Zaloguj
Oferta front-endów firmy Microchip, przeznaczonych do zastosowania w woltomierzach i licznikach energii, zawiera w chwili pisania niniejszego artykułu dokładnie dwadzieścia pozycji, których symbole rozpoczynają się wspólnym przedrostkiem MCP39 (tabela 1).
W naszym opisie zaprezentujemy cztery wybrane przykłady z tej rodziny, które dobrze nakreślają przekrój oferty półprzewodnikowego potentata – pozostałe modele stanowią raczej wariacje na temat tych samych funkcjonalności, przeważnie różniące się liczbą kanałów pomiarowych lub niektórymi dodatkowymi wejściami/wyjściami. Ponadto zaprezentujemy jeden z mikrokontrolerów PIC, przeznaczony do aplikacji mixed-signal oraz integrujący w sobie zarówno wydajny mikroprocesor, jak i wysokiej klasy, 24-bitowy front-end pomiarowy.
MCP3905A/L/06A
Rodzina układów MCP3905A/L/06A obejmuje trzy zbliżone konstrukcyjnie układy, różniące się jedynie kilkoma parametrami elektrycznymi. Schemat blokowy front-endów pokazano na rysunku 1.
Układy zostały zoptymalizowane pod kątem użycia w licznikach energii i watomierzach, korzystających z bocznika jako przetwornika prąd → napięcie, stąd kanał „prądowy” (CH0) zrealizowano w postaci wzmacniacza PGA, sterowanego binarnie za pomocą dwóch wyprowadzeń (G0, G1) i połączonego z 16-bitowym przetwornikiem ADC, na wyjściu którego znalazł się sprzętowy filtr górnoprzepustowy (HPF1). W zależności od wersji AFE, zakres wzmocnień wynosi 1-2-8-16 V/V (MCP3905A i MCP3905L) lub 1-8-16-32 V/V (MCP3906A). Kanał pomiaru napięcia ma natomiast stałe wzmocnienie i także zawiera własny przetwornik ADC z cyfrowym filtrem HPF1. Obydwa kanały mają wejścia różnicowe o maksymalnym zakresie napięć bipolarnych (względem masy) równym ±1,0 V. Zakres napięć różnicowych kanału prądowego wynosi ±470/G [mV] (gdzie G oznacza wartość wzmocnienia), zaś dla kanału napięciowego wynosi ±660 mV.
Wyjścia filtrów HPF zostały sprzężone z cyfrowym mnożnikiem, który – poprzez filtr dolnoprzepustowy LPF1 o częstotliwości odcięcia równej 8,9 Hz (rysunek 2) – połączony jest z blokiem konwersji E-F (energia → częstotliwość). Wartość częstotliwości wyjściowej FOUT, dostępnej na wyjściu różnicowym tworzonym przez linie FOUT0 i FOUT1, jest rzecz jasna zależna nie tyle od całkowitej energii zmierzonej przez układ, co od energii zakumulowanej przez pewien określony czas całkowania:
gdzie:
- V0 i V1 oznaczają napięcia RMS w kanałach CH0 i CH1,
- G – wzmocnienie toru prądowego,
- VREF – napięcie odniesienia (2,4 V dla wbudowanego źródła),
- FC – wybrana za pomocą cyfrowych linii F0...F2 stała konwersji.
Linie sterujące wpływają ponadto na wyższą 8, 16, 32, 64 lub 2048 razy (w porównaniu do FC) stałą HFC, która wykorzystywana jest do generowania przebiegu prostokątnego na wyjściu HFOUT [1].
Wyraźnie krótszy czas całkowania dla sygnału dostępnego na wyjściu HFOUT umożliwia pomiar energii w znacznie mniejszych porcjach, co ma istotne znaczenie dla dokładnej kalibracji liczników energii zbudowanych w oparciu o opisane wyżej układy. Różnicowe wyjście FOUT0/FOUT1 może natomiast zostać użyte albo do sterowania elektromechanicznymi licznikami, albo do współpracy z mikrokontrolerem, który zliczanie energii zrealizuje w sposób programowy. Dodatkowe wyjście NEG informuje współpracujące z front-endem obwody zewnętrzne o przekroczeniu przesunięcia fazowego równego 90° (więcej informacji na temat określania kierunku mocy można znaleźć w poprzednim odcinku Poradnika Implementacji).
