线。

如果应用代码需要更新,连接JTAG电缆。在连接JTAG电缆时,确保电缆上的引脚1连接到板上JTAG接头的引脚1。JTAG电缆上的引脚1通常在电缆的边沿并用红色或者粉色标注。引脚1的边沿应该对着LCD屏。

 

 

将电表连接至测试台

关于如何连接表与表台请参照前面的交流端子描述和校表台的使用手册(参见图3)。注意此参考设计样表的最大电流规格是10A。电流互感器最大电流接入为6A,因此请勿长时间运行在大于6A的情况。

图3. 样表与表台和PC的连接
详细图片
(PDF, 1MB)
图3. 样表与表台和PC的连接

 

使用USB/串口适配器

如果您使用的电脑没有串口但有USB端口,可使用USB/串口适配器与表连接。虽然对于适配器没有规格要求,经验表明不同适配器的可靠性会有所不同,在我们的实验室中,对于SerialGear® (USBG-COM-SI-M)我们有很好的经验。

 

样表操作

此参考设计样表演示了MAXQ3180和MAXQ3183能量表AFE的计量功能。样表经过了功率测量精度的验证并且通过了ESDEFT的试验。然而,参考设计并没有对量产表的全部精度以及EMC兼容性进行完整地测试。我们不推荐也不暗示采用参考设计的硬件或软件“作为”任何量产应用。

 

LCD参数显示

样表在LCD上只显示有限的几个参数:目标芯片型号,对主机固件编程的串口波特率,各类功率和电能数据。图4 给出了显示流程。计量芯片型号和波特率仅在上电时显示。计量相关数据会轮显,显示间隔1秒。

图4. LCD显示流程图
图4. LCD显示流程图

 

PC软件

通过PC软件用户可以很方便的对样表进行评估。它支持几乎所有的MAXQ3180功能,比如:分相,三相加零相的和(总)相,通过软件可获得:电压和电流RMS值、有功、无功、视在、基波、谐波和功率因数。软件还提供了多个校准,用于执行表的多种校准,如增益校准、相角和线性度校准。该软件是基于Microsoft® .NET框架开发,用于基于Microsoft Windows®计算机。关于软件的安装和要求的更多信息请参考上面的下载链接。

演示计量功能的最直接方法就是采用图形来显示。我们的参考设计PC软件可实现。下面的截屏列举了PC软件所显示的各种参数以及用户入口所需要的输入/控制。注:同一款软件支持MAXQ3180和MAXQ3183。但是必须在启动屏幕中选择目标器件,因为这些特性是按照功能进行分组;根据不同的目标器件,功能页也有所不同。比如:Vector Sum标签页仅在选择了MAXQ3183作为目标器件时才有效。

启动和选择目标器件
该PC软件可以在兼容的图形用户接口(GUI)下支持多个目标器件。在启动屏幕中单击Target Device选择目标器件。

Maxim电表

通讯设置
选择目标器件之后,配置串行端口。在菜单中单击Connection,选择Connect。

Maxim电表

PC软件会显示一个对话框,列举了所有可用的串行端口。选择正确的端口和波特率(波特率将会被上电显示在LCD屏上),然后点击OK。

Maxim电表连接

电表设置
Configuration标签页包含了所有的电表相关的参数,可以轻松的通过文本输入框和下来菜单选择进行配置。

Maxim电表

当文本框内容发生变化,该新的数据将会被自动直接写入MAXQ3180相应寄存器(数据RAM)或者电表的数据存储器(MAXQ2000数据RAM)。下拉列表页也有同样功能。通过选择System Commands,然后选择Save configuration to flash memory可将配置值保存到MAXQ2000的闪存中,它们可以通过命令被再次检索。除了Temp. CC之外,在Conversion Settings组合框中的所有配置参数会保存在一个软件的配置文件,而不是MAXQ2000数据区域。通过菜单命令中的File,选择Save Configuration来保存Conversion Settings。如果目标器件是MAXQ3180,Temp. CC存储在MAXQ2000的数据区;如果目标器件是MAXQ3183,则Temp. CC被直接写入MAXQ3183的TEMP_CC寄存器。

