電子式電能表電原理圖分析(王昌國)

　　電子式電能表電原理圖分析(王昌國)

　　2、 采樣計量原理:

　　工作原理、在電路中的作用

　　圖中 A 和 GND 為輸入的單相電壓(相當于 UA 和 N 或火線(xiàn)和零線(xiàn)),計量芯片的采樣輸入端為 V1P、V1N,計量芯 片會(huì )把這兩管腳的電壓差作為采樣信號,并在計量芯片內部進(jìn)行功率計算(P=UIcosΦ)。

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　　圖中 R1-R15 相當于一個(gè)可調電阻 R,然后 R 和 R17 串聯(lián)分壓,再通過(guò) R16 限流、C11、C12 濾波后送入計量芯片。 R18 是個(gè)可選器件,當調節 R 使 R 為最小時(shí),送入計量芯片的電壓還太高的話(huà)再加上 R18,讓 R18 與 R16 再串聯(lián)分壓, 使送入計量芯片的電壓進(jìn)一步減小。

　　R19 是限流電阻,也是使 V1P 管腳與 GND 相連,使 V1N、V1P 之間能輸入取樣電壓。C13 是管腳 V1P 的濾波電容。 特別注意事項?1、電壓采樣電阻我公司一般使用片式電阻,片式電阻可能會(huì )斷掉,如果遇見(jiàn) V1N、V1P 之間沒(méi)有采樣電壓或電壓

　　值異常,可以首先測量圖中每個(gè)電阻是否正常:使用萬(wàn)用表測每個(gè)電阻兩端,阻值應該比它本身略小(因為在電路中每 個(gè)電阻兩端都會(huì )相當于焊接有并聯(lián)電阻。直接 2 個(gè)電阻并聯(lián)或電阻一端懸空則不適用以上的阻值測量方法,阻值則要按 實(shí)際測量為準)。

　　電壓互感器采樣(詳解); C 原理圖如下:

　　B

　　工作原理、在電路中的作用

　　如圖所示,在 1、2 腳之間輸入需要采樣的電壓,3、5 之間則輸出采樣后的電壓,比如輸入 220V,輸出 0.77V,(輸入電 壓和輸出電壓的變化是電壓互感器本身決定的,因電壓互感器不同而不同)。輸出的 0.77V 直接送到計量芯片的 V1N、V1P 管腳。如果是三相電壓,則要把三個(gè)輸出的(對應輸入 N)一端(比如圖中 1 腳為 UA,2 腳為 N,則 5 腳“為輸出的對應輸 入為 N 的一端”)連接在一起作為取樣信號的基準參考零電位。既我公司電路中的:Vref。

　　1

　　UIN 2

　　3

　　UOUT 5

　　使用電壓互感器的好處是采樣后的電壓是和輸入的電A壓隔離的,對于從電壓線(xiàn)路傳導來(lái)的高頻干擾電表的信號有衰減作 Date: 11-Oct-2001 Sheet of

　　用,電表能通過(guò)抗電磁干擾(浪涌、群脈沖、脈沖電壓等)的能力比直接電阻降壓取樣的要強。

　　File: D:\中轉區\MyDesign.ddb DrawnBy:

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　　但是對電壓互感器的變比精度要求高,制作電壓互感器的材料工藝都會(huì )要求更嚴格,成本就高。

　　D

　　電阻降壓再電壓互感器采樣(詳解); 原理圖如下:

　　工作原理、在電路中的作用?電阻降壓再電壓互感器采樣是綜合以上兩種采樣而成的。原理同上兩種綜合。?注意事項?1、成本比單純電壓互感器采樣低,而隔離比單純電阻采樣高。?2、如果 VT1 和 Vref 之間沒(méi)有電壓或電壓異常,則要查 R9 與 N 之間有沒(méi)有電壓,如果有,則故障在 VT1 和 Vref 連接的

　　電路上。如果 R9 和 N 之間沒(méi)有電壓則要查 R8、R7、、、、、R1 對 N 是否有電壓(注意改變萬(wàn)用表的量程:UA 和 N 之間是輸 入的電壓 220V、100V、57.7V 等),來(lái)判斷是否有個(gè)電阻不正常。

　　2.2、電流采樣: 電流互感器采樣 原理圖如下:

　　工作原理、在電路中的作用

　　圖中除 RL 外的電路就是電流互感器的電路,電流互感器原理就是變壓器原理:U1/U2=T1/T2,I1/I2=T2/T1。那么我們的 電壓互感器是輸入 1.5A,輸出 7.5mA 的話(huà),其實(shí)就是初級“1Turn”為 1 圈,則次級”N2Ts”為 1.5A/7.5mA=200 圈。

　　輸出的電流必須要轉化為電壓加到計量芯片的電流通道上,由歐姆定律 U=RI,在電流通道的兩個(gè)管腳之間加一個(gè)電阻, 則可以使兩管腳之間的電壓隨輸入的電流變化而變化。達到采樣的目的。

　　當然 RL 取樣電阻周?chē)€有電容旁路、濾波,或者還有電阻限流。其原理和前面講的相同。?注意事項 1、取樣電阻的值要滿(mǎn)足計量芯片的輸入要求:最小要多少才能計量,最大要多少才不會(huì )溢出。這些參數要電流規格、電

