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RN8208G用户手册


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单相计量芯片 RN8208G

RN8208G 用户手册
Data: 2012-6-13 Rev: 1.2

深圳市锐能微科技有限公司

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单相计量芯片 RN8208G

目录

1 芯片介绍.......................................................................................................................................... 3 1.1 芯片特性.............................................................................................................................. 3 1.2 功能简介.............................................................................................................................. 3 1.3 功能框图.............................................................................................................................. 4 1.4 管脚定义.............................................................................................................................. 4 1.5 典型应用.............................................................................................................................. 6 2 系统功能.......................................................................................................................................... 7 2.1 电源监测.............................................................................................................................. 7 2.2 系统复位.............................................................................................................................. 7 2.3 模数转换.............................................................................................................................. 7 2.4 有功功率.............................................................................................................................. 8 2.5 有效值.................................................................................................................................. 8 2.6 能量计算.............................................................................................................................. 9 2.7 寄存器................................................................................................................................... 9 3 校表方法........................................................................................................................................ 18 3.1 概述.................................................................................................................................... 18 3.2 校表流程和参数计算 ........................................................................................................ 18 3.3 举例.................................................................................................................................... 21 4 通信接口........................................................................................................................................ 22 4.1 SPI接口 .............................................................................................................................. 22 4.2 UART接口 ......................................................................................................................... 24 5 电气特性........................................................................................................................................ 29 6 芯片封装........................................................................................................................................ 31

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1 芯片介绍
1.1 芯片特性
? 计量 ? 提供两路∑-△ADC ? 有功电能误差在 5000:1 动态范围内<0.1%,支持 IEC62053-22:2003 标准要求 ? 提供电压、电流有效值和有功功率; ? 潜动阈值可调 ? 提供反相功率指示 ? 提供参考基准监测功能 软件校表 ? 电表常数(HFConst)可调 ? 提供增益和相位校正 ? 提供有功 offset 校正 ? 提供小信号校表加速功能 ? 提供配置参数自动校验功能 提供 SPI/UART 接口 具有电源监控功能 单+5V 电源供电,功耗典型值为 14mW 内置 2.5V±1% 参考电压,温度系数典型值 5ppm/℃ 采用 SOP24 绿色封装,与 RN8208G 管脚兼容,不具备零线 ADC 输入及相关测量功能;

?

? ? ? ? ?

1.2 功能简介
RN8208G 能够测量有功功率、有功电能、电压有效值、电流有效值。 RN8208G 支持全数字的增益、相位和 offset 校正。有功电能脉冲从 PF 管脚输出。 RN8208G 提供 SPI/UART 接口,方便与外部 MCU 之间进行通信。 RN8208G 内部的电源监控电路可以保证上电和断电时芯片的可靠工作。

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1.3 功能框图
AVDD AGND OSCI OSCO

电源监控

时钟控制
Ctrl&reg bus

串行接口

X1 X2 X8 X16

fadc

V1P V1N

+ -

PGA

ADC

有功功率 电压有效值 电流有效值 相位校正

CONTROL& REGISTERS

X1 X2 X4

femu fadc

V3P V3N

+ -

增益校正 偏置校正

PGA

ADC

脉冲生成器

PF

2.5V REF

R

寄存器校验

计量
REFV DGND DVDD RST_N

图 1-1 系统框图

1.4 管脚定义

AVDD RST_N NC V1P V1N NC NC V3P V3N REFV AGND IS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 IS=0

24 QF 23 PF 22 NC 21 NC

AVDD RST_N NC V1P V1N NC NC V3P V3N REFV AGND IS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 IS=1

24 QF 23 PF 22 NC 21 NC

RN8208G

20 OSCO 19 OSCI 18 DVDD 17 DGND 16 B1 15 B0 14 RX 13 TX

RN8208G

20 OSCO 19 OSCI 18 DVDD 17 DGND 16 SCSN 15 SCLK 14 SDI 13 SDO

图 1-2 管脚排列图 深圳市锐能微科技有限公司 page 4 of 32 Rev 1.2

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表 1-1 引脚 1 2 3 4,5 6,7 8,9 标识 AVDD RST_N NC V1P, V1N NC V3P,V3N 特性 电源 输入 NC 输入 NC 输入 输入/ 输出 电源

RN8208G 管脚功能说明 功能描述

模拟电源引脚。 用于给芯片模拟部分供电。 该引脚应外接 10?F 电容 并联 0.1?F 电容去耦。正常应用范围:4.5V-5.5V。 复位引脚,低电平有效。当为低电平时,芯片处于复位状态。该引 脚应外接上拉电阻。 不连接。 电流通道的正、负模拟输入引脚。采用完全差分输入方式,正常工 作最大输入 Vpp 为±1000mV,最大承受电压为±6V。 不连接。 电压通道的正、负模拟输入引脚。采用完全差分输入方式,正常工 作最大输入 Vpp 为±1000mV,最大承受电压为±6V。 2.5V 基准电压的输入、输出引脚。外部基准源可以直接连接到该引 脚上。 无论使用内部还是外部基准源, 该引脚都应使用 10?F 电容并 联 0.1?F 电容进行去耦。 模拟地。 串行通信类型选择引脚,确定芯片的通信接口类型。 IS=0,选择 UART 作为通信接口; IS=1,选择 SPI 作为通信接口。 内部悬空,由外部上拉或下拉。 SDO 和 TX 复用引脚, 3.3V/5V 兼容引脚。 当 IS=1 时, 该引脚为 SPI 串行数据输出 SDO。复位后,该引脚为高阻输出。 当 IS=0 时,该引脚为 UART 的数据输出端 TX。 当 IS=1 时,该引脚为 SPI 串行数据输入引脚,3.3V/5V 兼容引脚。 当 IS=0 时,该引脚为 UART 输入端 RX,3.3V/5V 兼容引脚。 。 当 IS=1 时,该引脚为 SPI 串行时钟输入,3.3V/5V 兼容引脚。 当 IS=0 时,B0 和 B1,选择为 UART 接口时作为波特率选择引脚: {B1,B0}=00 2400 波特率 {B1,B0}=10 9600 波特率 {B1,B0}=01 4800 波特率 {B1,B0}=11 19200 波特率