Poszczególne układy z omawianej rodziny front-endów różnią się nie tylko zakresem dynamicznym (MCP3905L/A – 500:1, MCP3906A – 1000:1), ale także parametrami sygnału HFOUT – układy z końcówką „A” oferują ponad 4-krotnie wyższą częstotliwość w czterech zakresach pracy w porównaniu do wersji MCP3905L (która oferuje za to krótsze impulsy w porównaniu do pozostałych członków tej rodziny). Wszystkie front-endy oferują natomiast taki sam poziom dokładności pomiarowej równy 0,1% (dla określonego powyżej zakresu dynamicznego). Warto dodać, że z uwagi na brak kompensacji przesunięcia fazowego układy te nie nadają się do urządzeń realizujących inne metody pomiaru prądu niż prosty pomiar spadku napięcia na boczniku – sam układ wprowadza natomiast opóźnienie pomiędzy kanałami nie większe niż 1/MCLK (czyli jeden okres częstotliwości taktowania, równej standardowo 3,58 MHz).
Firma Microchip opracowała interesującą i bardzo prostą aplikację przykładowego licznika, wykonanego z użyciem: elektromechanicznego licznika impulsów, niewielkiej płytki drukowanej z układem MCP3905A oraz bocznika prądowego. Widok zmontowanego urządzenia pokazano na fotografii 1, a jego schemat ideowy na rysunku 3. Z uwagi na niski pobór mocy układ może być zasilany za pomocą prostego zasilacza beztransformatorowego z szeregowym układem RC i prostownikiem jednopołówkowym (D2, D3). Sieć rezystorów kalibracyjnych umożliwia precyzyjne dobranie stopnia podziału dzielnika napięciowego, tworzonego przez rezystor R4 oraz szeregowe połączenie R15, R16 i R5...R14 (zwieranych w razie potrzeby za pomocą zworek J1...J10). Wyjścia dostępne na zaciskach JP5, JP6 służą do bezpośredniego sterowania wejściem licznika elektromechanicznego, zaś transoptor U3 udostępnia bezpotencjałowe wyjście kalibracyjne, sprzężone po stronie pierwotnej także z czerwoną diodą LED D1.
MCP3909
Schemat układu MCP3909 został pokazany na rysunku 4. Stopień wejściowy front-endu ma konstrukcję bardzo zbliżoną do poprzednio opisanych AFE, z tą jednak różnicą, że w tym przypadku producent umożliwił bezpośredni dostęp do kilku podstawowych sygnałów cyfrowych obecnych wewnątrz struktury układu. Wyjścia filtrów górnoprzepustowych, jak i samych przetworników ADC, są podłączone do bloku kontrolera, wyposażonego w interfejs SPI. Linie CS, SDI, SCK oraz SDO mogą jednak pełnić także funkcje znane z opisanej poprzednio rodziny front-endów: wejść F0, F1, F2 oraz wyjścia NEG. Ponieważ jednak mnożnik cyfrowy z filtrem LPF1 i blokiem generatorów częstotliwości wyjściowych (HFOUT, FOUT0/FOUT1) są podłączone niejako „równolegle” do wyjść filtrów HPF, to układ może jednocześnie pełnić funkcję urządzenia slave dla nadrzędnego mikrokontrolera (poprzez SPI), jak i pełnoprawnego, sprzętowego licznika energii z wyjściem impulsowym. W przypadku korzystania z interfejsu SPI ustawienie współczynników częstotliwości może być wykonane także poprzez odpowiednie komendy szeregowe.
W przypadku układu MCP3909 użytkownik może pozyskać poprzez SPI kody wyjściowe obu przetworników ADC (2×16 bitów) lub słowo wyjściowe mnożnika cyfrowego (20 bitów). Funkcja odczytu gołych danych z przetworników ADC pozwala na zastosowanie bardziej zaawansowanych algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów już na etapie późniejszej obróbki w zewnętrznym procesorze – schemat funkcjonalny takiego algorytmu, umożliwiającego pomiar napięcia i prądu RMS, mocy czynnej i mocy pozornej, pokazano na rysunku 5.
Warto dodać, że ciekawą funkcjonalność zapewnia bezpośredni dostęp do wejścia filtru LPF, co umożliwia zasilenie go danymi przygotowanymi na potrzeby kalibracji, testów automatycznych itd. – układ traktuje dane przesłane przez linię SDI w identyczny sposób, jak gdyby pochodziły one z wbudowanego mnożnika.
MCP3910
Kolejnym układem z oferty firmy Microchip, który warto przedstawić w naszym przeglądzie, jest model o oznaczeniu MCP3910, którego schemat blokowy został pokazany na rysunku 6.