MAXQ3180 (A6)

当保存配置至闪存时一定要小心,因为它会使以前保存的配置文件覆盖。它还会影响电表的工作或性能。用户所收到的样表已经过校准并且并且这些校表数据和配置已经存储在了MAXQ2000的闪存中。

可以通过刷新Configuration标签页(F5或System Commands,然后Pool all Registers)来观察当前样表的配置数据。在使用之前请务必执行此操作。该操作不但能够将存在MAXQ2000的闪存中的参数显示出来,而且他们会被暂存在软件的内存以备以后计算应用。

继续之前,按F5加载配置数据。

点击Enter Stop按钮会使MAXQ3180进入停止模式。退出需要做如下任一操作:

    A. 重新对MAXQ3180 (电表)上电
    B. 外部复位(/RESET引脚拉低)
    C. 外部中断(/SSEL引脚拉低)

由于参考设计中/RESET引脚没有引入到冷板,因此有效地方法是上述的A和C。点击Exit Stop来退出停止模式。Exit Stop按钮执行C选项。

点击Enter LOWPM按钮会使MAXQ3180进入低功耗测量模式。在LOWPM模式下,MAXQ3180运行主频为内部1MHz频率,代替外部高频晶振。该模式下只有部分测量功能有效,该模式主要用于电池供电工作(例如,当AC主电源断电)。在该模式下,MAXQ3180通过定时唤醒来测量电压和电流数据,用于AC电源监视或者篆改检测。随后立即进入STOP模式。点击Exit LOWPM返回正常操作模式。

该PC软件如果首次连接样表,它将检测转换设置(从Configuration File读出),与存储MAXQ2000中的X_CC (VOLT_CC、AMP_CC、PWR_CC和ENR_CC)值是否一致。

错误:以下CC值之一失配。

X_CC通过转换设置进行计算:

 式1.

如果任何X_CC内容不符,将会跳出出错告警窗口。请修正之后再进行其他操作。

 

状态
对于分相以及三相加零相的合相,Status标签页显示:电压和电流的RMS、有功、无功、视在、功率因素和基波电能(有功、无功、视在)、温度、系统频率和电压相角(相对于A相)。按键盘F5键可以刷新除了Neutral Current之外的本页所有实时数据。参考设计不支持零相电流的测量,因为在电表盒上没有专门的AC输入端子。然而,可以贡献出一个相电流输入端子作为零线电流。如果这么做,点击Neutral Current按钮将使MAXQ3180根据命令执行零线电流测量。

Maxim电表 - [MAXQ3180 (A6)]

谐波
相电压和电流的谐波成分可根据需要计算。同时提供图形、表格显示以及支持CSV格式文件输出。 

Maxim电表 - [MAXQ3180 (A6)]

有关配置MAXQ3180进行谐波分量测量请参见MAXQ3180数据资料和相关的应用文档。

矢量和(MAXQ3183) 电流矢量和只有MAXQ3183提供,可根据命令进行计算。支持两种类型的矢量和:

  • 三电流矢量和 = 三相电流和
  • 四电流矢量和 = 三相电流和零线电流和

Maxim电表 - [MAXQ3183]

关于配置MAXQ3183用于矢量和测量,请参见专门的应用笔记AN4664:“How to conduct three-current vector sum measurements ”。

校准
完整的校表是比较耗时的。在量产时进行校准处理通常通过软件工具直接控制被测表以及表台自动进行。参考设计的PC软件可让用户对样表重新校准以获得宝贵经验。软件仅仅只是控制样表,无法控制用户的校表台实现全自动校表。

Maxim电表 - [MAXQ3180 (A6)]

在这里需要三类校准参数:增益、相角和线性度。每个参数都在弹出对话框完成。校表流程应该按照下面框图所示,根据实际的精度设计要求,虚线框内的步骤不是必须的。

校准流程

增益
分相电压、电流(包括零线)的增益可以分别校准。如果需要,功率增益也可以被校准。在大多数情况下,电流和电压的增益校好之后,功率的增益是不需要校的。所有增益的校准流程是相同的。下面用电压增益校准举例说明软件的操作。

