电子式电能表电原理图分析(王昌国)

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  电子式电能表电原理图分析(王昌国)

  2、 采样计量原理:

  工作原理、在电路中的作用

  图中 A 和 GND 为输入的单相电压(相当于 UA 和 N 或火线和零线),计量芯片的采样输入端为 V1P、V1N,计量芯 片会把这两管脚的电压差作为采样信号,并在计量芯片内部进行功率计算(P=UIcosΦ)。

  234

  图中 R1-R15 相当于一个可调电阻 R,然后 R 和 R17 串联分压,再通过 R16 限流、C11、C12 滤波后送入计量芯片。 R18 是个可选器件,当调节 R 使 R 为最小时,送入计量芯片的电压还太高的话再加上 R18,让 R18 与 R16 再串联分压, 使送入计量芯片的电压进一步减小。

  R19 是限流电阻,也是使 V1P 管脚与 GND 相连,使 V1N、V1P 之间能输入取样电压。C13 是管脚 V1P 的滤波电容。 特别注意事项
1、电压采样电阻我公司一般使用片式电阻,片式电阻可能会断掉,如果遇见 V1N、V1P 之间没有采样电压或电压

  值异常,可以首先测量图中每个电阻是否正常:使用万用表测每个电阻两端,阻值应该比它本身略小(因为在电路中每 个电阻两端都会相当于焊接有并联电阻。直接 2 个电阻并联或电阻一端悬空则不适用以上的阻值测量方法,阻值则要按 实际测量为准)。

  电压互感器采样(详解); C 原理图如下:

  B

  工作原理、在电路中的作用

  如图所示,在 1、2 脚之间输入需要采样的电压,3、5 之间则输出采样后的电压,比如输入 220V,输出 0.77V,(输入电 压和输出电压的变化是电压互感器本身决定的,因电压互感器不同而不同)。输出的 0.77V 直接送到计量芯片的 V1N、V1P 管脚。如果是三相电压,则要把三个输出的(对应输入 N)一端(比如图中 1 脚为 UA,2 脚为 N,则 5 脚“为输出的对应输 入为 N 的一端”)连接在一起作为取样信号的基准参考零电位。既我公司电路中的:Vref。

  1

  UIN 2

  3

  UOUT 5

  使用电压互感器的好处是采样后的电压是和输入的电A压隔离的,对于从电压线路传导来的高频干扰电表的信号有衰减作 Date: 11-Oct-2001 Sheet of

  用,电表能通过抗电磁干扰(浪涌、群脉冲、脉冲电压等)的能力比直接电阻降压取样的要强。

  File: D:\中转区\MyDesign.ddb DrawnBy:

  234

  但是对电压互感器的变比精度要求高,制作电压互感器的材料工艺都会要求更严格,成本就高。

  D

  电阻降压再电压互感器采样(详解); 原理图如下:

  工作原理、在电路中的作用
电阻降压再电压互感器采样是综合以上两种采样而成的。原理同上两种综合。
注意事项
1、成本比单纯电压互感器采样低,而隔离比单纯电阻采样高。
2、如果 VT1 和 Vref 之间没有电压或电压异常,则要查 R9 与 N 之间有没有电压,如果有,则故障在 VT1 和 Vref 连接的

  电路上。如果 R9 和 N 之间没有电压则要查 R8、R7、、、、、R1 对 N 是否有电压(注意改变万用表的量程:UA 和 N 之间是输 入的电压 220V、100V、57.7V 等),来判断是否有个电阻不正常。

  2.2、电流采样: 电流互感器采样 原理图如下:

  工作原理、在电路中的作用

  图中除 RL 外的电路就是电流互感器的电路,电流互感器原理就是变压器原理:U1/U2=T1/T2,I1/I2=T2/T1。那么我们的 电压互感器是输入 1.5A,输出 7.5mA 的话,其实就是初级“1Turn”为 1 圈,则次级”N2Ts”为 1.5A/7.5mA=200 圈。

  输出的电流必须要转化为电压加到计量芯片的电流通道上,由欧姆定律 U=RI,在电流通道的两个管脚之间加一个电阻, 则可以使两管脚之间的电压随输入的电流变化而变化。达到采样的目的。

  当然 RL 取样电阻周围还有电容旁路、滤波,或者还有电阻限流。其原理和前面讲的相同。
注意事项 1、取样电阻的值要满足计量芯片的输入要求:最小要多少才能计量,最大要多少才不会溢出。这些参数要电流规格、电