　　流互感器變比、取樣電阻值、計量芯片自身參數決定。計量芯片 V1N、V1P 管腳之間沒(méi)有電壓,則查 RL 兩端是否短路,沒(méi) 有短路則焊下電流互感器次級,再給電流互感器次級另外單獨焊接一個(gè)電阻,加電流測試單獨電阻兩端是否有電壓,有電壓, 則電流互感器是好的,芯片電壓取樣的部分有問(wèn)題(包括電阻、電容、芯片本身):有短路(把取樣電壓接地)或開(kāi)路(電壓 線(xiàn)路開(kāi)路,電壓不能到芯片管腳去)。

　　錳銅分流器采樣;

　　原理圖如下:

　　紅色 黃色 藍色 焊接導

　　線(xiàn)圖

　　(既GND)

　　N 2

　　工作原理、在電路中的作用

　　圖中電流流過(guò)錳銅分流器,在黃色和藍色引線(xiàn)之間的電阻由歐姆定律 U=RI 可以取樣流過(guò)的電流,其取樣值一般會(huì )降低 很多倍,和使用的錳銅分流器的取樣電阻有關(guān)。我公司使用的錳銅分流器取樣的電阻一般有:120uΩ、300uΩ、500uΩ、1000u Ω、1600uΩ。那么相應的降低倍數為:1/120u=83333 倍;1/300 u =3333 倍;1/500u=2000 倍;1/1000u=1000 倍;1/1600u=625 倍。然后經(jīng)過(guò) R1、R2 限流、C1、C2、C3 濾波、移相位,最后送入計量芯片。C2 是調節容感性誤差的電容,硬件校表的電 表必須有焊盤(pán)保留。軟件校表的電表通過(guò)軟件可以調節容感性誤差,一般沒(méi)有這個(gè)焊盤(pán)。

　　2.3、計量芯片原理:電源、晶振、采樣輸入、脈沖輸出、各種信號輸出等; 原理圖如下:

　　圖中是 ADE7755 的功能框圖。?ADE7755 的工作過(guò)程大概如下: 1、外部電路提供“AVDD”模擬電源、“DVDD”數字電源給芯片:一般我們電表直接把這兩個(gè)腳并聯(lián)到 VCC 上(電表供給

　　主芯片的電壓),不會(huì )分別提供不同的“AVDD”模擬電源、“DVDD”數字電源; 2、外部電路提供外加時(shí)鐘,一般是在“CLKIN”和“CLKOUT”之間加一個(gè)石英晶體振蕩器,為 ADE7755 提供時(shí)鐘; 3、 通過(guò) 的電平選擇,地和 接通(下拉)或 AVDD (DVDD)與 接通(上拉),從而改變 的電

　　平狀態(tài), 為高電平(上拉)或為低電平(下拉),可以選擇高通濾波器 HPF 是否選通, 為高電平時(shí),

　　HPF 選通。電表使用 ADE7755 時(shí)要使 HPF 選通。既 與 AVDD (DVDD)接通。 4、 按照要做的電表的規格需要,確定 SCF、S0、S1 的電平狀態(tài)(高或低),具體數據如下:

　　5、 按照電流采樣信號的范圍情況,確定 G0、G1 是接地還是接高電平。具體數據如下:

　　圖中 G 表示增益。

　　6、

　　腳(ADE7755 復位腳)接高電平,使 ADE7755 不會(huì )復位。

　　7、REF(基準電壓輸入或輸出都可以)一般使用 ADE7755 內部的基準源,在 REF 與 GND 之間要加電解電容和瓷片(貼 片)電容濾波、旁路。

　　8、以上各腳的狀態(tài)確定后,ADE7755 就可以正常工作了。把 V1 通道(V1N、V1P)和 V2 通道(V2N、V2P)的信號在 內部進(jìn)行相關(guān)處理(P=UIcosΦ,F1、F2 輸出脈沖處理,CF 輸出脈沖處理等等),輸出 F1、F2 間脈沖,CF 的脈沖。

　　其他的計量芯片工作情況大致與 ADE7755 相象,只是可能是三相電能計量、內置晶振、頻率的選擇方法等等不同,對于 誤差、相位、功率等等有著(zhù)更精確的算法和補償。

　　注意事項

　　如果電表顯示正常,而沒(méi)有脈沖輸出,可以查計量芯片的工作狀態(tài)。按照如上所說(shuō)的原理:首查電源,次查輸入信號和 輸出信號、再查晶振。如果有輸入沒(méi)輸出,那就是輸出口有問(wèn)題,開(kāi)路或對地短路。如果輸出口沒(méi)有開(kāi)路,也沒(méi)有對地短路, 那就只能是計量芯片壞了。如果這些都正確,那將可能是計量芯片和單片機通訊線(xiàn)路有問(wèn)題(開(kāi)路或對地短路),所以這時(shí)要 查電表顯示項是否有電壓顯示(沒(méi)有校準的電表電壓可能不正確,但是顯示的電壓能隨著(zhù)電表加的電壓波動(dòng)而波動(dòng),則表明 計量芯片和單片機通訊正常。這時(shí)就要查 485 口是否通,波特率是否正常。注意:查波特率時(shí),程序可能會(huì )自適應帶“FE” 開(kāi)頭的數據,但是校表軟件是不發(fā)“FE”的,所以最好的查波特率的辦法是使用國標帶“FE”的掌機或 PC 機程序設置波特 率為特定的值(1200、2400、4800、9600 等),然后明確地知道波特率,再進(jìn)行校表。

　　單片機原理(了解): 工作條件、工作過(guò)程

　　. 1、 ?電源:有穩定電源才能工作,具體電壓數值要滿(mǎn)足單片機本身的要求,單片機才能工作; ?