“by Source”选项用于设置表台提供的校准设置点(值)。将该数据填入Source Reading (V)文本框内。

校准A相 – 电压

输入值后,点击Read按钮,重新获得MAXQ3180测量值。误差数据会显示在Percent Error (%)文本框内。

接下来,点击Calculate Gain Factor会计算出用于增益寄存器的相应的十六进制值。

注:如果输入电路具有很好的一致性(例如,产生相同的增益系数值),可对所有的三个电压增益寄存器应用相同的增益系数值,可以节省校准时间。只要选中Apply to All Phases选择项就可以了。

增益是根据表台电压读数(VSOURCE)和样表的读数(VMETER)来计算,具体公式如下:

 式2.

G在写入MAXQ3180增益寄存器之前,必须转换成16位无符号整数。

“by Meter”选项用来设置表台报告的测量误差。将误差数据填入Percent Error (%)文本框内。

校准A相 – 电压

点击Read按钮,重新获得样表的测量值。注:此数据仅为参考数据,增益系数计算中并不使用。

点击Calculate Gain Factor按钮,来计算出相应的十六进制增益数据。

通过选择Apply to All Phases可将计算出的增益系数应用到所有三相中。

从测量误差(e)中计算增益系数的公式如下:

 式3.

G在写入MAXQ3180增益寄存器之前,必须转换成16位无符号整数。

注:对任何一个增益校准前,建议先初始化增益寄存器。但初始化并不是必须的。如果增益寄存器没有初始化,增益系数计算需要考虑现有系数(GOLD)。公式如下:

 式4.

针对增益校准,软件提供了自动化方法来简化处理。

自动模式的增益校准

当使用Automatic模式对任何参数(电压、电流或功率)进行增益校准时,这就需要表台提供等同的信号幅度给样表。点击Calibrate按钮,按照“by Source”方式对相应文本框中有输入的任何参数(电压、电流或功率)进行校准处理。如果不需要进行该参数校准可保持相应的Target输入框空白。如上截图中,由于功率对应的Target输入框空白,仅实现了电压、电流的校准。

相角
相角的校准通常在PF = 1.0和PF = 0.5L这两个点。然而,软件允许键入其它相角数据。测量参数选择(“by Meter”模式)有功功率,因为我们大多数情况下关心的就是有功功率精度。

MAXQ3180的相角补偿支持三种负载情况:高、中和低。在大多数设计中,相角的不会随着负载而改变,因此单段校准即可满足精度要求。然而一些低成本的CT存在这个种问题。由于MAXQ3180支持三段相角补偿,软件能够将较差CT的相角特性影响最小化。

如果需要进行三段负载校准,确保从变压器规格书中获得了正确的电流门限值。这些门限按照数据资料中的详细说明写入表后,还要输入到I1THR和I2THR寄存器。注:默认情况下I1THR = I2THR = 0,即整个负载范围相角补偿值为X.PA0。

相失调和输入电流

下图显示了A相在High量程的单段校准。对三段校准,只需要重复三次即可。在单段校准时必须选择High量程,同时保持I1THR和I2THR为0。选择Mid量程将修正值仅写入X.PA1;选择Low量程将修正值仅写入X.PA2。

同样的,支持两种校准模式:“by Source”和“by Meter”模式。“by Meter”模式是最佳校准模式,因为它将有功功率误差最小化。

在“by Meter”校准模式时,用户需要键入源相角以及相应输入点时的有功功率相对误差。通常情况下,选择0度(PF = 1.0)和60度(PF = 0.5L)两点。在标准电表精度测试扫描中包括这两个角度。

校准A相 – 相角

点击Read按钮,读出样表的角度值³。注,该值不参与补偿计算,仅仅是参考显示。

点击Calculate Phase Angle Compensation按钮来计算修正值。注,用户也可以直接输入一个相角补偿值,2个字节,二进制补码的十六进制格式。

