1. 概述

NADC24是由新唐科技開發的一款高精度24位Delta-Sigma模數轉換器（ADC），專為低噪聲、高分辨率的模擬信號轉換而優化。當與基于Cortex-M0的M031微控制器配合使用時，它能夠為單相電源（PSU）提供精準且經濟高效的功率測量解決方案。該系統可實時監測電壓、電流和功率，同時提供用戶友好的界面用于配置和校準。其緊湊且集成的設計使其適用于能源監測、工業控制和儀器儀表應用。

2. 原則

電源的線路電壓和電流信號分別通過分壓器和電流互感器進行縮放。這些模擬信號以差分模式輸入到NADC24中。集成的可編程增益放大器（PGA）在信號被Delta-Sigma ADC核心數字化之前增強小信號。數字化數據通過SPI接口傳輸到M031 MCU。隨后，MCU計算各種與功率相關的參數，并實時更新顯示/UI。

3. 功能描述

硬件組件：

NADC24 ADC提供高精度的模數轉換，最高可達22位有效位數（ENOB）。

M031 微控制器執行信號處理和顯示功能。

分壓器和電流互感器縮小并隔離線路電壓和電流。

SPI接口實現NADC24與M031之間的高速通信。

特點：

最高支持96 KSPS采樣率

集成低噪聲PGA，增益范圍從1到128

8個單端或4個差分輸入通道

內部電壓參考（1.2V/2.4V）

工作范圍：2.7V – 3.6V，-40°C 至 105°C

小型封裝 QFN32 或 TSSOP20

3-1. 頻率計算

為了計算線路頻率，系統對電壓波形的零交點進行采樣。M031測量零交點之間的間隔，并使用以下方法計算頻率：

數字低通濾波器用于穩定波形并避免由噪聲引起的偽交叉。

3-2. 電壓和電流的均方根值計算

RMS值是通過對數字化波形在一個完整周期內進行計算得出的：

其中 T 是時間周期（通常稱為累積周期）。

PGA確保了足夠的動態范圍和分辨率，即使在低信號水平下也能進行準確的RMS計算。

3-3. 有功功率計算

有功功率是負載實際消耗的功率。其計算公式為：

v(t) 是瞬時電壓

i(t) 是瞬時電流

T 是一個周期

采樣的電壓和電流波形必須時間對齊，以確保準確的乘法運算。

3-4. 視在功率計算

視在功率表示有效值電壓和電流的乘積：

該值包括有功功率（實際功率）和無功功率分量。

3-5. 功率因數計算

功率因數（PF）是有功功率與視在功率的比值：

該指標反映了電力使用的效率。功率因數（PF）接近1表示電力使用效率高。

3-6. 基波與諧波

諧波分析涉及對電壓和電流信號應用快速傅里葉變換（FFT）。基波頻率（通常為50/60Hz）被分離出來，而高頻分量被識別為諧波。

總諧波失真 (THD）計算為：

V1是基波電壓的有效值。

V2、V3、V4……分別是第二、第三、第四等諧波電壓的均方根值。

對于電流信號，THD_I 的計算公式為：

I1是基波電流的有效值。

V2、V3、V4……分別是第二、第三、第四等諧波電流的有效值。

4. 數據處理與訪問

4-1. 數據處理

4-2. 通信協議

該解決方案采用基于簡單傳感器接口（SSI）協議的通信協議。UART通信的波特率為9600。

該協議將所有設備通信組織成幀，每個幀包含一個頭字節、命令和數據長度、命令、數據以及校驗和。

4-3 自動報告數據

該表格顯示了自動化報告數據的格式。

5. 校準

5.1 環境

5.2 校準步驟

6. 測試報告

7. 結論

該功率測量解決方案基于新唐的NADC24和M031 MCU，提供了一個高度集成、精確且具有成本效益的系統，用于實時監測單相電源的參數。NADC24的高有效位數（ENOB）、集成PGA和多功能模擬前端簡化了硬件設計并降低了成本，而M031則高效地處理計算任務。該解決方案支持頻率測量、RMS計算、功率指標和諧波分析，非常適合工業自動化、智能電表和嵌入式能源管理系統。

?場景應用圖

?展示板照片

?方案方塊圖

?核心技術優勢

? 高分辨率測量能力

采用24位Delta-Sigma架構，NADC24提供高達22位的有效位數（ENOB），能夠有效檢測微小的電壓和電流變化，實現極高的測量精度。

? 內置低噪聲可編程增益放大器（PGA）

支持高達128倍增益，無需額外的模擬前端設計即可增強低電平信號的測量靈敏度。

? 實時功率計算能力

利用M031 Cortex-M0 MCU進行實時計算，包括頻率、電壓/電流有效值、功率因數以及基波/諧波成分等參數，使其適用于動態負載監測。

? 高集成度與低物料成本（BOM）

NADC24集成了電壓參考、溫度傳感器、SPI通信以及多通道輸入，簡化了硬件設計和布線需求，有效減少了PCB空間和整體成本。

? 高速且穩定的通信接口

高速SPI數據傳輸確保了精確的數據同步，適用于高采樣率和高頻響應的應用場景。

? 靈活的通道配置

支持4個差分輸入或8個單端輸入，可同時監測多個信號源（如電壓、電流和溫度）。

?方案規格

該功率測量解決方案采用了Nuvoton NADC24，這是一款具有最高22位有效位數（ENOB）的24位Delta-Sigma ADC，并與NuMicro M031 Cortex-M0 MCU配對使用。它支持4路差分輸入或8路單端輸入，內置溫度傳感器，并提供1倍至128倍的PGA增益。系統具有可調節的輸出數據速率，從15.625 SPS到96 KSPS，內置1.2V/2.4V參考電壓（100 ppm/°C），工作電壓范圍為2.7V–3.6V，工作溫度范圍為-40°C至105°C。通過SPI通信接口，具備±4kV ESD和±4.4kV EFT保護功能，可實現精確的實時RMS、頻率、功率因數和諧波分析，適用于電源監控和智能計量等應用。

原文鏈接：https://www.wpgdadatong.com.cn/reurl/3IRvEn
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