　　. 2、 ?晶振:晶振的頻率要正確,單片機才能正常工作; ?

　　. 3、 ?復位腳要滿(mǎn)足不復位:在單片機內部出現異常時(shí)才需要對芯片復位,使單片機從程序最開(kāi)始處重新運行,程序正常 ?運行后復位腳也恢復正常的非復位狀態(tài)。一直在復位也不正常,則單片機一直不能正常工作,總是在:回到程序最 ? 開(kāi)始處運行—復位—回到程序最開(kāi)始處運行。

　　. 4、 ?與計量芯片的通訊:一般是有專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)路直接通計量芯片的信號輸出腳; ?

　　5、脈沖輸出:能收到計量芯片的輸出信號(電壓、電流有顯示),如果是從單片機輸出脈沖信號,則脈沖燈應該閃爍,

　　脈沖測試信號應該有輸出,如果沒(méi)有,則進(jìn)行一次增益校準,增益校準合格,如果脈沖還是沒(méi)有,則查單片機脈沖輸出口是 否有信號。

　　6、各種信號輸出:各種信號(如 1Hz 輸出、有功遠動(dòng)輸出、需量更替信號輸出等等)的輸出都是當電表狀態(tài)滿(mǎn)足軟件要 輸出信號的要求時(shí),由單片機管腳輸出信號,經(jīng)過(guò)輸出電路的器件(電阻、三極管、光耦等等)輸出到功能端子上。

　　注意事項

　　判斷單片機是否損壞和判斷計量芯片的方法相象。

　　3、主電源 VDD 給電表各個(gè)部分(單片機、紅外、EEPROM、計量芯片、光耦、脈沖燈)供電的電路 原理圖如下:

　　圖一

　　圖二

　　工作原理、在電路中的作用?工作原理是:?1、 二極管的單向導電性,?此電路中 VDD 到 VCM、VCW、VCU 都是經(jīng)過(guò)了一個(gè)二極管,二極管導通時(shí),會(huì )有 0.7V 的 PN 結電壓降,現在大家可

　　以明白為什么電源供電電路中要在 MC7805CT 的 GND 管腳加一個(gè)二極管抬升電壓了。?VDD 到 VCM、VCW、VCU 之間加二極管是為了 VCM、VCW、VCU 之間的電壓隔離(只是電路通斷的隔離,不是我

　　們經(jīng)常說(shuō)的抗 EMC 的隔離),可以看到:如果 VCM 出現一個(gè)異常高壓 U,那么 D201 降截止,U 不能影響 VDD,也就不能 影響其他 VCW、VCU。避免了一個(gè)電路損壞,而全部電路損壞。

　　對于只要一個(gè)電源的表:比如單相表或三相的簡(jiǎn)易表則沒(méi)有這個(gè)必要。?2、 電源并聯(lián)使用特性(電池和超級電容),電容的儲能特性(超級電容) 兩個(gè)電源并聯(lián)時(shí),起作用的將只有電壓高的那個(gè)電源,電壓低的那個(gè)串接有二極管,二極管將因為反偏置而截止,從而

　　電壓低的那個(gè)電源不會(huì )有電流輸出(既不工作)。圖中 C203、B201、D204 正是起到了這樣的作用。?C203、B201、D204 這樣接的原因是:利用電容儲能的特性,保證 B201 不會(huì )長(cháng)期工作,達到節約 B201 電能的作用。當 有外部電源供給 VDD 時(shí),VDD 將通過(guò) D203、R201 對 C203 進(jìn)行充電,當 C203 的電壓達到 VDD 減去 D203 的結電壓時(shí), C203 上的電壓將不能再高,對 C203 的充電完成。當 VDD 消失后(外部電源停止供電),C203 將通過(guò) R201 對 VCU 進(jìn)行供 電,D203 因為反偏截止,C203 不會(huì )對 D203 之前的電路供電。此時(shí) D204 兩端電壓為反偏,因為 C203 電壓是 VDD 減去 D203

　　的結電壓,約 5V,而電池 B201 的電壓是 3.6V,所以 B201 不能通過(guò) D204 對電路供電,只有 C203 供電。?當 C203 供電導致自身電壓降低到 2.9V(3.6-0.7)時(shí),D204 正偏且電壓達到 0.7V,D204 導通,B201 通過(guò) D204 放電對

　　電路進(jìn)行供電。并且 B201 也會(huì )通過(guò) R201 對 C203 充電,C203 兩端電壓將一直保持一定值(B201 電壓減去 D204 正向壓降)。 至于 B202 及其周?chē)娐?則是和 B201 相同,為什么要多加一個(gè)電池呢,是為了能夠保證使用電池供電的時(shí)間更長(cháng)。當 兩個(gè)電池供電使,相當于兩個(gè)電壓相同的電源并聯(lián),供給外部電路的電流將一個(gè)電源一半,電池消耗能量的速度也將是原來(lái)

　　的一半。我公司一般的做法是 B201 及周?chē)娐泛?B202 周?chē)娐啡龊?B202 不安裝在電表上,而把 B202 的位置預留下, 當客戶(hù)實(shí)際使用時(shí),檢查 B201 的電壓不夠了再安裝上 B202,由 B202 供電。多功能表檢測 3.6V 電池電壓可以檢測到的電壓 值為最高 3.6V,然后電池電壓下降則檢測值也隨之下降,基本保持一致(有一點(diǎn)點(diǎn)偏差,但不會(huì )太大),直到電池電壓為 0V。