点击Write将修正值写入X.PA0 (X = A)寄存器, 如果对所有三相使用相同修正值,点击Apply to All Phases。

在“by Source”模式时,输入源相角。PF = 0.5L (角度 = 60)为最佳校准测试点。

校准A相 – 相角

点击Read按钮,读取样表的角度值。

点击Calculate Phase Angle Compensation按钮来计算修正值。

点击Write将修正值写入X.PA0 (X = A)寄存器。

如果所有三相使用相同修正值,选中Apply to All Phases选项。

注,在“by Source”模式下,修正数据是通过角度差而不是有功误差来计算。这不是最佳的相角校准模式,因为最终目的是有功功率的测量精度。

在单段校准时,必须选择High量程并且I1THR和I2THR必须设置为0。选择Mid量程将修正数据仅写入X.PA1;选择Low将修正数据仅写入X.PA2。

下面是“by Meter”模式的处理流程。

"by Meter"模式的处理流程

下面是“by Source”模式的处理流程。注,为了使“by Source”更准确,选择的测试点必须尽量远离PF = 1.0点。通常选择PF = 0.5L点。

"by Source"模式的处理流程

线性度校准
线性度校准实质是平滑两条误差曲线的接缝点。一条是大负载误差曲线,另一个条是轻载误差曲线。轻载点就是输入电流小到ADC自动增益切换到GAIN = 32。大负载ADC的自动增益GAIN = 1。同样支持两种模式校准“by Meter”和“by Source”。 建议使用“by Meter”模式,因为它利用有功功率误差计算修正值。

校准A相 – 线性度

在“by Meter”校准模式,用户需要键入4个以Ib点百分比(%Ib)的电流数据和对应该电流点下的有功误差数据。High 1和Low 2分别是校准时的最大和最小负载。但不一定是最大和最小操作点。High 2的选择依据是,在MAXQ3180电流输入引脚上的输入幅度接近,并且大于(VREF/2)/32 (0.032V)。Low 1的选择依据是,在MAXQ3180电流输入引脚上的输入幅度接近,并且小于(VREF/2)/32 (0.032V)。

点击Read按钮,读取并显示样表测量的电流值。注,该数据仅作参考,后续计算中不使用。

点击Calculate OFFS_HI按钮计算OFF_HI、OFFS_LO以及GAIN_LO。

在“by Source”校准模式下,用户需要键入4个以Ib百分比(%Ib)的电流数据。High 1和Low 2分别是校准时的最大和最小负载。但不一定是最大和最小操作点。High 2的选择依据是,在MAXQ3180电流输入引脚上的输入幅度接近,并且大于(VREF/2)/32 (0.032V)。Low 1的选择依据是,在MAXQ3180电流输入引脚上的输入幅度接近,并且小于(VREF/2)/32。

校准A相 – 线性度

点击Read按钮,读取并显示样表测量的电流值。同时还计算出了对应的电流误差(取代有功误差)。

点击Calculate OFFS_HI…按钮计算OFF_HI、OFFS_LO以及GAIN_LO。

注:对系统而言,有功功率精度是最终目标,因此应当采用“by Meter”模式,因为有功误差的百分比直接影响补偿修正数据的计算。

MAXQ3180支持两种线性度补偿方法,用户需要通过操作OPMODE2 (OPMODE2.LINFRM)寄存器来选择。PC软件的Configuration标签页有相应的线性补偿选择项。

LINFRM处理流程

 

有效脚本功能
此功能能够方便的通过寄存器地址或者名称来读写MAXQ3180的大部分寄存器。在Script Debugging标签页中点击Help按钮获取脚本命令列表。