Front-end jest dalece bardziej zaawansowany w porównaniu do opisanych wcześniej układów i znacznie lepiej wpisuje się w nurt nowoczesnych AFE o dość uniwersalnym charakterze. Dwa kanały wejściowe zostały wyposażone w niezależne wzmacniacze PGA o zakresie wzmocnień 1-2-4-8-16-32 V/V i połączone z 24-bitowymi przetwornikami ADC typu delta-sigma o efektywnej częstotliwości próbkowania do 125 kSps (i to dla nadpróbkowania rzędu 32), taktowanymi przez wspólny dla całego układu blok generatora zegarowego (rysunek 7), dostarczającego konfigurowalne przez użytkownika sygnały do taktowania modulatorów i filtrów cyfrowych oraz ustalania prędkości odczytu (data rate). Wyjścia modulatorów są połączone z „własnymi” filtrami (SINC3 + SINC1), które – oprócz swojej podstawowej funkcji w konwersji sygnałów, biorą także udział w przesuwaniu fazy, ustawianej za pomocą specjalnego, 12-bitowego rejestru.
Sygnały wyjściowe filtrów poprzez 24-bitowe sumatory i mnożniki (używane do kalibracji wzmocnienia oraz offsetu napięciowego) są podłączone do wspólnego bloku kontrolnego, oferującego możliwości komunikacji przez SPI lub dwuliniowy interfejs szeregowy. Ten pierwszy może być użyty w bardziej rozbudowanych aplikacjach, wymagających pełnej kontroli wszystkich parametrów front-endu, podczas gdy drugi z wymienionych trybów pracy został silnie zoptymalizowany pod kątem redukcji liczby linii cyfrowych, niezbędnych do komunikacji z układem. Choć z pozoru mogłoby wydawać się, że taka opcja jest mało przydatna w układach wyposażonych w najprostszy nawet mikrokontroler, to w rzeczywistości uproszczenie szyny komunikacyjnej do dwóch jednokierunkowych linii znakomicie ułatwia projektowanie urządzeń, wymagających izolacji galwanicznej pomiędzy blokiem pomiarowym a resztą urządzenia (np. interfejsem użytkownika lub równorzędnymi modułami – w przypadku systemów trójfazowych).
Schemat koncepcyjny idei układu do pomiaru energii elektrycznej z prostą izolacją galwaniczną pokazano na rysunku 8. Warto dodać, że zastosowane przez konstruktorów firmy Microchip rozwiązanie znacząco zmniejsza koszty budowy urządzenia, gdyż odpowiednie zastosowanie dwóch szybkich transoptorów jest dalece bardziej przystępne finansowo niż korzystanie ze specjalizowanych izolatorów cyfrowych.
W trybie pracy dwuliniowej do przesyłania zegara z kontrolera nadrzędnego do front-endu używana jest linia SCK/MCLK, zaś do transmisji danych w drugą stronę – wyprowadzenie SDO. Warto zauważyć, że w tym przypadku nie mamy już możliwości konfiguracji parametrów front-endu poprzez łącze szeregowe – do tego celu służą więc inne wejścia cyfrowe: linie RESET, SDI, CS, OSC1 i DR przejmują role (odpowiednio) wejść OSR0, OSR1, BOOST, GAIN0 i GAIN1. Pierwsze dwa z nich (OSR0/1) umożliwiają ustalenie nadpróbkowania przetworników delta-sigma (64/128/256 lub 512), linia BOOST służy zaś do „podkręcenia” częstotliwości próbkowania (kosztem zwiększenia poboru mocy), a wejścia GAIN0/1 ustawiają wzmocnienie PGA kanału CH0 (dostępne wartości to: 1, 8, 16 i 32).
Co ciekawe, cały front-end – niejako przy okazji – automatycznie sychronizuje się w omawianym trybie pracy z zegarem (SCK=MCLK), co pozwala w prosty sposób osiągnąć pełny synchronizm wszystkich bloków pomiarowych współdziałających w systemie wielofazowym. Na marginesie warto wspomnieć, że układ MCP3910 nie ma żadnych wbudowanych funkcji typowo obliczeniowych (nawet mnożnika, znanego z poprzednio omówionych front-endów) – całość obliczeń należy zatem wykonać programowo po stronie nadrzędnego procesora.