　　有人會(huì )問(wèn),那么 B202 不會(huì )對 B201 充電嗎?對非充電電池充電是可能導致電池損壞,甚至爆炸的啊。這里在 B201 和 B202

　　之間是有 D204、D206 隔著(zhù)的。D204 處于反偏,則 B202 不能對 B201 進(jìn)行充電。?C203、B201、B202 的工作電流檢測:測試分別串聯(lián)在 C203、B201、B202 上的 R201、R202、R204 兩端的電壓,再使

　　用歐姆定律 I=U/R 計算,可以得出 C203、B201、B202 相應的工作電流。?B201、B202 的電壓檢測,B201、B202 分別經(jīng)過(guò) D205、D207 給單片機一個(gè)信號 BATA(電壓和電流)。R203 是為了穩

　　定 BATA 信號,不然 BATA 波動(dòng)則直接影響單片機檢測值。然后 R203 和 C204 組成一個(gè)對尖峰噪聲的吸收、瀉放電路,當有 噪聲時(shí),C204 對高頻信號短路,使噪聲對地。噪聲過(guò)后,C204 通過(guò) R203 放電,去除 C204 上存儲的高于 BATA 的電量。而 R203 的選擇要很大(10M 以上),因為 B201、R202、D205、R203 是組成了一個(gè)回路的,如果 R203 太小,將導致 B201、B202 通過(guò)以上回路放電的電流過(guò)大,造成電池功耗損失。

　　3、 三極管的導通控制特性(6V 電池是否加入 VCU 供電由單片機控制)。

　　圖二是 6V 電池在電表電路中的電路。圖中 CTLWB 是單片機給的是否使 6V 電池參加電表工作的信號(控制信號,由軟 件控制)。R8、R9 是 Q202 的偏置電阻,B203 通過(guò) R205、R206、R207 給 Q202 集電極提供電源。當 CTLWB 為低電平時(shí), Q202 由于基極沒(méi)有電壓和電流而截止,Q202 截止則 Q201 基極電壓懸空,Q201 基極電壓為 B6V,Q201 因為基極無(wú)電流而 截止,B6V 不能通過(guò) Q201,6V 電池不能參加電路工作。

　　當 CTLWB 為高電平時(shí),由于 R208、R209 的分壓作用,使 Q202 基極和發(fā)射極之間有電壓(且超過(guò) Q202 的死區電壓) 電流,Q202 導通。Q202 導通則 Q202 集電極電壓為低電平,R207 接 Q202 集電極端為低。這樣 B6V 因為 R206、R207 分壓 對 Q201 基極提供偏置電壓和基極電流。Q201 導通,B6V 通過(guò) Q201 的集電極到發(fā)射極,然后再通過(guò) D208 到 VCU,Q201 對電路進(jìn)行供電。

　　各位同事要自己分析各個(gè)器件的作用。

　　注意事項

　　當已經(jīng)判斷電源板提供的電壓是正常的,而 VDD 電壓為零或沒(méi)有 5V 時(shí),可以分別斷開(kāi) D201、D202、D203 再檢查 VDD 是否恢復正常。如果斷開(kāi)某一路后 VDD 恢復正常,則表明此路電路有短路,可以進(jìn)一步查后級電路。

　　4、通訊:

　　4.1、紅外通訊; 原理圖如下:

　　工作原理、在電路中的作用?工作原理是紅外發(fā)射管把電信號變紅外光,紅外接收頭把紅外光變電信號。?圖中 VCB、VCA 是由 VCU 通過(guò)單片機控制的,提供給紅外發(fā)射電路和紅外接收電路的工作電壓。C1、C2 對 VCB 進(jìn)行

　　濾波(同前面的電源濾波)。R1 為 Q1 的偏置電阻,但是 R1 要選擇恰當,做到當沒(méi)有 TXDI(通訊內容:數字信號,表現為 電平形式,高電平為 1,低電平為 0)信號時(shí),Q1 不會(huì )導通,當有 TXDI 信號高電平時(shí) Q1 會(huì )導通。R2 是單片機給的 TXDI 信號的限流電阻。當 TXDI 為高時(shí),Q1 導通,VCB 通過(guò) Q1 集電極到發(fā)射極,再通過(guò) R3、R4 加到紅外發(fā)射管 D1 正極上, 電流流過(guò) D1 到電源地,D1 發(fā)射出紅外光信號。R3、R4 為并聯(lián),如果只焊接一個(gè)則流過(guò) D1 的電流會(huì )小一些,D1 發(fā)的紅外 光會(huì )弱一些,如果調整 R3、R4 的值會(huì )影響紅外通訊的功耗和通訊距離:功耗大則通訊距離遠,功耗小則通訊距離近。當 TXDI

　　為低時(shí),Q1 截止,VCB 不能通過(guò) Q1,不能使 D1 發(fā)射紅外信號。這樣 D1 就會(huì )按照 TXDI 信號的高低電平變化而發(fā)射或不發(fā) 射紅外光信號,接收到 D1 發(fā)射的紅外光信號按照相反的理論就是紅外接收的過(guò)程:有光信號則輸出高電平,無(wú)光信號則輸 出低電平。然后按照規約的編碼規則進(jìn)行處理,就實(shí)現了紅外通訊。