脚本调试

基本语法如下。
 

Command Description
R RegName {N} Read register RegName N times, where N is an optional argument. N should be specified in decimal and defaults to 1 if unspecified.
R[K] RegAddr {N} Read K bytes from register at address RegAddr N times, where N is an optional argument. N should be specified in decimal and defaults to 1 if unspecified. K is an integral part of the command and signifies the length of the target register (in number of bytes):
R1 RegAddr—read 1 byte
R2 RegAddr—read 2 bytes
R3 RegAddr—read 3 bytes
R4 RegAddr—read 4 bytes
W RegName V Write value V to register named RegName, where V is expressed in hex.
W[K] RegAddr Write value V to register at address RegAddr, where V is expressed in hex. K is an integral part of the command and signifies the length of the target register (in number of bytes).
W1 RegAddr—write 1 byte
W2 RegAddr—write 2 bytes
W3 RegAddr—write 3 bytes
W4 RegAddr—write 4 bytes


多次读取一个寄存器时,前后两次读取的时间间隔是0.5秒。除了每次单独读取,将显示N次读数的平均值。此工具很容易实现监控滤波参数对电量、电流和电压的作用过程。

Maxim电表 - [MAXQ3180 (A6)]

 

MAXQ3180寄存器
MAXQ3180的寄存器可以分为两类:RAM寄存器和虚拟寄存器。

 

RAM寄存器列表

RAM寄存器列表
详细图片
(PDF, 334kB)

 

虚拟寄存器列表

虚拟寄存器列表
详细图片
(PDF, 241kB)

 

系统命令
主菜单提供丰富的系统级命令来帮助用户操作参考样表。

系统命令
 

Command Description
Restore configuration from flash memory Restores the values saved in MAXQ2000's flash back to the MAXQ3180's RAM registers. This command is executed automatically when the system powers up.
Save configuration to flash memory Saves the current MAXQ3180 register values into the MAXQ2000's flash memory.
Write default configuration Restores default setting values into MAXQ3180's RAM. Note that this operation does not alter the settings stored in the flash memory.
Erase configuration Erases the MAXQ3180 configuration information from the MAXQ2000's flash memory.
Read all registers Reads all registers associated with the currently active tab.

 

 

文件操作
支持3个文件操作命令,具体如下。

Maxim电表 - [MAXQ3180 (A6)]
 

File Operation Command Description
Open configuration Loads the contents of the configuration file into the software.
Save configuration Saves the configuration parameter into an XML file.
Export Data (CSV format) Exports all the MAXQ3180 registers to a comma-delimited text file.

 

 

配置文件
软件采用XML格式配置文件(MtrConfig.xml)来装载与设计相关的参数,比如:电压和电流的传送比(VFS和IFS)以及多个虚拟寄存器的分辨率。
 

<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<cls_Configurationxmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
?xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema">
  <Initialized>0</Initialized>
  <ComPort>1</ComPort>
  <Vfs>558</Vfs>
  <Ifs>15</Ifs>
  <Tfr>320</Tfr>
  <Ib>1.5</Ib>
  <VLSB>1</VLSB>
  <ILSB>0.0099999997764825821</ILSB>
  <PLSB>1</PLSB>
  <ELSB>0.0099999997764825821</ELSB>
  <Baud>115200</Baud>
  <EnableDataLog>true</EnableDataLog>
  <HarmonicDly>2</HarmonicDly>
  <Temp_CC>1024</Temp_CC>
</cls_Configuration>

EnableDataLogHarmonicDly这两个参数需要在本文件中直接编辑。其他的所有参数可以通过GUI软件界面更改。下面是对变量分辨率简要描述,详细内容参见数据资料。
 

