1. 概述
NADC24 是由新唐科技開發的一款高精度 24 位元 Delta-Sigma 類比數位轉換器（ADC），專為低噪聲、高解析度的類比信號轉換而優化。當與基於 Cortex-M0 的 M031 微控制器搭配使用時，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。該系統可即時監測電壓、電流和功率，同時提供使用者友善的介面，用於配置和校準。其緊湊且整合的設計使其適用於能源監測、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處理。這些模擬信號以差分模式輸入到NADC24中。內建的可程式增益放大器（PGA）在信號被Delta-Sigma ADC核心數位化之前增強小信號。數位化後的數據通過SPI介面傳輸到M031 MCU。隨後，MCU計算各種與功率相關的參數，並即時更新顯示/UI。
3. 功能描述
硬體元件：
- 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並隔離線路電壓和電流。
- SPI介面實現NADC24與M031之間的高速通信。
特點：
- 最高支援96 KSPS取樣率
- 內建低噪聲PGA，增益範圍從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）
- 工作範圍：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取樣。M031測量零交點之間的間隔，並使用以下方法計算頻率：
數位低通濾波器用於穩定波形並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值是透過對數位化波形在一個完整週期內進行計算得出的：
其中 T 是時間週期（通常稱為累積週期）。
PGA 確保了足夠的動態範圍和解析度，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 是一個週期
採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與電流的乘積：
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立葉變換（FFT）。基波頻率（通常為50/60Hz）被分離出來，而高頻分量則被識別為諧波。
- 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。
對於電流信號，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. 資料處理與存取
4-1. 資料處理
4-2. 通訊協議
該解決方案採用了基於簡單感測器介面（SSI）協議的通訊協議。UART通訊的波特率為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
| 800W 平均錯誤率 | |||
| 交流電 100V | 交流電 230V | 直流電 240伏 | |
| 電壓錯誤 | 0.12% | 0.11% | 0.04% |
| 當前錯誤 | 0.20% | 0.30% | 0.12% |
| 電源錯誤 | 0.27% | 0.16% | 0.10% |
| 1300W 平均錯誤率 | |||
| 交流電 100伏 | 交流電 230V | 直流電 240伏 | |
| 電壓錯誤 | 0.21% | 0.03% | 0.07% |
| 當前錯誤 | 0.18% | 0.09% | 0.17% |
| 電源錯誤 | 0.38% | 0.15% | 0.17% |
| 2000W 平均錯誤率 | |||
| 交流電 100伏 | 交流電 230V | 直流電 240伏 | |
| 電壓錯誤 | 0.14% | 0.08% | 0.05% |
| 當前錯誤 | 0.34% | 0.19% | 0.10% |
| 電源錯誤 | 0.28% | 0.31% | 0.11% |
7. 結論
該功率測量解決方案基於新唐的NADC24和M031 MCU，提供了一個高度整合、精確且具成本效益的系統，用於即時監測單相電源的參數。NADC24的高有效位數（ENOB）、整合PGA和多功能類比前端簡化了硬體設計並降低了成本，而M031則高效地處理計算任務。該解決方案支援頻率測量、RMS計算、功率指標和諧波分析，非常適合工業自動化、智慧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
• 高解析度測量能力 採用24位元Delta-Sigma架構，NADC24提供高達22位元的有效位數（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。 • 內建低噪聲可程式增益放大器（PGA） 支援高達128倍增益，無需額外的類比前端設計即可增強低電平信號的測量靈敏度。 • 即時功率計算能力 利用M031 Cortex-M0 MCU進行即時計算，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，使其適用於動態負載監測。 • 高整合度與低物料成本（BOM） NADC24整合了電壓參考、溫度感測器、SPI通訊以及多通道輸入，簡化了硬體設計和佈線需求，有效減少了PCB空間和整體成本。 • 高速且穩定的通訊介面 高速SPI資料傳輸確保了精確的資料同步，適用於高取樣率和高頻響應的應用場景。 • 彈性的通道配置 支援4個差動輸入或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採用了Nuvoton NADC24，這是一款具有最高22位有效位數（ENOB）的24位Delta-Sigma ADC，並與NuMicro M031 Cortex-M0 MCU搭配使用。它支援4路差分輸入或8路單端輸入，內建溫度感測器，並提供1倍至128倍的PGA增益。系統具有可調節的輸出數據速率，範圍從15.625 SPS到96 KSPS，內建1.2V/2.4V參考電壓（100 ppm/°C），工作電壓範圍為2.7V–3.6V，工作溫度範圍為-40°C至105°C。透過SPI通訊介面，具備±4kV ESD和±4.4kV EFT保護功能，可實現精確的即時RMS、頻率、功率因數和諧波分析，適用於電源監控和智慧計量等應用。