　　U1 就是把紅外光信號轉換為高低電平的專(zhuān)門(mén)器件:紅外接收頭。VCA 通過(guò) R5 給 U1 提供電源,C3 是對 VCA 的旁路電 容。U1 的 OUT 腳按照接收到的紅外信號的變化而變化,輸出高電平或低電平。VCA 通過(guò) R6 給 OUT 腳一個(gè)高電平,但是 R6 的阻值很大,當 OUT 腳為低電平時(shí),VCA 通過(guò) R6 給 OUT 腳的高電平將被拉為低電平,給單片機的 RXDI 為低電平。當 OUT 腳為高電平時(shí),給單片機的 RXDI 為高電平。這樣給單片機的 RXDI 信號將隨 U1 接收到的紅外光信號的變化而變化, 實(shí)現外部信號和單片機的通訊。

　　注意事項

　　紅外通訊不成功則按照以上的信號流程檢查各個(gè)環(huán)節是否有電信號,判斷相關(guān)的器件是否損壞。原則是:信號能通過(guò), 則器件是好的;信號不能通過(guò),則器件是壞的。

　　4.2、485 通訊; 原理圖如下:

　　工作原理、在電路中的作用?光耦合器的光隔離原理,485 芯片的通信原理。 如圖所示,光隔離器內部是一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管構成的。?圖中,U1 的發(fā)光二極管正端通過(guò) R4 連接到 V485。當 RXD1A 為高電平時(shí),U1 內的發(fā)光二極管由于兩端電壓沒(méi)有

　　達到二極管正向導通電壓,所以二極管不導通,二極管不會(huì )發(fā)出光信號,光敏三極管因為基極沒(méi)有信號而截止(不導通), Q1 基極也就沒(méi)有信號,Q1 也是截止,則 RXDA 不能通過(guò) Q1 與 GND(低電平)相通,RXDA 的電壓為通過(guò) R1 連通 VCM 的電壓,RXDA 為高電平。既 RXD1A 為高電平,RXDA 也為高電平。

　　當 RXD1A 為低電平時(shí),U1 內部的發(fā)光二極管因為正向偏置而導通,發(fā)光二極管發(fā)出光信號,光敏三極管接收到這 個(gè)光信號而導通,VCM 通過(guò)光耦的光敏三極管、R3 對 Q1 提供基極偏置電壓、電流,Q1 導通,Q1 集電極和發(fā)射極導通, RXDA 接在 Q1 集電極,集電極和發(fā)射極導通,發(fā)射極是接 GND 的,所以 RXDA 電平為 GND,RXDA 為低電平。既 RXD1A 為低電平,TXDA 也為低電平。

　　以上就是 RXD1A 和 RXDA 的傳輸,過(guò)程中可以看到 RXD1A 轉化為 RXDA 后,所有的信息都沒(méi)有變化,那么為什 么要通過(guò)光耦轉化一下呢,又沒(méi)有放大、衰減或進(jìn)行其他的處理。這里只有一個(gè)目的:使 RXD1A 和 RXDA 沒(méi)有電路(有 電子信號直接連通的電路)上的連接,這樣可以使 RXD1A 處出現的破壞性信號(高電壓、大能量的干擾或錯接)不能 直接加入 RXDA 信號線(xiàn)路,保護 RXDA 線(xiàn)路。

　　那為什么要保護 RXDA 線(xiàn)路呢?是因為 RXD1A 是 485 通訊的線(xiàn)路信號,485 的通訊線(xiàn)路在實(shí)際使用時(shí)是有引線(xiàn)連 接到電表表殼以外的,連接到表殼以外的引線(xiàn)就有可能會(huì )接入高電壓、大能量的破壞性信號(比如被雷電擊中)。而 RXDA 線(xiàn)路是直接連接到單片機的管腳的,RXDA 出現的破壞性信號將直接接入單片機,會(huì )破壞單片機。此時(shí)單片機被破壞將 不只是破壞了 RXDA 這一個(gè)線(xiàn)路,而將是不可預知的破壞,可能是 RXDA(通訊)損壞,可能是單片機全部損壞。當 RXDA 和 RXD1A 之間用光耦隔離后,RXD1A 上出現的破壞性信號將被光耦進(jìn)行隔離(或衰減),因為光敏三極管最大 的輸出信號最多只能是它導通的情況,破壞性信號的峰值再大,光敏三極管最多也只能是導通。當然,破壞性信號峰值 很大時(shí),可能會(huì )損壞光耦的發(fā)光二極管。

　　但是在實(shí)際應用中,也發(fā)生過(guò)+6KV、-6KV 脈沖電壓試驗(電表所有電壓、電流線(xiàn)短接在一起為 A 點(diǎn),電表所有功 能端子短接在一起為 B 點(diǎn),A、B 兩點(diǎn)之間加脈沖電壓)后,電表單片機損壞的事件。我們分析原因可能是:破壞性信 號的頻率很高,電壓峰值很高(6KV),通過(guò)空間輻射使 RXDA 產(chǎn)生強信號,強信號損壞單片機。當時(shí)的那款表會(huì )損壞主 要原因是因為使用的單片機的作為 RXDA 的口抗干擾能力不好,為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們換用了另外一種有防高電壓破 壞信號功能的光耦(TLP421-GR:白色的顏色,可能大家還有影象)。

　　同 RXD1A 和 RXDA 的光耦隔離原理,TXD1A 和 TXDA、CTLA 和 CTL1A 也是同樣進(jìn)行工作的。 明白了光耦的通信原理,我們接著(zhù)講通過(guò)光耦的信號是從哪里來(lái)的,又到哪里去的。?總體來(lái)說(shuō) 485 通訊電路的目的是實(shí)現電表(單片機)和外界(通過(guò) 485 口)的儀器(個(gè)人電腦或掌上電腦)的通訊,

