摘要：电能表码轮驱动步进电机的堵转将漏掉用电计数。为了检测电能表码轮驱动步进电机堵转的状态，设计了专用检测芯片。芯片基于对步进电机检测线圈的脉冲信号宽度的分析，采用模数混合集成电路检测出堵转脉冲数。其中模拟电路主要是比较器，对检测线圈的信号进行数字化变换。这种检测原理对检测系统的时钟误差有较大的容忍度，可达-23％，+45％，检测系统可在电能表中长期稳定可靠地工作。芯片采用0.5um CMOS工艺制造，与用微处理器检测堵转的方案相比，有更低的成本，可大批量使用。芯片已通过电能表企业准入试验。
关键词：脉宽检测芯片；步进电机堵转；电能表码轮驱动；模数混合集成电路
中图分类号：TN492 文献标识码：A
1.引言
现代码轮式电能表一般以电能计量芯片计量用电量。根据用电量对大小发出相应的脉冲，驱动电能表微型步进电机，电机带动了电能表显示码轮，指示用电量。这种显示方式与液晶显示屏相比具有长期稳定可靠，抗强干扰和成本低等优点，而且这些优点对电能表来说是十分重要的。但是，码轮式电能表也有致命的弱点。当码轮发生堵转故障时，电能照样供应，而电能表不累计和指示用户用电量。尤其是人为堵转给供电部门造成巨大电费损失，国家一度拟取消码轮式电能表标准。为了解决这个问题，需要一种电路，保留原码轮式电能表优点，能检测堵转故障，并将堵转期电能计量芯片发出的脉冲输出，供电表记录。由于码轮式电能表是一种量大而成本低的电表，对额外增加的检测电路成本要严格控制。有人提出了采用带模数转换器的微处理器方案，采集步进电机的检测信号，用微处理器处理，但此方案的成本不能被制造者接受。针对这些问题，设计了电能表码轮堵转专用检测芯片。
2.测原理
该电能表主要采取AD7755作为电能计量主芯片。AD7755对电能计量的结果从F1，F2脚输出步进电机驱动信号，该信号接人驱动码轮的步进电机的线圈。步进电机线圈示意图和信号波形如图l和图2。
其中，M1为步进电机的驱动线圈，M2为与驱动线圈绕在一起的检测用感应线圈。
当Fl(上半图)和F2(下半图)完成一个周期(时间为F1下降沿到与F1最相近的F2上升沿，即(1+t6+f1)，步进电机转一步，码轮最低位转动计数。检测信号F3从同步电机的检测线圈的检测电阻D两端获得，是周期信号。在正常工作下其波形如图3，图4为其局部放大图。图上部为F1信号图，图下部为检测信号F3。
在堵转故障下波形如图5。
通过比较两波形，可知正常输出时F3是宽脉冲与窄脉冲交替输出，故障输出时F3输出均为窄脉冲，我们可以通过比较脉冲的脉宽来区别电表是否正常工作。为了便于通过数字电路来区别宽窄脉宽，这里可以通过一比较器来修正输出波形。由于宽脉冲与窄脉冲的根部脉宽相差不大，通过观察输出波形，取适当的参考电压，此时宽脉宽约为窄脉宽的三倍。论文发表代理http://www.400qikan.com为了减少判断脉冲顺序的工作量，这里可以通过计算一个周期的总脉宽来区别正常输出与故障输出信号波形。
3.电路设计
3.1波形变换电路设计
波形变换电路主要将检测到的脉冲信号变换成矩形波型号，其脉宽包含了堵转与否的信息。电路由比较器构成，如图6所示。由于信号由电机产生，边沿较差，比较器适当的回差特性可以大量减少矩形波边沿的抖动。R是检测线圈电压转换电阻，电阻的数值将不太敏感地影响检测电压的大小，通过实验和计算获得一个合适的阻值。比较器的分压电阻决定了比较电压的大小，也影响变换的矩形波的脉宽，所以对分压电阻的分压比的精度和稳定度有较高的要求。
3.2逻辑电路设计
逻辑电路的框图如图7，逻辑电路的主要逻辑关系图如图8。