  流互感器变比、取样电阻值、计量芯片自身参数决定。计量芯片 V1N、V1P 管脚之间没有电压,则查 RL 两端是否短路,没 有短路则焊下电流互感器次级,再给电流互感器次级另外单独焊接一个电阻,加电流测试单独电阻两端是否有电压,有电压, 则电流互感器是好的,芯片电压取样的部分有问题(包括电阻、电容、芯片本身):有短路(把取样电压接地)或开路(电压 线路开路,电压不能到芯片管脚去)。

  锰铜分流器采样;

  原理图如下:

  红色 黄色 蓝色 焊接导

  线图

  (既GND)

  N 2

  工作原理、在电路中的作用

  图中电流流过锰铜分流器,在黄色和蓝色引线之间的电阻由欧姆定律 U=RI 可以取样流过的电流,其取样值一般会降低 很多倍,和使用的锰铜分流器的取样电阻有关。我公司使用的锰铜分流器取样的电阻一般有:120uΩ、300uΩ、500uΩ、1000u Ω、1600uΩ。那么相应的降低倍数为:1/120u=83333 倍;1/300 u =3333 倍;1/500u=2000 倍;1/1000u=1000 倍;1/1600u=625 倍。然后经过 R1、R2 限流、C1、C2、C3 滤波、移相位,最后送入计量芯片。C2 是调节容感性误差的电容,硬件校表的电 表必须有焊盘保留。软件校表的电表通过软件可以调节容感性误差,一般没有这个焊盘。

  2.3、计量芯片原理:电源、晶振、采样输入、脉冲输出、各种信号输出等; 原理图如下:

  图中是 ADE7755 的功能框图。
ADE7755 的工作过程大概如下: 1、外部电路提供“AVDD”模拟电源、“DVDD”数字电源给芯片:一般我们电表直接把这两个脚并联到 VCC 上(电表供给

  主芯片的电压),不会分别提供不同的“AVDD”模拟电源、“DVDD”数字电源; 2、外部电路提供外加时钟,一般是在“CLKIN”和“CLKOUT”之间加一个石英晶体振荡器,为 ADE7755 提供时钟; 3、 通过 的电平选择,地和 接通(下拉)或 AVDD (DVDD)与 接通(上拉),从而改变 的电

  平状态, 为高电平(上拉)或为低电平(下拉),可以选择高通滤波器 HPF 是否选通, 为高电平时,

  HPF 选通。电表使用 ADE7755 时要使 HPF 选通。既 与 AVDD (DVDD)接通。 4、 按照要做的电表的规格需要,确定 SCF、S0、S1 的电平状态(高或低),具体数据如下:

  5、 按照电流采样信号的范围情况,确定 G0、G1 是接地还是接高电平。具体数据如下:

  图中 G 表示增益。

  6、

  脚(ADE7755 复位脚)接高电平,使 ADE7755 不会复位。

  7、REF(基准电压输入或输出都可以)一般使用 ADE7755 内部的基准源,在 REF 与 GND 之间要加电解电容和瓷片(贴 片)电容滤波、旁路。

  8、以上各脚的状态确定后,ADE7755 就可以正常工作了。把 V1 通道(V1N、V1P)和 V2 通道(V2N、V2P)的信号在 内部进行相关处理(P=UIcosΦ,F1、F2 输出脉冲处理,CF 输出脉冲处理等等),输出 F1、F2 间脉冲,CF 的脉冲。

  其他的计量芯片工作情况大致与 ADE7755 相象,只是可能是三相电能计量、内置晶振、频率的选择方法等等不同,对于 误差、相位、功率等等有着更精确的算法和补偿。

  注意事项

  如果电表显示正常,而没有脉冲输出,可以查计量芯片的工作状态。按照如上所说的原理:首查电源,次查输入信号和 输出信号、再查晶振。如果有输入没输出,那就是输出口有问题,开路或对地短路。如果输出口没有开路,也没有对地短路, 那就只能是计量芯片坏了。如果这些都正确,那将可能是计量芯片和单片机通讯线路有问题(开路或对地短路),所以这时要 查电表显示项是否有电压显示(没有校准的电表电压可能不正确,但是显示的电压能随着电表加的电压波动而波动,则表明 计量芯片和单片机通讯正常。这时就要查 485 口是否通,波特率是否正常。注意:查波特率时,程序可能会自适应带“FE” 开头的数据,但是校表软件是不发“FE”的,所以最好的查波特率的办法是使用国标带“FE”的掌机或 PC 机程序设置波特 率为特定的值(1200、2400、4800、9600 等),然后明确地知道波特率,再进行校表。