　　這里我們定義儀器為主站(因為我們是控制儀器,主動(dòng)發(fā)出信號),電表為從站(跟從主站的信號被動(dòng)做出反應)。主站 信號肯定是從儀器來(lái),到單片機去;然后應答的信號又從單片機來(lái),到儀器去。從而實(shí)現了通訊。

　　485 電路只有兩根線(xiàn),信號用兩根線(xiàn)的電壓差來(lái)表示(差模傳輸):電壓差為高電平(一般要求 2.9V 以上)則表示 信號 1,電壓差為低電平(0.9V 以下)則表示信號 0,換言之就是 485 電路只有一個(gè)信號通道。那么主站信號和應答信 號都是從一個(gè)信號通道通過(guò),那肯定會(huì )沖突,信號傳輸時(shí),如果主站信號和應答信號一起在通道上出現時(shí),那通道上的 信號將是混亂的,無(wú)法分辨哪個(gè)電平是主站信號,哪個(gè)電平是應答信號,如果全部接收進(jìn)行解碼,那解碼后的數據也是 不符合規約的,數據不符合規約,程序就無(wú)法識別和進(jìn)行相應處理,通訊就會(huì )失敗。所以我們就要控制 485 芯片和單片

　　機,讓它們知道現在是主站信號還是應答信號,然后它們再根據信號的性質(zhì)進(jìn)行處理。 當主站沒(méi)有發(fā)出主站信號時(shí),電表也不會(huì )發(fā)出應答信號。所以,當主站和電表沒(méi)有進(jìn)行通信時(shí),電表一直處于等待

　　主站信號的狀態(tài),就要求通道處于接收(電表接收信號)狀態(tài),電表接收到主站信號后,單片機對信號進(jìn)行相應的處理, 單片機控制通道處于發(fā)送(電表給儀器信號)狀態(tài),單片機發(fā)送應答信號,應答信號通過(guò) 485 電路給儀器,儀器接收到 信號進(jìn)行處理。

　　圖中,RE_、DE 是控制 SN75LBC184P 處于接收還是發(fā)送通道工作的控制腳。RE_為低時(shí),SN75LBC184P 處于接收 信號通道工作狀態(tài),把 A、B(SN75LBC184P 的第 6、第 7 管腳)口之間的信號通過(guò) RO 傳輸到 RXD1A。當 RE_為高時(shí), SN75LBC184P 不處于接收信號通道工作狀態(tài),不能把 A、B 口之間的信號傳輸給 RO。DE 為高時(shí),SN75LBC184P 處于 發(fā)送通道工作狀態(tài),把 TXD1A 信號從 A、B 口輸出給儀器。當 DE 為低時(shí),SN75LBC184P 不處于發(fā)送通道工作狀態(tài), 不能把 TXD1A 信號傳輸給 A、B 口。

　　所以,我們在使用 SN75LBC184P 時(shí),是把 RE_、DE 接在一起的,RE_、DE 同為低,則 SN75LBC184P 一定處于接 收信號通道工作狀態(tài),一定不處于發(fā)送通道工作狀態(tài)。RE_、DE 同為高,則 SN75LBC184P 一定不處于接收信號通道工 作狀態(tài),一定處于發(fā)送通道工作狀態(tài)。

　　而且,在沒(méi)有儀器和電表通訊時(shí),RE_、DE 是為低電平的。當單片機接收到儀器給的信號,單片機處理后要發(fā)應答 信號給儀器,則單片機會(huì )置 CTLA 為高電平,從而 CTL1A 為高電平,RE_、DE 為高電平,信號通過(guò) TXD1A 傳輸到 A、 B 口,儀器通過(guò) A、B 口接收到信號。?注意事項

　　如果 485 通訊不能成功,則使用儀器連續發(fā)通訊命令(可以是抄表或設表),然后按照:儀器→485 的 A、B 口→485 的 RO→RXD1A→RXDA→TXDA(單片機對于抄表、設表命令都會(huì )返回應答信號)→TXD1A→485 的 A、B 口來(lái)檢查。檢查每 一個(gè)點(diǎn)對地的電壓是否變化,有變化表示有信號來(lái)到這個(gè)點(diǎn),上級器件正常,再查下一點(diǎn)。沒(méi)有變化表示信號沒(méi)有來(lái)到 這個(gè)點(diǎn),信號被上級器件阻斷了,上級器件損壞或工作不正常。注意一個(gè)問(wèn)題:測試的地要和信號相對應:光耦單片機 一側的點(diǎn)使用 GND 作為地,光耦 485 芯片一側的點(diǎn)使用 GND485 作為地。?4.3、GPRS 通訊(了解);?工作原理

　　我們習慣把無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)通訊稱(chēng)為 GPRS 通訊,其實(shí) GPRS 通訊是無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)通訊的數據傳輸方式中的一種,另外還有一 種數據傳輸方式是 CDMA 通訊,至于還有沒(méi)有其他的數據傳輸方式,現在實(shí)用的只有 GPRS 和 CDMA 兩種。

　　電表的 GPRS 通訊原理和手機或電腦的 GPRS 通訊(無(wú)線(xiàn)上網(wǎng))原理是相同的。電表通過(guò)使用 GPRS 模塊或 CDMA 模塊把要發(fā)送的信息(程序已經(jīng)做好)進(jìn)行編碼(CDMA)或封包(GPRS),編碼編好的或封包的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商 的電表附近的基站的作用被基站接收到,基站把數據發(fā)送到衛星,衛星再發(fā)數據傳輸到目的地基站,接收儀器(一般是 電腦)通過(guò) GPRS 模塊或 CDMA 模塊接收到數據,進(jìn)行數據處理。