检测信号经波形变换电路处理后为矩形波(1)，7位二进制进制主计数器能在波形(1)的高电平期间计数，计数器停止工作有两种情况，一是计数器溢出时停止工作；二是波形(1)的低电平期间停止工作。要求计数器在波形(clr)的低电平期间清零，清零之前计数器要有停止计数并有保持的时间，如上图中TKeep时间段。这样对正常矩形波计数时计数器会有溢出，计数器输出0；对堵转矩形波计数时，计数器不会有溢出，计数器一直输出1。这样可以通过计数器的输出来判断步进电机是否正常工作。由图8可知，计数器在每个周期的两个高电平期间计数，与宽窄脉冲出现的先后顺序无关。上图的波形(4)可由波形扩展电路得到，正好将矩形波每个周期内两高电平截取，以供主计数器计数。c由波形(4)延时一个CLK周期得到，给停止主计数器计数后其它电路足够的处理时间。clr高电平区被扩展为由波形(4)上升沿至c。下降沿，其低电平给主计数器复位。计数器的触发信号cp由时钟信号CLK下降沿触发，cp是信号(1)、(4)、CLK和7位二进制计数器的进位信号(5)的非经4输入与非门获得。正常工作时进位信号为图8中的波形(5)1，故障工作时的进位信号为(5)2。电路能根据7位二进制计数器的进位输出波形(5)来判断出电表是否正常工作，并在非正常工作时输出驱动信号点亮电路中的二极管，采取适当措施，使二极管点亮后，在关断电源后再次加电时继续发光。在波形(c)、波形(4)的控制下，将7位二进制计数器的进位输出(电路总图中信号(5))作为八状态计数器的触发信号。为了防止该计数器进位译码的竞争冒险毛刺给后续电路误触发，计数器采用了循环码，从000开始，至111(共六个状态)时进位有上升沿输出。正常工作时状态制计数器的时钟为上图8中的波形(Cp8)1，始终为0电平，故障工作时，八状态计数器的时钟为波形为(Cp8)2。故障时，八状态计数器开始计数，当确认六次故障后，八状态计数器进位，输使D触发器的输出为高电平1，驱动发光二极管，指示故障。当电路存在外在干扰时，八状态计数器也可能计数，这里给八状态计数器设置清零信号，该信号是以波形(4)为时钟的十六状态计数器(循环码)的进位信号(信号(7))，即定时(0000至1111，共十一个状态)给八状态计数器清零，清除非连续六个故障的干扰信号，防止电表在常年的工作中因干扰累计造成假故障现象。R。为开机清零信号。在堵转状态下，D。输出了F3信号的脉冲个数，这个数字与堵转期间的耗电量有直接关系。
3.3时钟发生器设计
电路中有一个7位二进制主计数器，通过该计数器溢出与否来给出检测结果。又因正常工作时一个周期的脉宽介于30ms~33ms。故障工作时一个周期的脉宽介于12 ms～16ms，这里将其频率设计为5.5Khz。下面考虑最恶劣的情况：取正常工作时的最小值，30 ms，一个周期的脉宽有165个计数脉冲，7位二进制计数器计到128个时溢出，即溢出约40个。取故障工作时的最大值，16 ms，一个周期有88个计数脉冲，离溢出有40个。当频率降低到4.2K时，电路正常工作时计数器不能溢出，频率升高到8K时，故障电路工作时计数器溢出，在其他条件理想时，振荡器频率允许下降1.3K和上升2.5K，即振荡器的频率为(5.5Khz-23％)～(5.5Khz+45％)。可容易区分正常输出与故障输出，并且对振荡器稳定性要求不高，所以设计了比较器结构的RC振荡器，RC片外接。这样既降低了成本又保证芯片长期稳定工作。
4.结论
芯片设计从原理上保证能长期稳定可靠工作，实现采用了较宽线宽的成熟CMOS工艺，功耗低，成本低，影响系统工作关键参数的原件外接。图9是芯片的电能表实装照片，实装测试表明芯片功能正确。图10是芯片实物照片。该芯片进一步改进设计可使检测工作完全与时钟频率无关，进一步提高芯片可靠性。