MCP39F501
Układ MCP39F501 (rysunek 9) to zdecydowanie najlepiej wyposażony front-end „energetyczny” ze wszystkich zaprezentowanych w tym artykule. Dwa różnicowe wzmacniacze PGA współpracują z niezależnymi, 24-bitowymi przetwornikami ADC typu delta-sigma i filtrami SINC3, zaś dane otrzymane z obydwu kanałów są przetwarzane przez 16-bitowy rdzeń obliczeniowy DSP, komunikujący się z urządzeniami nadrzędnymi za pomocą interfejsu UART. Duży zakres dynamiczny (4000:1) i wysoka dokładność pomiaru (0,1%) to jednak zaledwie część zalet tego rozbudowanego front-endu – układ dokonuje bowiem sprzętowych obliczeń mocy czynnej, biernej i pozornej, wartości RMS prądu i napięcia, a nawet… częstotliwości sieci energetycznej (w zakresie 45...65 Hz) i współczynnika mocy. Co ważne – wszystkie wymienione parametry są mierzone z taką samą dokładnością. Obydwa tory pomiarowe (I, U) zostały wyposażone w niezależne filtry górnoprzepustowe, nie zabrakło też rejestrów przeznaczonych do cyfrowej kompensacji przesunięcia fazowego i offsetu DC (rysunek 10).
Producent zastosował ciekawe rozwiązanie w zakresie półautomatycznego, szybkiego wzorcowania. Po podłączeniu obciążenia o znanych wartościach prądu, napięcia i mocy czynnej wystarczy wpisać te parametry do odpowiednich rejestrów, a następnie wywołać pojedynczą komendę autokalibracji. Układ samodzielnie nadpisze wartości rejestrów konfiguracyjnych odpowiednimi liczbami. Dokładną kalibrację można też przeprowadzić dla pozostałych mierzonych wielkości, a metrologiczną jakość AFE podwyższa dodatkowo wbudowany tor pomiarowy z 10-bitowym przetwornikiem ADC, pozwalający na pomiar temperatury za pomocą wybranego czujnika analogowego. W połączeniu z wbudowaną pamięcią EEPROM opisane możliwości zapewniają potężne ułatwienie dla projektantów, którzy starają się zminimalizować funkcjonalny udział układów dodatkowych w aplikacji front-endu MCP39F501.
Warto poświęcić nieco uwagi metodom obliczeniowym, zastosowanym „na pokładzie” układu MCP39F501. Na rysunku 11 pokazano schemat przepływu danych podczas obliczania mocy pozornej. Próbki prądu i napięcia są podnoszone do kwadratu, po czym są uśredniane w niezależnych akumulatorach. Następnie spierwiastkowane wartości poddaje się skalowaniu, przemnażając je przez stałe kalibracji wzmocnienia. Tak powstałe iloczyny są następnie skalowane w dół w wyniku dzielenia przez stałe zakresów (RANGE), po czym mnożone w celu wyznaczenia wartości mocy pozornej.
Procedura wyznaczania mocy czynnej została zobrazowana na rysunku 12. W tym przypadku wartości prądu i napięcia są najpierw mnożone przez siebie, następnie uśredniane i wstępnie kondycjonowane w opisany wcześniej sposób (w tym przypadku z użyciem offsetu i współczynnika kalibracyjnego mocy czynnej), po czym skalowane w dół przez dzielnik zakresu.
Sposób wyznaczania wartości mocy biernej został pokazany na rysunku 13. Procedura przebiega w sposób zbliżony do poprzednio opisanej, ale z tą różnicą, że próbki napięcia są przesuwane w fazie o 90°, a dodatkowo offset mocy biernej jest odejmowany od wyniku uśredniania, nie zaś dodawany do niego (jak miało to miejsce w przypadku procedury z rysunku 12).
Warto dodać, że projektanci układu MCP39F501 poczynili jeszcze jeden krok w celu ułatwienia życia projektantom liczników energii bazujących na prezentowanym przez nas front-endzie. Linia MODE/DIR może być bowiem zastosowana do sterowania wejściem kierunkowym zewnętrznego transceivera (nadajnika/odbiornika linii) RS485, co schematycznie pokazano na rysunku 14. Na rysunku 15 zaprezentowano natomiast przykładowy schemat aplikacyjny układu z zastosowaną barierą galwaniczną interfejsu UART. Dla ścisłości należałoby zwrócić uwagę na bezpośrednie podłączenie linii UART_TX i UART_RX odpowiednio do anody diody nadawczej i kolektora fototranzystora poszczególnych transoptorów. Takie rozwiązanie wydaje się mało realne, tym bardziej że w nocie katalogowej trudno znaleźć jakiekolwiek informacje na temat niezbędnego tutaj ograniczenia prądowego na wyjściu szeregowym czy też linii podciągającej na wejściu UART_RX. W przypadku budowy praktycznego układu bazującego na MCP39F501 zdecydowanie lepiej zatem przewidzieć użycie w pełni cyfrowego izolatora galwanicznego, takiego jak wdrożony w przykładowej aplikacji producenta układ IL721-3E [2].