　　實(shí)現遠程的實(shí)時(shí)通訊。好處是可以隨時(shí)知道電表的運行狀態(tài)和電網(wǎng)情況,只要有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地方就能通訊,與 主站(電腦)到電表的距離無(wú)關(guān)。如果使用人工查看則會(huì )耗費很多時(shí)間,而且信息會(huì )滯后(現在匯報的只能是剛離開(kāi)時(shí) 的情況,現在什么情況是不能肯定的),使用載波通訊方式則通訊距離受很大限制。但是無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)通訊要向網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商付 錢(qián),成本是長(cháng)期存在的。

　　5.1、黑白段式液晶和黑白點(diǎn)陣液晶顯示: 液晶顯示器的電原理圖如下:

　　5、輸出:

　　工作原理、在電路中的作用 黑白段式液晶(顯示器)和黑白點(diǎn)陣液晶(顯示器)主要是利用液晶的對電場(chǎng)的敏感特性來(lái)實(shí)現的。液晶是介于固

　　體和液體之間的一種物質(zhì)存在狀態(tài)。大自然中存在(經(jīng)人工提純后)的或人工合成的某些液晶有個(gè)特殊特性:無(wú)電場(chǎng)加 在它們上時(shí),它們是透明的;有電場(chǎng)加到它們之上時(shí),它們會(huì )呈現為不透明;電場(chǎng)消失后,它們又恢復原來(lái)的透明狀態(tài)(根 本原理是電場(chǎng)使液晶內部晶體的排列發(fā)生變化,造成光能通過(guò)液晶或不能通過(guò)液晶)。黑白段式液晶(顯示器)和黑白點(diǎn) 陣液晶(顯示器)就是這樣實(shí)現的。當需要顯示某一段或某一點(diǎn)時(shí),就在這一段或一點(diǎn)液晶上施加一個(gè)電場(chǎng)。我們經(jīng)常 見(jiàn)到和聽(tīng)到的“COM 口”就是加在這些段或點(diǎn)上的一側電極上的電壓,當需要顯示某一段(或點(diǎn))就在這一段(或點(diǎn)) 的另一側電極上施加一個(gè)信號(改變液晶所處環(huán)境的電場(chǎng)),這個(gè)信號就是液晶上除“COM 口”以外的其他管腳信號(段 電極)。以“COM 口”與其他管腳信號(段電極)的組合,就組成了可以選擇點(diǎn)亮液晶的所有段(或點(diǎn))或只要顯示需 要的段(或點(diǎn))的功能。

　　具體的電壓怎樣分壓分壓,怎樣點(diǎn)亮選擇點(diǎn),怎樣不會(huì )點(diǎn)亮非選擇點(diǎn)和半選擇點(diǎn),這些問(wèn)題我們這里不做詳細分析, 因為我們的實(shí)際維修中用不到這些具體的知識。有興趣想知道具體原理的同事可以查閱研發(fā)中心書(shū)籍《液晶顯示應用技 術(shù)》。

　　我們實(shí)際維修中如果發(fā)現主板有電源但是液晶不顯示,可能測試液晶的 COM 口的信號波形,COM 口的正常信號應 該是階梯波的樣子,如下(可能不是完全吻合,但是應該很相象):

　　實(shí)際維修中,我們可能沒(méi)有示波器來(lái)看這些波形是否正確。簡(jiǎn)易的辦法是用萬(wàn)用表測量液晶各個(gè)管腳對 GND 是否 有直流電壓。一般情況下,如果有直流電壓則液晶驅動(dòng)芯片有輸出信號,沒(méi)有直流電壓,則液晶驅動(dòng)芯片沒(méi)有輸出信號。 沒(méi)有輸出信號則檢查液晶驅動(dòng)芯片的電源是否正確,電源正確則檢查單片機輸入給液晶驅動(dòng)芯片的信號是否正確。然后 再按照信號是否正確的方法查單片機等等。可以排除故障。

　　5.2、背光板電路;

　　原理圖如下:

　　背光板的工作原理

　　背光板是使用可發(fā)光的物體(電至發(fā)光膜、白熾燈、冷陰極發(fā)光管、發(fā)光二極管等,一般都使用發(fā)光二極管)作為 光源,使用透明塑料做導光板,然后導光板背面貼反射膜(用來(lái)反射光),導光板正面貼散光膜(用來(lái)散射光)。從而使 發(fā)光二極管發(fā)出的光均勻地從背光板正面散射出去,達到使背光板正面的液晶有光從背面射出,液晶可以在黑暗環(huán)境中 顯示的目的。

　　背光板在本電路中的作用

　　在本電路中,背光板 BGB 的作用是:當有足夠電源對背光板作用時(shí),背光板發(fā)光。背光板 1 腳(發(fā)光二極管的正極) 接 VCM(高電平),當 LIGHT 為低(單片機控制)時(shí),三極管截止,三極管集電極和發(fā)射極不導通,背光板 2 腳(發(fā)光二 極管的負極)為懸空(未接通 GND),則背光板的發(fā)光二極管兩端沒(méi)有電壓,發(fā)光二極管不能發(fā)光。當 LIGHT 為高(單片 機控制)時(shí),三極管導通,三極管集電極和發(fā)射極導通,背光板 2 腳(發(fā)光二極管的負極)為低電平(接通 GND),VCM 電流經(jīng)過(guò)發(fā)光二極管、限流電阻、三極管的集電極、三極管的發(fā)射極,最后到 GND。于是形成穩定的電流,發(fā)光二極管 發(fā)光。?5.2、脈沖燈和光耦隔離誤差輸出口電路;?原理圖如下:

　　1、電阻 R1 的作用?電阻 R1 是為了穩定 PCF 的波形而用的。當 PCF 為高電平時(shí),R1 的電阻足夠大,保證 PCF 不會(huì )出現被拉低的情況發(fā)

　　生。當 PCF 為低電平時(shí),LED 不能導通(開(kāi)路),R1 是 PCF 唯一能通過(guò)的電阻,所以噪聲被通過(guò) R1 到 GND,噪聲被 濾除。R1 就起到了穩定 PCF 的波形的作用。

　　2、發(fā)光二極管 L1 的作用?發(fā)光二極管 L1 正極接 PCF,負極通過(guò) R2 和 U1 的發(fā)光二極管,然后接 GND。在 PCF 為高電平時(shí),L1 的正極和負

　　極之間是正的電壓,所以 L1 發(fā)光,光耦的發(fā)光二極管也發(fā)光。 3、電阻 R2 的作用

　　電阻 R2 是起限流作用的。大家可以發(fā)現,當 PCF 為高電平時(shí),如果沒(méi)有 R2,則 PCF 將通過(guò) L1 和 U1 的發(fā)光二極 管直接和 GND 短路,產(chǎn)生很大電流,可能燒毀 L1 和 U1 的發(fā)光二極管:因為當二極管正向導通時(shí),二極管此時(shí)的電阻 很小(接近于零)。所以這里需要 R2 來(lái)限制電流過(guò)大:用歐姆定律 U=RI 分析:請哪位同事來(lái)分析一下。?4、 電容 C1 的作用

　　電容 C1 是起濾波作用的,因為 PCF 信號的頻率是不會(huì )很大的,T(單位:秒)=1000*3600/(脈沖常數*當前總功率) 而輸出脈沖頻率 F(單位:Hz)=1/T(單位:秒),則脈沖常數越大,當前總功率越大,輸出脈沖頻率就越大。舉例:220V、 1.5(6)A 、6400imp/kwh。當測試 9A 電流時(shí)。T=1000*3600/(6400*220*9*3)=0.095S,F=1/0.095=10.56Hz.。對于這 個(gè)頻率以及更低頻率的信號,C1 相當于開(kāi)路:C1 不會(huì )影響 PCF 信號。而對于感應到的高頻噪聲,C1 相當于短路:把高 頻噪聲信號短接到 GND,使噪聲信號不會(huì )使 U1 的發(fā)光二極管產(chǎn)生誤動(dòng)作,不會(huì )使 U1 輸出錯誤脈沖。

　　5、光耦 U1 的作用?光耦的發(fā)光二極管導通時(shí),發(fā)光二極管發(fā)出光信號,這個(gè)光信號觸發(fā) U1 的光敏三極管基極,使 WAR+、WAR-短路

　　導通。于是在 WAR+、WAR-之間就不斷出現開(kāi)路、短路,我們在 WAR+接 5V,WAR-接地(標準表正是這樣),于是, 當 PCF 為高時(shí),WAR+、WAR-之間為 0V(短路),當 PCF 為低時(shí),WAR+、WAR-之間為 5V(開(kāi)路),標準表脈沖拾取 口就有一個(gè)與 PCF 高低電平相反的脈沖信號。標準表就按照取高電平的上升沿或下降沿來(lái)計量脈沖的間隔時(shí)間,按照脈 沖輸出時(shí)間 T(單位:秒)=1000*3600/(脈沖常數*當前總功率)的原理,對比標準表自身計算出的 T 和脈沖輸入口測 試到的時(shí)間 T,以此來(lái)算出被測表的誤差。

　　這里特別說(shuō)明一下,我公司使用的 3100 型標準表(大型校驗臺配備的一般都是)是取 WAR+、WAR-之間信號上升 沿,3002 型標準表(研發(fā)中心的小校表臺配備的標準表)是取 WAR+、WAR-之間信號下降沿。這樣的話(huà),如果脈沖輸 出的脈沖寬度不是一定的,比如:PCF 信號上升沿和上升沿之間的時(shí)間間隔(對應 WAR+、WAR-之間信號下降沿)是一 定的,但是脈沖寬度不是一定的,那么下降沿和下降沿之間的時(shí)間間隔(對應 WAR+、WAR-之間信號上升沿)就是不能 確定的。這樣的脈沖波形用 3002 型標準表測試,則誤差是正常的,不會(huì )有太大跳變,而使用 3100 型標準表測試,則會(huì ) 發(fā)現誤差有很大跳變。為了解決這個(gè)問(wèn)題有兩個(gè)辦法:1、設計電表輸出脈沖為上升沿之間時(shí)間間隔相同,輸出脈沖寬度 相同(下降沿之間時(shí)間間隔相同);2、了解客戶(hù)使用的標準表是取上升沿還是下降沿,然后對電路進(jìn)行相應的設計:輸 出脈沖的上升沿是一定或者下降沿一定(使用一個(gè)三極管把信號反向就可以了)。

　　二、電子式電能表維修實(shí)例步驟:

　　1、 一臺 7026A 的電表電壓、電流顯示值不對(加 220,顯示 300 左右),精度不對。 1、?2、?3、

　　4、?2、 一臺電表上電后液晶不顯示,報警燈、脈沖燈都無(wú)顯示。 1、?2、?3、?4、

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