  单片机原理(了解): 工作条件、工作过程

  . 1、  电源:有稳定电源才能工作,具体电压数值要满足单片机本身的要求,单片机才能工作; 


  . 2、  晶振:晶振的频率要正确,单片机才能正常工作; 


  . 3、  复位脚要满足不复位:在单片机内部出现异常时才需要对芯片复位,使单片机从程序最开始处重新运行,程序正常 
运行后复位脚也恢复正常的非复位状态。一直在复位也不正常,则单片机一直不能正常工作,总是在:回到程序最 
 开始处运行—复位—回到程序最开始处运行。

  . 4、  与计量芯片的通讯:一般是有专门的线路直接通计量芯片的信号输出脚; 


  5、脉冲输出:能收到计量芯片的输出信号(电压、电流有显示),如果是从单片机输出脉冲信号,则脉冲灯应该闪烁,

  脉冲测试信号应该有输出,如果没有,则进行一次增益校准,增益校准合格,如果脉冲还是没有,则查单片机脉冲输出口是 否有信号。

  6、各种信号输出:各种信号(如 1Hz 输出、有功远动输出、需量更替信号输出等等)的输出都是当电表状态满足软件要 输出信号的要求时,由单片机管脚输出信号,经过输出电路的器件(电阻、三极管、光耦等等)输出到功能端子上。

  注意事项

  判断单片机是否损坏和判断计量芯片的方法相象。

  3、主电源 VDD 给电表各个部分(单片机、红外、EEPROM、计量芯片、光耦、脉冲灯)供电的电路 原理图如下:

  图一

  图二

  工作原理、在电路中的作用
工作原理是:
1、 二极管的单向导电性,
此电路中 VDD 到 VCM、VCW、VCU 都是经过了一个二极管,二极管导通时,会有 0.7V 的 PN 结电压降,现在大家可

  以明白为什么电源供电电路中要在 MC7805CT 的 GND 管脚加一个二极管抬升电压了。
VDD 到 VCM、VCW、VCU 之间加二极管是为了 VCM、VCW、VCU 之间的电压隔离(只是电路通断的隔离,不是我

  们经常说的抗 EMC 的隔离),可以看到:如果 VCM 出现一个异常高压 U,那么 D201 降截止,U 不能影响 VDD,也就不能 影响其他 VCW、VCU。避免了一个电路损坏,而全部电路损坏。

  对于只要一个电源的表:比如单相表或三相的简易表则没有这个必要。
2、 电源并联使用特性(电池和超级电容),电容的储能特性(超级电容) 两个电源并联时,起作用的将只有电压高的那个电源,电压低的那个串接有二极管,二极管将因为反偏置而截止,从而

  电压低的那个电源不会有电流输出(既不工作)。图中 C203、B201、D204 正是起到了这样的作用。
C203、B201、D204 这样接的原因是:利用电容储能的特性,保证 B201 不会长期工作,达到节约 B201 电能的作用。当 有外部电源供给 VDD 时,VDD 将通过 D203、R201 对 C203 进行充电,当 C203 的电压达到 VDD 减去 D203 的结电压时, C203 上的电压将不能再高,对 C203 的充电完成。当 VDD 消失后(外部电源停止供电),C203 将通过 R201 对 VCU 进行供 电,D203 因为反偏截止,C203 不会对 D203 之前的电路供电。此时 D204 两端电压为反偏,因为 C203 电压是 VDD 减去 D203

  的结电压,约 5V,而电池 B201 的电压是 3.6V,所以 B201 不能通过 D204 对电路供电,只有 C203 供电。
当 C203 供电导致自身电压降低到 2.9V(3.6-0.7)时,D204 正偏且电压达到 0.7V,D204 导通,B201 通过 D204 放电对

  电路进行供电。并且 B201 也会通过 R201 对 C203 充电,C203 两端电压将一直保持一定值(B201 电压减去 D204 正向压降)。 至于 B202 及其周围电路,则是和 B201 相同,为什么要多加一个电池呢,是为了能够保证使用电池供电的时间更长。当 两个电池供电使,相当于两个电压相同的电源并联,供给外部电路的电流将一个电源一半,电池消耗能量的速度也将是原来

  的一半。我公司一般的做法是 B201 及周围电路和 B202 周围电路全做好,B202 不安装在电表上,而把 B202 的位置预留下, 当客户实际使用时,检查 B201 的电压不够了再安装上 B202,由 B202 供电。多功能表检测 3.6V 电池电压可以检测到的电压 值为最高 3.6V,然后电池电压下降则检测值也随之下降,基本保持一致(有一点点偏差,但不会太大),直到电池电压为 0V。