Variable Description
VFS Voltage transducer value in volts. The AC-voltage input amplitude produces VREF/2 (~1.024V) volts on the voltage-input pins of the MAXQ3180. This MAXQ3180 reference design uses a voltage-divider consisting of 545kΩ (8 × 68 + 1) and 1kΩ, which gives a VFS = 545/1 × (2.048/2) = 558.08 ~ 558 (V).
IFS Current transducer ratio in amperes. It is the AC-current input amplitude that would produce VREF/2 (~1.02V) volts on the current-input pins of the MAXQ3180. This reference design uses a current transformer of primary/secondary ratio = 300 and a burden resistor value of 20Ω. So its IFS = 1.024 × 300/20 = 15.36 ~ 15 (A).
VLSB LSB for virtual voltage registers in nV. VLSB = 1 means a value of 1 in the virtual voltage registers, so (V.X, X = A, B, C) represents 1nV.
ILSB LSB for virtual current registers in nA VLSB = 1 means a value of 1 in the virtual current registers, so (I.X, X = A, B, C) represents 1nA.
PLSB LSB for virtual power registers in nW, VLSB = 1 means a value of 1 in the virtual power registers, so (PWRP.X, PWRQ.X, PWRS.X, PWRPF.X, PWRQF.X, PWRSF.X, X = A, B, C) represents 1nW.
ELSB LSB for virtual energy registers in nWh. VLSB = 1 means a value of 1 in the virtual energy registers, so (ENRP.X, ERNQ.X, ENRS.X, ENRPF.X, ENRQF.X, ENRSF.X, X = A, B, C) represents 1nWh.

 

 

精度测试
典型配置下的精度测试数据如下。注意:下面的数据来自不同的表在不同时间下的测试结果。如果没有特殊说明,所用电表都是在平衡负载的情况下校准。平衡负载的情况下比分相校准节省更多的时间。

 

有功功率—平衡负载

有功功率精度—组合平衡负载

 

无功功率—平衡负载

无功功率精度—组合平衡负载

 

有功功率—A相

有功功率精度—A相

 

有功功率—B相

有功功率精度—B相

 

有功功率—C相

有功功率精度—C相

 

有功功率—频率影响

有功功率与频率的关系

 

电流RMS—A/B/C相

电流RMS—A/B/C相

 

谐波:符合IEC相发射电流波形(IEC 60235:21)
采用IEC相发射标准波形进行测试,主要原因是它包含了大量的谐波成份,最高谐波次数到21次。注:谐波测量与谐波滤波器设置以及低通滤波器在输入电路中的位置有关。关于采用MAXQ3180/MAXQ3183进行谐波测试的详细内容请参见相关应用笔记。

相发射波形

下面是MAXQ3183谐波测试截屏(MAXQ3180也支持谐波含量测量功能)。测试结果是各次谐波含量相对基波含量的比例量显示。


使用MAXQ3183测试的截屏图

该结果也可以输出保存成CSV文件。下面的表格列出了样表(H(k)/H(1)列)和测试台测量(Tester列)之间的差异。

A相电流谐波—相发射

k AUX_CFG I.HARM H(k), in A H(k)/H(1) Tester
1 01C3 006D7B8D 6.41 100.0% 100.0%
2 02C3 00004D53 0.02 0.3% 0.0%
3 03C3 003A4A86 3.42 53.2% 53.3%
4 04C3 000002B73 0.01 0.2% 0.0%
5 05C3 0012D3A8 1.10 17.2% 17.3%
7 07C3 0011DAF6 1.05 16.3% 16.6%
9 09C3 00A01FC 0.59 9.1% 9.3%
11 0BC3 00094A3B 0.54 8.5% 8.8%
13 0DC3 0006025E 0.35 5.5% 5.8%
15 0FC3 000554FD 0.31 4.9% 5.2%
17 11C3 00039A99 0.21 3.3% 3.6%
19 13C3 00032661 0.18 2.9% 3.2%
21 15C3 00022FD3 0.13 2.0% 2.3%

 

矢量和(MAXQ3183) 
矢量和功能只有MAXQ3183提供,可根据需要使用。关于如何配置MAXQ3183用于矢量合测试的更多信息请参阅MAXQ3183数据资料和相关的应用笔记。

MAXQ3183支持两种矢量的计算:3电流矢量和和4电流矢量和。3电流矢量合是指三A、B、C相电流的矢量和。而4电流矢量是A、B、C和零线之间的矢量和。由于该参考设计没有零线电流输入端,所以在此只评估3电流矢量和。

 

平衡负载(IA + IB + IC)
下表是10A到0.02A平衡负载下的测试数据。第一组是电流有效值寄存器的读数(16进制)。第二组是将寄存器数据转化为安培值。从数据来看误差极小。第三组是3相电流矢量合的预期值,在平衡负载下应该是0。
 

