Maxim Integrated Products представил новый чипсет, состоящий из микросхем MAXQ3108 и DS8102, который сокращает номенклатуру применяемых материалов и их общую стоимость при разработке многофазных электросчетчиков. В совокупности MAXQ3108 и DS8102 заменяют три дорогостоящих токовых трансформатора тремя дешевыми шунтирующими элементами, сокращая при этом стоимость и уменьшая габариты. DS8102 включает два высокоточных дельта-сигма модулятора второго порядка с программируемым усилением 32х. Выходы модуляторов позволяют использовать кодирование в один битовый поток для уменьшения затрат на развязку и сопряжение данных. Обработка данных осуществляется в двухъядерном микроконтроллере MAXQ3108, к которому подключаются три выходных потока данных DS8102, и в котором осуществляется декодирование и децимация данных для получения первичных отсчетов АЦП в широком динамическом диапазоне. Отсчеты АЦП поступают во встроенный в MAXQ3108 цифровой сигнальный процессор, вычисляющий напряжение питания, потребленную мощность, коэффициент мощности, среднеквадратичное действующее значение напряжения и тока, необходимые для работы многофазного электрического счетчика. ИС MAXQ3108 и DS8102 снижают общую стоимость системы и позволяют увеличить гибкость и функциональность при проектировании многофазных электросчетчиков. Сигнальный процессор, интегрированный в MAXQ3108 - программируемый, что делает ИС отлично подходящим для применения в широком диапазоне промышленных систем сбора данных, в которых необходима развязка между физическими сигналами оборудованием сбора данных. Подробности применения доступны в руководстве по применению.

Главная проблема измерений: соотношение высокой точности и низкой стоимости.

Требования к измерениям изменяются достаточно быстро и становятся существенной проблемой для разработчиков счетчиков и потребителей измерительной аппаратуры. Использование электричества общественной сети потребителями энергии требуют осуществления точности измерения потребляемой энергии в широком диапазоне нагрузок. При непрерывном измерении больших объемов энергии каждый неверно отсчитанный киловатт представляет собой существенные денежные потери для поставщиков энергии. Обычный современный счетчик класса должен осуществлять измерение тока в соотношении не менее 1000:1. Это означает, что электросчетчик должен осуществлять измерение энергии с количественной погрешностью менее 1%. В тоже время современные промышленные измерения осуществляются в динамическом диапазоне 2000:1, а обсуждаемые значения составляют 5000:1. Кроме того, важно понимание того, что совокупная ошибка измерений схемы гораздо меньше совокупной ошибки устройства. Для счетчиков класса 1, например, типичная совокупная ошибка измеряющей схемы < 0.3%. К тому же напряжение в аналоговой линии питания варьируется в пределах 10% и ключевым элементом для достижения необходимой точности измерения является точное измерение значения тока. Есть три критических элемента, определяющих высокую точность измерения тока: АЦП, датчик тока, печатная плата счетчика. АЦП и датчик тока должны обеспечивать высокую точность измерений в широком динамическом диапазоне. Есть и дополнительные требования к датчику тока, но линейность является главным. Резистивный шунт часто применяется для однофазных счетчиков благодаря низкой стоимости и высокой линейности, но для многофазных счетчиков обычно используются два типа датчиков тока: токовые трансформаторы и дифференциальные di/dt датчики. В связи с тем, что действующее напряжение во всех трех фазах отличается, необходимо обеспечить развязку между сигналами напряжения и тока и собственно счетчиком.

Известно, что в трансформаторах тока и датчиках di/dt необходимая развязка аналоговых сигналов и цепей измерительной схемы осуществляется с помощью магнитного поля. Этим определяется, что точность измерения аналогового сигнала влечет за собой существенный рост стоимости для широкого динамического диапазона при следовании требованиям линейности. Наконец, при динамическом диапазоне 2000:1 и более к разработчикам пришло понимание необходимости перехода к более дешевым схемным решениям.

Предложенный чипсет снижает стоимость и расширяет гибкость при разработке многофазных электросчетчиков.

Модулятор-кодер DS8102 и микроконтроллер MAXQ3108 сформировали уникальное решение, которое отвечает требованиям по развязке и точности измерений для многофазных счетчиков. В трехфазных счетчиках используются три ИС DS8102 и один MAXQ3108. Каждый DS8102 устанавливается на своей фазе. DS8102 преобразовывает напряжение и ток на входах в высокочастотный цифровой поток, который через небольшой дешевый конденсатор поступает в MAXQ3108. MAXQ3108 изолирован по постоянному току от трех ИС DS8102, но связан с ними по переменному для получения цифрового потока. В результате получается, что осуществляется развязка каждого из DS8102 с другими фазами и MAXQ3108, а для измерения тока на соответствующей фазе используется шунтирующий резистор, дорогой токовый трансформатор не применяется, что уменьшает номенклатуру материалов при разработке и дает возможность снизить стоимость. Дополнительным достоинством решения является цифровая схема измерений, избавленная от снижения точности измерений при расширении диапазона входных аналоговых сигналов.

Ключевые особенности MAXQ3108:

Двухъядерный MAXQ3108 включает два 16-разрядных RISC процессора.

Ядро предоставляет пользователям следующие ресурсы:

64KБ Flash памяти программ; 2КБ SRAM данных;

16 байт SRAM данных для обеспечения работы от аккумуляторов;

Таймер реального времени с цифровым выравниванием;

Порты SPI, I2C, сдвоенный порт USART;

Аппаратный умножитель, три декодера Манчестерского кода, три фильтра третьего порядка;

Система автоматической подстройки частоты 10MHz с входной частотой 32КГц.

Процессор ЦОС содержит:

8KБ SRAM памяти программ пользователя;

1KБ SRAM памяти данных;

Аппаратный умножитель.

При отключении процессора ЦОС память программ пользователя может быть сконфигурирована для работы в качестве памяти данных. В такой конфигурации пользователь получает еще 10 КБ памяти данных.

Отсчеты АЦП (после децимации) могут быть обработаны как процессором ЦОС, таки с использованием ядра пользователя.

Ключевые особенности DS8102:

Два сигма-дельта модулятора второго порядка;

Программируемое усиление 32x;

Шифратор Манчестерского кода; Встроенный генератор 8Мц;

Встроенный источник опорного напряжения.

MAXQ3108 выпускается в 28-выводном корпусе TSSOP, DS8102 в 16-выводном корпусе TSSOP. Обе ИС работают в температурном диапазоне от -40°С до +85°С.