  有人会问,那么 B202 不会对 B201 充电吗?对非充电电池充电是可能导致电池损坏,甚至爆炸的啊。这里在 B201 和 B202

  之间是有 D204、D206 隔着的。D204 处于反偏,则 B202 不能对 B201 进行充电。
C203、B201、B202 的工作电流检测:测试分别串联在 C203、B201、B202 上的 R201、R202、R204 两端的电压,再使

  用欧姆定律 I=U/R 计算,可以得出 C203、B201、B202 相应的工作电流。
B201、B202 的电压检测,B201、B202 分别经过 D205、D207 给单片机一个信号 BATA(电压和电流)。R203 是为了稳

  定 BATA 信号,不然 BATA 波动则直接影响单片机检测值。然后 R203 和 C204 组成一个对尖峰噪声的吸收、泻放电路,当有 噪声时,C204 对高频信号短路,使噪声对地。噪声过后,C204 通过 R203 放电,去除 C204 上存储的高于 BATA 的电量。而 R203 的选择要很大(10M 以上),因为 B201、R202、D205、R203 是组成了一个回路的,如果 R203 太小,将导致 B201、B202 通过以上回路放电的电流过大,造成电池功耗损失。

  3、 三极管的导通控制特性(6V 电池是否加入 VCU 供电由单片机控制)。

  图二是 6V 电池在电表电路中的电路。图中 CTLWB 是单片机给的是否使 6V 电池参加电表工作的信号(控制信号,由软 件控制)。R8、R9 是 Q202 的偏置电阻,B203 通过 R205、R206、R207 给 Q202 集电极提供电源。当 CTLWB 为低电平时, Q202 由于基极没有电压和电流而截止,Q202 截止则 Q201 基极电压悬空,Q201 基极电压为 B6V,Q201 因为基极无电流而 截止,B6V 不能通过 Q201,6V 电池不能参加电路工作。

  当 CTLWB 为高电平时,由于 R208、R209 的分压作用,使 Q202 基极和发射极之间有电压(且超过 Q202 的死区电压) 电流,Q202 导通。Q202 导通则 Q202 集电极电压为低电平,R207 接 Q202 集电极端为低。这样 B6V 因为 R206、R207 分压 对 Q201 基极提供偏置电压和基极电流。Q201 导通,B6V 通过 Q201 的集电极到发射极,然后再通过 D208 到 VCU,Q201 对电路进行供电。

  各位同事要自己分析各个器件的作用。

  注意事项

  当已经判断电源板提供的电压是正常的,而 VDD 电压为零或没有 5V 时,可以分别断开 D201、D202、D203 再检查 VDD 是否恢复正常。如果断开某一路后 VDD 恢复正常,则表明此路电路有短路,可以进一步查后级电路。

  4、通讯:

  4.1、红外通讯; 原理图如下:

  工作原理、在电路中的作用
工作原理是红外发射管把电信号变红外光,红外接收头把红外光变电信号。
图中 VCB、VCA 是由 VCU 通过单片机控制的,提供给红外发射电路和红外接收电路的工作电压。C1、C2 对 VCB 进行

  滤波(同前面的电源滤波)。R1 为 Q1 的偏置电阻,但是 R1 要选择恰当,做到当没有 TXDI(通讯内容:数字信号,表现为 电平形式,高电平为 1,低电平为 0)信号时,Q1 不会导通,当有 TXDI 信号高电平时 Q1 会导通。R2 是单片机给的 TXDI 信号的限流电阻。当 TXDI 为高时,Q1 导通,VCB 通过 Q1 集电极到发射极,再通过 R3、R4 加到红外发射管 D1 正极上, 电流流过 D1 到电源地,D1 发射出红外光信号。R3、R4 为并联,如果只焊接一个则流过 D1 的电流会小一些,D1 发的红外 光会弱一些,如果调整 R3、R4 的值会影响红外通讯的功耗和通讯距离:功耗大则通讯距离远,功耗小则通讯距离近。当 TXDI

  为低时,Q1 截止,VCB 不能通过 Q1,不能使 D1 发射红外信号。这样 D1 就会按照 TXDI 信号的高低电平变化而发射或不发 射红外光信号,接收到 D1 发射的红外光信号按照相反的理论就是红外接收的过程:有光信号则输出高电平,无光信号则输 出低电平。然后按照规约的编码规则进行处理,就实现了红外通讯。

