明白：使用NADC24和M031 MCU现电压、电流和功率监测

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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。其紧凑且集成的使其适用于能源监测、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-SigmaADC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M031MCU。随后，MCU计算各种与功率相关的参数，并时更新显示UI。

3功能描述

硬件组件：
NADC24ADC提供高精度的模数转换，比较高可达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接口现NADC24与M031之间的高速通信。
特点：
比较高支持96KSPS采样率集成低噪声PGA，增益范围从1到1288个单端或4个差分输入通道内部电压参考（12V24V）工作范围：27V–36V，-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（际功率）和功功率分量。

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速傅里叶变换（FFT）。基波频率（通常为5060Hz）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、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、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

环境
52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012%011%004%当前错误020%030%012%电源错误027%016%010%
1300W平均错误率交流电100伏交流电230V直流电240伏电压错误021%003%007%当前错误018%009%017%电源错误038%015%017%
2000W平均错误率交流电100伏交流电230V直流电240伏电压错误014%008%005%当前错误034%019%010%电源错误028%031%011%7结论

该功率测量解决方案基于新唐的NADC24和M031MCU，提供了一个高度集成、精确且具有成本效益的系统，用于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，非常适合自动化、智能电表和嵌入式能源管道理系统。
?场景应用图?展示板照片?方案方块图?核心技术势?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，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，需额外的模拟前端即可增强低电平信号的测量灵敏度。

?时功率计算能力
利用M031Cortex-M0MCU进行时计算，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NuvotonNADC24，这是一款具有比较高22位有效位数（ENOB）的24位Delta-SigmaADC，并与NuMicroM031Cortex-M0MCU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15625SPS到96KSPS，内置12V24V参考电压（100ppm°C），工作电压范围为27V–36V，工作温度范围为-40°C至105°C。通过SPI通信接口，具备±4kVESD和±44kVEFT保护功能，可现精确的时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。