  Source (IA + IB + IC) 10 6 1 0.1 0.05 0.02
Values of RMS Registers A.IRMS (1CC) 00AAAE2A 0066619F 001112C4 0001B610 0000DABC 00005654
B.IRMS (2B8) 00AAAB48 00666352 0011111B 0001B665 0000DC3A 0000593B
C.IRMS (3A4) 00AAB08A 0066665C 00111149 0001B3E3 0000DA16 000056C8
N.IRMS (11C) 00008B7E 00007652 00006D17 000033F2 00003729 00003462
Values of RMS Registers (A) X.IRMS in (A)
A.IRMS 10.001 5.999 1.000 0.100 0.050 0.020
B.IRMS 10.000 5.999 1.000 0.100 0.050 0.020
C.IRMS 10.001 6.000 1.000 0.100 0.050 0.020
Expected 3-Current Vector Sum IVS3 in A
N.IRMS 0.032 0.027 0.025 0.012 0.013 0.012
IVS3 Exp 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
IVS3 err (A) 0.032 0.027 0.025 0.012 0.013 0.012

 

非平衡负载(IA + IB + IC)
在非平衡负载下进行相同测试。
 

  Source (IB = IA/2, IC = IA/4); IA= 10 6 1 0.1 0.05
Values of RMS Registers A.IRMS (1CC) 00AAACF5 0066652C 0011114E 0001B43E 0000DAEA
B.IRMS (2B8) 00555225 0033331F 00088E13 0000DD04 00006E38
C.IRMS (3A4) 002AAEE9 0019A09B 00044478 00006C38 00003459
N.IRMS (11C) 0070F034 0043BC89 000B4ACA 00012574 00009AD6
Values of RMS Registers (A) X.IRMS in (A)
A.IRMS 10.000 6.000 1.000 0.100 0.050
B.IRMS 4.999 3.000 0.501 0.051 0.025
C.IRMS 2.501 1.502 0.250 0.025 0.012
Expected 3-Current Vector Sum IVS3 in A
N.IRMS 6.617 3.969 0.662 0.067 0.035
IVS3 Exp 6.614 3.969 0.661 0.066 0.033
IVS3 Err % 0.1% 0.0% 0.1% 1.8% 7.4%

 

原理图和BOM表

该设计采用两块板的结构,其中“热板”为计量电路,“冷板”是主机微控制器、通讯、显示(图5)。这两块板之间通过隔离SPI进行通讯。

图5. MAXQ3180参考设计系统框图
图5. MAXQ3180参考设计系统框图

 

计量板(热板)

MAXQ3180有三个电压通道,四个电流通道和一个内部温度测试通道。该参考设计电压采样部分采用电阻分压器,电流采样部分采用互感器(CT)。注:计量板支持零线电流输入,但是没有零线电流输入的表壳端子(图6)。图7图10所示为热板原理图。

图6. 该参考设计的热板有4个电流测量通道
详细图片
(PDF, 1.7MB)
图6. 该参考设计的热板有4个电流测量通道

图7. 热板AFE原理图
图7. 热板AFE原理图

图8. 热板IV接口原理图
图8. 热板IV接口原理图

图9. 热板电源管理原理图
图9. 热板电源管理原理图

图10. 热板隔离部分原理图
详细图片
(PDF, 248kB)
图10. 热板隔离部分原理图

热板BOM表

热板BOM表
详细图片
(PDF, 285kB)
 

主板(冷板)

主控板包括MAXQ2000微控制器、LCD显示屏和通讯接口电路(如图11)。图12图13所示为冷板原理图。

图11. 参考设计的冷板
图11. 参考设计的冷板

图12. 冷板电源和通讯部分原理图
详细图片
(PDF, 348kB)
图12. 冷板电源和通讯部分原理图

图13. 冷板微控制器和LCD部分原理图
详细图片
(PDF, 376kB)
图13. 冷板微控制器和LCD部分原理图

 