  U1 就是把红外光信号转换为高低电平的专门器件:红外接收头。VCA 通过 R5 给 U1 提供电源,C3 是对 VCA 的旁路电 容。U1 的 OUT 脚按照接收到的红外信号的变化而变化,输出高电平或低电平。VCA 通过 R6 给 OUT 脚一个高电平,但是 R6 的阻值很大,当 OUT 脚为低电平时,VCA 通过 R6 给 OUT 脚的高电平将被拉为低电平,给单片机的 RXDI 为低电平。当 OUT 脚为高电平时,给单片机的 RXDI 为高电平。这样给单片机的 RXDI 信号将随 U1 接收到的红外光信号的变化而变化, 实现外部信号和单片机的通讯。

  注意事项

  红外通讯不成功则按照以上的信号流程检查各个环节是否有电信号,判断相关的器件是否损坏。原则是:信号能通过, 则器件是好的;信号不能通过,则器件是坏的。

  4.2、485 通讯; 原理图如下:

  工作原理、在电路中的作用
光耦合器的光隔离原理,485 芯片的通信原理。 如图所示,光隔离器内部是一个发光二极管和一个光敏三极管构成的。
图中,U1 的发光二极管正端通过 R4 连接到 V485。当 RXD1A 为高电平时,U1 内的发光二极管由于两端电压没有

  达到二极管正向导通电压,所以二极管不导通,二极管不会发出光信号,光敏三极管因为基极没有信号而截止(不导通), Q1 基极也就没有信号,Q1 也是截止,则 RXDA 不能通过 Q1 与 GND(低电平)相通,RXDA 的电压为通过 R1 连通 VCM 的电压,RXDA 为高电平。既 RXD1A 为高电平,RXDA 也为高电平。

  当 RXD1A 为低电平时,U1 内部的发光二极管因为正向偏置而导通,发光二极管发出光信号,光敏三极管接收到这 个光信号而导通,VCM 通过光耦的光敏三极管、R3 对 Q1 提供基极偏置电压、电流,Q1 导通,Q1 集电极和发射极导通, RXDA 接在 Q1 集电极,集电极和发射极导通,发射极是接 GND 的,所以 RXDA 电平为 GND,RXDA 为低电平。既 RXD1A 为低电平,TXDA 也为低电平。

  以上就是 RXD1A 和 RXDA 的传输,过程中可以看到 RXD1A 转化为 RXDA 后,所有的信息都没有变化,那么为什 么要通过光耦转化一下呢,又没有放大、衰减或进行其他的处理。这里只有一个目的:使 RXD1A 和 RXDA 没有电路(有 电子信号直接连通的电路)上的连接,这样可以使 RXD1A 处出现的破坏性信号(高电压、大能量的干扰或错接)不能 直接加入 RXDA 信号线路,保护 RXDA 线路。

  那为什么要保护 RXDA 线路呢?是因为 RXD1A 是 485 通讯的线路信号,485 的通讯线路在实际使用时是有引线连 接到电表表壳以外的,连接到表壳以外的引线就有可能会接入高电压、大能量的破坏性信号(比如被雷电击中)。而 RXDA 线路是直接连接到单片机的管脚的,RXDA 出现的破坏性信号将直接接入单片机,会破坏单片机。此时单片机被破坏将 不只是破坏了 RXDA 这一个线路,而将是不可预知的破坏,可能是 RXDA(通讯)损坏,可能是单片机全部损坏。当 RXDA 和 RXD1A 之间用光耦隔离后,RXD1A 上出现的破坏性信号将被光耦进行隔离(或衰减),因为光敏三极管最大 的输出信号最多只能是它导通的情况,破坏性信号的峰值再大,光敏三极管最多也只能是导通。当然,破坏性信号峰值 很大时,可能会损坏光耦的发光二极管。

  但是在实际应用中,也发生过+6KV、-6KV 脉冲电压试验(电表所有电压、电流线短接在一起为 A 点,电表所有功 能端子短接在一起为 B 点,A、B 两点之间加脉冲电压)后,电表单片机损坏的事件。我们分析原因可能是:破坏性信 号的频率很高,电压峰值很高(6KV),通过空间辐射使 RXDA 产生强信号,强信号损坏单片机。当时的那款表会损坏主 要原因是因为使用的单片机的作为 RXDA 的口抗干扰能力不好,为了解决这个问题,我们换用了另外一种有防高电压破 坏信号功能的光耦(TLP421-GR:白色的颜色,可能大家还有影象)。

