基于 NADC24 与 M031 MCU 的工业级电压 / 电流 / 功率实时监测方案

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



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。
————————————————

                            版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。

原文链接：https://blog.csdn.net/wpgddt/article/details/148080106