1. 概述
NADC24是由新唐科技开发的一款高精度24位Delta-Sigma模数转换器（ADC），专为低噪声、高分辨率的模拟信号转换而优化。当与基于Cortex-M0的M031微控制器配合使用时，它能够为单相电源（PSU）提供精准且经济高效的功率测量解决方案。该系统可实时监测电压、电流和功率，同时提供用户友好的界面用于配置和校准。其紧凑且集成的设计使其适用于能源监测、工业控制和仪器仪表应用。
2. 原则
电源的线路电压和电流信号分别通过分压器和电流互感器进行缩放。这些模拟信号以差分模式输入到NADC24中。集成的可编程增益放大器（PGA）在信号被Delta-Sigma ADC核心数字化之前增强小信号。数字化数据通过SPI接口传输到M031 MCU。随后，MCU计算各种与功率相关的参数，并实时更新显示/UI。
3. 功能描述
硬件组件：
- NADC24 ADC提供高精度的模数转换，最高可达22位有效位数（ENOB）。
- M031 微控制器执行信号处理和显示功能。
- 分压器和电流互感器缩小并隔离线路电压和电流。
- SPI接口实现NADC24与M031之间的高速通信。
特点：
- 最高支持96 KSPS采样率
- 集成低噪声PGA，增益范围从1到128
- 8个单端或4个差分输入通道
- 内部电压参考（1.2V/2.4V）
- 工作范围：2.7V – 3.6V，-40°C 至 105°C
- 小型封装 QFN32 或 TSSOP20
3-1. 频率计算
为了计算线路频率，系统对电压波形的零交点进行采样。M031测量零交点之间的间隔，并使用以下方法计算频率：
数字低通滤波器用于稳定波形并避免由噪声引起的伪交叉。
3-2. 电压和电流的均方根值计算
RMS值是通过对数字化波形在一个完整周期内进行计算得出的：
其中 T 是时间周期（通常称为累积周期）。
PGA确保了足够的动态范围和分辨率，即使在低信号水平下也能进行准确的RMS计算。
3-3. 有功功率计算
有功功率是负载实际消耗的功率。其计算公式为：
v(t) 是瞬时电压
i(t) 是瞬时电流
T 是一个周期
采样的电压和电流波形必须时间对齐，以确保准确的乘法运算。
3-4. 视在功率计算
视在功率表示有效值电压和电流的乘积：
该值包括有功功率（实际功率）和无功功率分量。
3-5. 功率因数计算
功率因数（PF）是有功功率与视在功率的比值：
该指标反映了电力使用的效率。功率因数（PF）接近1表示电力使用效率高。
3-6. 基波与谐波
谐波分析涉及对电压和电流信号应用快速傅里叶变换（FFT）。基波频率（通常为50/60Hz）被分离出来，而高频分量被识别为谐波。
- 总谐波失真 (THD)计算为：
V1是基波电压的有效值。
V2、V3、V4……分别是第二、第三、第四等谐波电压的均方根值。
对于电流信号，THD_I 的计算公式为：
I1是基波电流的有效值。
V2、V3、V4……分别是第二、第三、第四等谐波电流的有效值。
4. 数据处理与访问
4-1. 数据处理
4-2. 通信协议
该解决方案采用基于简单传感器接口（SSI）协议的通信协议。UART通信的波特率为9600。
该协议将所有设备通信组织成帧，每个帧包含一个头字节、命令和数据长度、命令、数据以及校验和。
4-3 自动报告数据
该表格显示了自动化报告数据的格式。
5. 校准
5.1 环境
5.2 校准步骤
6. 测试报告
| 800W 平均错误率 | |||
| 交流电 100V | 交流电 230V | 直流电 240伏 | |
| 电压错误 | 0.12% | 0.11% | 0.04% |
| 当前错误 | 0.20% | 0.30% | 0.12% |
| 电源错误 | 0.27% | 0.16% | 0.10% |
| 1300W 平均错误率 | |||
| 交流电 100伏 | 交流电 230V | 直流电 240伏 | |
| 电压错误 | 0.21% | 0.03% | 0.07% |
| 当前错误 | 0.18% | 0.09% | 0.17% |
| 电源错误 | 0.38% | 0.15% | 0.17% |
| 2000W 平均错误率 | |||
| 交流电 100伏 | 交流电 230V | 直流电 240伏 | |
| 电压错误 | 0.14% | 0.08% | 0.05% |
| 当前错误 | 0.34% | 0.19% | 0.10% |
| 电源错误 | 0.28% | 0.31% | 0.11% |
7. 结论
该功率测量解决方案基于新唐的NADC24和M031 MCU，提供了一个高度集成、精确且具有成本效益的系统，用于实时监测单相电源的参数。NADC24的高有效位数（ENOB）、集成PGA和多功能模拟前端简化了硬件设计并降低了成本，而M031则高效地处理计算任务。该解决方案支持频率测量、RMS计算、功率指标和谐波分析，非常适合工业自动化、智能电表和嵌入式能源管理系统。
►场景应用图
►展示板照片
►方案方块图
►核心技术优势
• 高分辨率测量能力 采用24位Delta-Sigma架构，NADC24提供高达22位的有效位数（ENOB），能够有效检测微小的电压和电流变化，实现极高的测量精度。
• 内置低噪声可编程增益放大器（PGA） 支持高达128倍增益，无需额外的模拟前端设计即可增强低电平信号的测量灵敏度。
• 实时功率计算能力 利用M031 Cortex-M0 MCU进行实时计算，包括频率、电压/电流有效值、功率因数以及基波/谐波成分等参数，使其适用于动态负载监测。
• 高集成度与低物料成本（BOM） NADC24集成了电压参考、温度传感器、SPI通信以及多通道输入，简化了硬件设计和布线需求，有效减少了PCB空间和整体成本。
• 高速且稳定的通信接口 高速SPI数据传输确保了精确的数据同步，适用于高采样率和高频响应的应用场景。
• 灵活的通道配置 支持4个差分输入或8个单端输入，可同时监测多个信号源（如电压、电流和温度）。
►方案规格
该功率测量解决方案采用了Nuvoton NADC24，这是一款具有最高22位有效位数（ENOB）的24位Delta-Sigma ADC，并与NuMicro M031 Cortex-M0 MCU配对使用。它支持4路差分输入或8路单端输入，内置温度传感器，并提供1倍至128倍的PGA增益。系统具有可调节的输出数据速率，从15.625 SPS到96 KSPS，内置1.2V/2.4V参考电压（100 ppm/°C），工作电压范围为2.7V–3.6V，工作温度范围为-40°C至105°C。通过SPI通信接口，具备±4kV ESD和±4.4kV EFT保护功能，可实现精确的实时RMS、频率、功率因数和谐波分析，适用于电源监控和智能计量等应用。
对此方案感兴趣可点击此处前往大大通咨询提问哦~