  同 RXD1A 和 RXDA 的光耦隔离原理,TXD1A 和 TXDA、CTLA 和 CTL1A 也是同样进行工作的。 明白了光耦的通信原理,我们接着讲通过光耦的信号是从哪里来的,又到哪里去的。
总体来说 485 通讯电路的目的是实现电表(单片机)和外界(通过 485 口)的仪器(个人电脑或掌上电脑)的通讯,

  这里我们定义仪器为主站(因为我们是控制仪器,主动发出信号),电表为从站(跟从主站的信号被动做出反应)。主站 信号肯定是从仪器来,到单片机去;然后应答的信号又从单片机来,到仪器去。从而实现了通讯。

  485 电路只有两根线,信号用两根线的电压差来表示(差模传输):电压差为高电平(一般要求 2.9V 以上)则表示 信号 1,电压差为低电平(0.9V 以下)则表示信号 0,换言之就是 485 电路只有一个信号通道。那么主站信号和应答信 号都是从一个信号通道通过,那肯定会冲突,信号传输时,如果主站信号和应答信号一起在通道上出现时,那通道上的 信号将是混乱的,无法分辨哪个电平是主站信号,哪个电平是应答信号,如果全部接收进行解码,那解码后的数据也是 不符合规约的,数据不符合规约,程序就无法识别和进行相应处理,通讯就会失败。所以我们就要控制 485 芯片和单片

  机,让它们知道现在是主站信号还是应答信号,然后它们再根据信号的性质进行处理。 当主站没有发出主站信号时,电表也不会发出应答信号。所以,当主站和电表没有进行通信时,电表一直处于等待

  主站信号的状态,就要求通道处于接收(电表接收信号)状态,电表接收到主站信号后,单片机对信号进行相应的处理, 单片机控制通道处于发送(电表给仪器信号)状态,单片机发送应答信号,应答信号通过 485 电路给仪器,仪器接收到 信号进行处理。

  图中,RE_、DE 是控制 SN75LBC184P 处于接收还是发送通道工作的控制脚。RE_为低时,SN75LBC184P 处于接收 信号通道工作状态,把 A、B(SN75LBC184P 的第 6、第 7 管脚)口之间的信号通过 RO 传输到 RXD1A。当 RE_为高时, SN75LBC184P 不处于接收信号通道工作状态,不能把 A、B 口之间的信号传输给 RO。DE 为高时,SN75LBC184P 处于 发送通道工作状态,把 TXD1A 信号从 A、B 口输出给仪器。当 DE 为低时,SN75LBC184P 不处于发送通道工作状态, 不能把 TXD1A 信号传输给 A、B 口。

  所以,我们在使用 SN75LBC184P 时,是把 RE_、DE 接在一起的,RE_、DE 同为低,则 SN75LBC184P 一定处于接 收信号通道工作状态,一定不处于发送通道工作状态。RE_、DE 同为高,则 SN75LBC184P 一定不处于接收信号通道工 作状态,一定处于发送通道工作状态。

  而且,在没有仪器和电表通讯时,RE_、DE 是为低电平的。当单片机接收到仪器给的信号,单片机处理后要发应答 信号给仪器,则单片机会置 CTLA 为高电平,从而 CTL1A 为高电平,RE_、DE 为高电平,信号通过 TXD1A 传输到 A、 B 口,仪器通过 A、B 口接收到信号。
注意事项

  如果 485 通讯不能成功,则使用仪器连续发通讯命令(可以是抄表或设表),然后按照:仪器→485 的 A、B 口→485 的 RO→RXD1A→RXDA→TXDA(单片机对于抄表、设表命令都会返回应答信号)→TXD1A→485 的 A、B 口来检查。检查每 一个点对地的电压是否变化,有变化表示有信号来到这个点,上级器件正常,再查下一点。没有变化表示信号没有来到 这个点,信号被上级器件阻断了,上级器件损坏或工作不正常。注意一个问题:测试的地要和信号相对应:光耦单片机 一侧的点使用 GND 作为地,光耦 485 芯片一侧的点使用 GND485 作为地。
4.3、GPRS 通讯(了解);
工作原理

  我们习惯把无线上网通讯称为 GPRS 通讯,其实 GPRS 通讯是无线上网通讯的数据传输方式中的一种,另外还有一 种数据传输方式是 CDMA 通讯,至于还有没有其他的数据传输方式,现在实用的只有 GPRS 和 CDMA 两种。

  电表的 GPRS 通讯原理和手机或电脑的 GPRS 通讯(无线上网)原理是相同的。电表通过使用 GPRS 模块或 CDMA 模块把要发送的信息(程序已经做好)进行编码(CDMA)或封包(GPRS),编码编好的或封包的信息通过网络运营商 的电表附近的基站的作用被基站接收到,基站把数据发送到卫星,卫星再发数据传输到目的地基站,接收仪器(一般是 电脑)通过 GPRS 模块或 CDMA 模块接收到数据,进行数据处理。