冷板BOM表

冷板BOM表
详细图片
(PDF, 357kB)

 

更新应用代码

该参考设计采用了MAXQ2000微控制器实现通讯、显示和其他用户接口功能。Maxim公司将会定期对MAXQ2000代码进行更新,以支持性能提升以及新的特性。应用代码可通过板载JTAG端口进行装载。在执行现场固件更新时,需要MAXQ® JTAG适配器和编程器来装载代码,这两个可通过第三方或者Maxim进行获取。Maxim对微控制器工具包(MTK)软件提供免费下载。

 

JTAG电缆连接

下载代码时微控制器的电源可以是交流或者单独给冷板供电。在使用交流供电情况下,将JTAG电缆连接到样表或者在程序装载期间一定要十分小心,千万不要触碰热板!下面将演示利用MTK进行代码装载。

操作前先将MAXQ3180样表下电!然后确保JTAG电缆的1脚和板上插座的1脚对应。正确连接时,电缆上的粉色条纹将对着LCD显示屏(图 14)。

图14. 正确连接JTAG电缆至冷板
详细图片
(PDF, 1.4MB)
图14. 正确连接JTAG电缆至冷板

 

 

使用MTK下载代码

  1. 启动MTK软件,然后选择MaxQ。

    启动MTK软件,然后选择MaxQ
     
  2. 从Options菜单选择JTAG适配器所需的串口:点击Options,然后点击Configure Serial Port。

    从Options菜单选择JTAG适配器所需的串口
     

从Target菜单点击Connect to MaxQ Loader。信息窗口会显示相关信息,如果出现“Successful in communicating with MaxQ Bootloader”,说明下载前的连接准备已经成功。注:在编程期间,MAXQ3180样表将停止工作,并且LCD屏幕无显示。

连接MaxQ加载器

从菜单中选择File,然后选择Load Code。

从菜单中选择File,然后选择Load Code

选择16进制文件装载到MAXQ2000中。

选择16进制文件装载到MAXQ2000中

当代码成功装载到MAXQ2000中,会出现Loading Completed Successfully信息。

下载成功之后,点击Target,然后点击Disconnect from loader。从样表中移除JTAG电缆(注意不要触及热板部分! ),重新给样表上电。样表启动之后LCD屏上显示的第一条消息为相应的设备名称(MAXQ3180或MAXQ3183)。

 

定购信息

MAXQ3180/MAXQ3183样表支持在线订购

Part Number Description
MAXQ3180-KIT MAXQ3180 reference design
MAXQ3183-KIT MAXQ3183 reference design

 

 

接下来?

在完成对样表的评估并了解到器件的众多特性后也许你的下一个问题是:“如何将这些丰富的功能应用到我的实际设计中呢?” 

下一步你可以申请几个样品。如果你拥有和样表相似的分立方案(例如AFE和微控制器)的现成设计,那么可以轻松的将它们用到你的设计中。然后对控制MAXQ3180/MAXQ3183的主控制器软件做一些必要的改变。在Maxim网站可获得参考代码和应用笔记以帮助您快速实现MAXQ3180/MAXQ3183的工作。如果你想要从现有设计和电路板开始,Maxim网站还提供了该参考设计的原理图以及布局文件。



¹关于如何订阅ee-mail请查看https://my.maximintegrated.com/cn/subscriptions/ee_mail/index.mvp
²有些样表的电流互感器为1.5(9)A,有些为1.5(6)A。当在您的系统上对样表进行测试时,请确保将输入电流限制在电流互感器的最大电流规格以下。电流互感器的规格可在互感器上找到。关于如何打开表盖的说明请参阅通讯连接/JTAG电缆部分。
³MAXQ3180内部的相角数据是通过有功和无功计算得来的,而不是直接测得。 

EE-Mail是Maxim Integrated Products, Inc.的商标。

MAXQ是Maxim Integrated Products, Inc.的注册商标。

Microsoft是Microsoft Corporation的注册商标和注册服务标志。

Windows是Microsoft Corporation的注册商标和注册服务标志。

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