PIC18F87J72
Na koniec artykułu pozostawiliśmy ciekawy przykład połączenia front-endu analogowego z pełnowymiarowym mikrokontrolerem. Układ PIC18F87J72, którego schemat blokowy pokazano na rysunku 16, ma zaskakująco – jak na omawianą klasę układów scalonych – heterogeniczną strukturę.
Sam procesor jest bowiem umieszczony niejako obok front-endu (rysunek 17), o czym świadczy obecność osobnych wyprowadzeń przeznaczonych dla obydwu bloków. Co jeszcze ciekawsze, sprawa dotyczy nie tylko linii wejść sygnałowych i zasilających, ale nawet… wejść i wyjść cyfrowych, w tym odpowiedzialnych za interfejs SPI. Rozwiązanie takie umożliwia zatem podłączenie na wspólnej szynie SPI zarówno wewnętrznego AFE, jak i innych (zewnętrznych) układów podrzędnych.
Dobrym punktem wyjścia dla projektantów liczników energii bazujących na mikrokontrolerze z rodziny PIC18F87J72 jest nota aplikacyjna, z której zaczerpnęliśmy fragment schematu ideowego, pokazany na rysunku 18 – można na nim zobaczyć wspomniane już połączenie odpowiadających sobie linii interfejsu SPI pomiędzy blokiem komunikacyjnym procesora a front-endem. Natomiast na fotografii 2 widać zmontowany model licznika opisanego w nocie DS51931A.
Warto dodać, że rodzina PIC18F87J72, oprócz wbudowanego AFE, ma także szereg innych bloków i funkcji, doskonale wpisujących się w nurt energooszczędnych liczników statycznych – dość powiedzieć o rozbudowanym kontrolerze LCD z wewnętrznym układem podwyższającym napięcie, sprzętowym RTC czy też wsparciu emulacji pamięci EEPROM za pomocą samoprogramowalnej pamięci Flash.
Podsumowanie
Oferta firmy Microchip w zakresie front-endów analogowych przeznaczonych do aplikacji energetycznych okazuje się mocno zróżnicowana i obejmuje zarówno proste układy do podstawowych zastosowań, jak i zaawansowane front-endy z wbudowanymi silnikami obliczeniowymi, a dopełnieniem tego segmentu oferty znanego producenta półprzewodników są rozbudowane mikrokontrolery z wbudowanymi obwodami pomiarowymi. Znamienny pozostaje fakt, iż wszystkie zaprezentowane tutaj układy bazują na cyfrowym przetwarzaniu sygnałów pomiarowych i to już od najwcześniejszego możliwego etapu – konwersja na postać cyfrową odbywa się zaraz po wzmocnieniu za pomocą PGA i dalej cały proces (wielopoziomowa filtracja, mnożenie, kalibracja, skalowanie i inne obliczenia) jest już realizowany w pełni cyfrowo. Choć takie podejście do budowy front-endów może wydawać się pewnym zaskoczeniem, to w gruncie rzeczy trudno się temu dziwić – wszak uzyskanie precyzyjnego, stabilnego toru przetwarzania sygnałów mocy w sposób czysto analogowy byłoby wysoce nieopłacalne (zwłaszcza z uwagi na sam blok mnożnika). Tymczasem wszystkie oferowane przez Microchipa układy oferują doskonałą dokładność na poziomie 0,1% – w połączeniu z licznymi ułatwieniami i obecnością typowo „licznikowych” funkcji dodatkowych, zastosowanie gotowych AFE w licznikach energii, watomierzach czy też obwodach monitorowania poboru mocy w rozbudowanych systemach zasilania wydaje się całkowicie uzasadnionym rozwiązaniem.
inż. Przemysław Musz, EP
[1] Stała HFC zastępuje stałą FC we wzorze (1) podczas obliczania częstotliwości na wyjściu HFOUT.
[2] Zainteresowanych Czytelników odsyłamy w tym miejscu do projektu płytki ewaluacyjnej MCP39F501 POWER MONITOR PICTAIL (produkt ADM00509) – https://t.ly/iUEk.