  实现远程的实时通讯。好处是可以随时知道电表的运行状态和电网情况,只要有无线网络覆盖的地方就能通讯,与 主站(电脑)到电表的距离无关。如果使用人工查看则会耗费很多时间,而且信息会滞后(现在汇报的只能是刚离开时 的情况,现在什么情况是不能肯定的),使用载波通讯方式则通讯距离受很大限制。但是无线上网通讯要向网络运营商付 钱,成本是长期存在的。

  5.1、黑白段式液晶和黑白点阵液晶显示: 液晶显示器的电原理图如下:

  5、输出:

  工作原理、在电路中的作用 黑白段式液晶(显示器)和黑白点阵液晶(显示器)主要是利用液晶的对电场的敏感特性来实现的。液晶是介于固

  体和液体之间的一种物质存在状态。大自然中存在(经人工提纯后)的或人工合成的某些液晶有个特殊特性:无电场加 在它们上时,它们是透明的;有电场加到它们之上时,它们会呈现为不透明;电场消失后,它们又恢复原来的透明状态(根 本原理是电场使液晶内部晶体的排列发生变化,造成光能通过液晶或不能通过液晶)。黑白段式液晶(显示器)和黑白点 阵液晶(显示器)就是这样实现的。当需要显示某一段或某一点时,就在这一段或一点液晶上施加一个电场。我们经常 见到和听到的“COM 口”就是加在这些段或点上的一侧电极上的电压,当需要显示某一段(或点)就在这一段(或点) 的另一侧电极上施加一个信号(改变液晶所处环境的电场),这个信号就是液晶上除“COM 口”以外的其他管脚信号(段 电极)。以“COM 口”与其他管脚信号(段电极)的组合,就组成了可以选择点亮液晶的所有段(或点)或只要显示需 要的段(或点)的功能。

  具体的电压怎样分压分压,怎样点亮选择点,怎样不会点亮非选择点和半选择点,这些问题我们这里不做详细分析, 因为我们的实际维修中用不到这些具体的知识。有兴趣想知道具体原理的同事可以查阅研发中心书籍《液晶显示应用技 术》。

  我们实际维修中如果发现主板有电源但是液晶不显示,可能测试液晶的 COM 口的信号波形,COM 口的正常信号应 该是阶梯波的样子,如下(可能不是完全吻合,但是应该很相象):

  实际维修中,我们可能没有示波器来看这些波形是否正确。简易的办法是用万用表测量液晶各个管脚对 GND 是否 有直流电压。一般情况下,如果有直流电压则液晶驱动芯片有输出信号,没有直流电压,则液晶驱动芯片没有输出信号。 没有输出信号则检查液晶驱动芯片的电源是否正确,电源正确则检查单片机输入给液晶驱动芯片的信号是否正确。然后 再按照信号是否正确的方法查单片机等等。可以排除故障。

  5.2、背光板电路;

  原理图如下:

  背光板的工作原理

  背光板是使用可发光的物体(电至发光膜、白炽灯、冷阴极发光管、发光二极管等,一般都使用发光二极管)作为 光源,使用透明塑料做导光板,然后导光板背面贴反射膜(用来反射光),导光板正面贴散光膜(用来散射光)。从而使 发光二极管发出的光均匀地从背光板正面散射出去,达到使背光板正面的液晶有光从背面射出,液晶可以在黑暗环境中 显示的目的。

  背光板在本电路中的作用

  在本电路中,背光板 BGB 的作用是:当有足够电源对背光板作用时,背光板发光。背光板 1 脚(发光二极管的正极) 接 VCM(高电平),当 LIGHT 为低(单片机控制)时,三极管截止,三极管集电极和发射极不导通,背光板 2 脚(发光二 极管的负极)为悬空(未接通 GND),则背光板的发光二极管两端没有电压,发光二极管不能发光。当 LIGHT 为高(单片 机控制)时,三极管导通,三极管集电极和发射极导通,背光板 2 脚(发光二极管的负极)为低电平(接通 GND),VCM 电流经过发光二极管、限流电阻、三极管的集电极、三极管的发射极,最后到 GND。于是形成稳定的电流,发光二极管 发光。
5.2、脉冲灯和光耦隔离误差输出口电路;
原理图如下:

  1、电阻 R1 的作用
电阻 R1 是为了稳定 PCF 的波形而用的。当 PCF 为高电平时,R1 的电阻足够大,保证 PCF 不会出现被拉低的情况发

  生。当 PCF 为低电平时,LED 不能导通(开路),R1 是 PCF 唯一能通过的电阻,所以噪声被通过 R1 到 GND,噪声被 滤除。R1 就起到了稳定 PCF 的波形的作用。

  2、发光二极管 L1 的作用
发光二极管 L1 正极接 PCF,负极通过 R2 和 U1 的发光二极管,然后接 GND。在 PCF 为高电平时,L1 的正极和负

  极之间是正的电压,所以 L1 发光,光耦的发光二极管也发光。 3、电阻 R2 的作用

  电阻 R2 是起限流作用的。大家可以发现,当 PCF 为高电平时,如果没有 R2,则 PCF 将通过 L1 和 U1 的发光二极 管直接和 GND 短路,产生很大电流,可能烧毁 L1 和 U1 的发光二极管:因为当二极管正向导通时,二极管此时的电阻 很小(接近于零)。所以这里需要 R2 来限制电流过大:用欧姆定律 U=RI 分析:请哪位同事来分析一下。
4、 电容 C1 的作用

  电容 C1 是起滤波作用的,因为 PCF 信号的频率是不会很大的,T(单位:秒)=1000*3600/(脉冲常数*当前总功率) 而输出脉冲频率 F(单位:Hz)=1/T(单位:秒),则脉冲常数越大,当前总功率越大,输出脉冲频率就越大。举例:220V、 1.5(6)A 、6400imp/kwh。当测试 9A 电流时。T=1000*3600/(6400*220*9*3)=0.095S,F=1/0.095=10.56Hz.。对于这 个频率以及更低频率的信号,C1 相当于开路:C1 不会影响 PCF 信号。而对于感应到的高频噪声,C1 相当于短路:把高 频噪声信号短接到 GND,使噪声信号不会使 U1 的发光二极管产生误动作,不会使 U1 输出错误脉冲。

  5、光耦 U1 的作用
光耦的发光二极管导通时,发光二极管发出光信号,这个光信号触发 U1 的光敏三极管基极,使 WAR+、WAR-短路

  导通。于是在 WAR+、WAR-之间就不断出现开路、短路,我们在 WAR+接 5V,WAR-接地(标准表正是这样),于是, 当 PCF 为高时,WAR+、WAR-之间为 0V(短路),当 PCF 为低时,WAR+、WAR-之间为 5V(开路),标准表脉冲拾取 口就有一个与 PCF 高低电平相反的脉冲信号。标准表就按照取高电平的上升沿或下降沿来计量脉冲的间隔时间,按照脉 冲输出时间 T(单位:秒)=1000*3600/(脉冲常数*当前总功率)的原理,对比标准表自身计算出的 T 和脉冲输入口测 试到的时间 T,以此来算出被测表的误差。

  这里特别说明一下,我公司使用的 3100 型标准表(大型校验台配备的一般都是)是取 WAR+、WAR-之间信号上升 沿,3002 型标准表(研发中心的小校表台配备的标准表)是取 WAR+、WAR-之间信号下降沿。这样的话,如果脉冲输 出的脉冲宽度不是一定的,比如:PCF 信号上升沿和上升沿之间的时间间隔(对应 WAR+、WAR-之间信号下降沿)是一 定的,但是脉冲宽度不是一定的,那么下降沿和下降沿之间的时间间隔(对应 WAR+、WAR-之间信号上升沿)就是不能 确定的。这样的脉冲波形用 3002 型标准表测试,则误差是正常的,不会有太大跳变,而使用 3100 型标准表测试,则会 发现误差有很大跳变。为了解决这个问题有两个办法:1、设计电表输出脉冲为上升沿之间时间间隔相同,输出脉冲宽度 相同(下降沿之间时间间隔相同);2、了解客户使用的标准表是取上升沿还是下降沿,然后对电路进行相应的设计:输 出脉冲的上升沿是一定或者下降沿一定(使用一个三极管把信号反向就可以了)。

  二、电子式电能表维修实例步骤:

  1、 一台 7026A 的电表电压、电流显示值不对(加 220,显示 300 左右),精度不对。 1、
2、
3、

  4、
2、 一台电表上电后液晶不显示,报警灯、脉冲灯都无显示。 1、
2、
3、
4、

  王昌国(Marvin) qq1902369135第一稿 2008 年 3 月 13 日 第二稿 2008 年 5 月 31 日

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电子式电能表电原理图分析(王昌国) 相关回复(2)

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沙发
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