10 11

REFV AGND

12

IS

输入

13

SDO/TX

输出

14

SDI/RX

输入

15

SCLK/B0

输入

16 17 18 19 20

SCSN/B1 DGND DVDD OSCI OSCO

输入 电源 电源 输入 输出

当 IS=1 时,该引脚为 SPI 片选信号,低有效,3.3V/5V 兼容引脚。 内部悬空,由外部上拉。 当 IS=0 时,作为 B1,见 B0 说明。 数字地。 数字电源引脚。 用于给芯片数字部分供电。 该引脚应外接 10?F 电容 并联 0.1?F 电容去耦。正常应用范围:4.5V-5.5V。 外部晶体的输入端,或是外灌系统时钟输入。晶体频率典型值为 3.579545MHz。 外部晶体的输出端。

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Renergy 21 22 23 24 NC NC PF QF NC NC 输出 输出 不连接。 不连接。

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有功电能校验脉冲输出,默认状态低电平输出。其频率反映瞬时有 功功率的大小。具有 5mA 的输出和吸电流能力。 保留功能

1.5 典型应用

负载
10欧 0.1UF 10UF 0.1UF

+5v
10UF

+
1K

1K 33nF 33nF

/RST AVDD DVDD V1P

RN8208G 单相 V1N 计量芯片

SPI/UART

单片机

PF
1K 1M 1K 33nF

LCD显示模块
3.579545MHz

V3P V3N

CLKIN

15pF

通讯模块

1K

33nF

REF

CLKOUT AGND DGND

15pF

EEPROM

0.1UF

10UF

N 220V

L

图 1-3 单相电表典型应用

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2 系统功能
2.1 电源监测
RN8208G 片内包含一个电源监测电路,连续对模拟电源(AVDD)进行监控。当电源电 压低于 4V±0.1V 时芯片被复位,当电源电压高于 4.3V±0.1V 时芯片正常工作。
AVDD 5V 4.3V 4V

0V Time
内部复位 复位 运行 复位 运行 复位

Time

图 2-1 电源检测特性 为保证芯片正常工作,AVDD 的波动不应超过 5V±5%。

2.2 系统复位
RN8208G 支持三种全局复位方式: ? 上下电 ? 外部引脚复位 ? 软件复位 任一全局复位发生时,寄存器恢复到复位初值,外部引脚电平恢复到初始状态。 相关寄存器: 系统状态寄存器中的 RST 是复位标志:当外部 RST_N 引脚或者上电复位结束时,该位 置 1,读后清零。可用于复位后校表数据请求。 CPU 可在初始化计量芯片前使用 PIN 复位或者软件复位对计量芯片进行一次复位操作。

2.3 模数转换
RN8208G 包括两路 ADC,一路用于相线电流采样,一路用于电压采样。ADC 采用全差 深圳市锐能微科技有限公司 page 7 of 32 Rev 1.2

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分方式输入,电流、电压通道最大信号输入幅度为峰值 1000mv。 通过配置系统控制寄存器(SYSCON 0x00H)中的 bit3~bit0 位,可以分别对两路 ADC 配置 放大倍数,电流通道的 ADC 放大倍数 4 档可选:1、2、8、16;电压通道 ADC 放大倍数 3 档可选:1、2、4。电流通道的增益放大倍数默认为 16 倍。

2.4 有功功率

PhsA

电流 采样值
相位校正

DataI
高通滤波
Pm1A

APOS

GP

PowerP

+

Pm2A

DATAPA
功率计算

电压 采样值

DataU
高通滤波

图 2-2 有功功率框图 RN8208G 提供有功功率的计算和校正,寄存器包含相位校正、有功 Offset 校正、有功增 益校正和平均功率寄存器。 图中的数字高通滤波器主要是用于去除电流、电压采样数据中的直流分量。

2.5 有效值

IRMSOS
DataI

+

IRMS

开平方

URMS DataU

开平方

图 2-3 有效值计算框图 RN8208G 提供两个通道的真有效值参数输出, 包括 URMS、 IRMS。 字长为 24bit, 每 3.4HZ 更新一次。此外还包括有效值 Offset 寄存器:IRMSOS。

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2.6 能量计算

PRun

PStart

DATAP
PMOD

脉冲生成器

PF EnergyP

HFConst

CFSU EnergyP2

图 2-4 能量计算 能量脉冲输出: 脉冲输出,也即校表脉冲输出,可以直接接到标准电能表进行误差比对。 PF 输出满足下面时序关系:

t1 t2 t1 t2 90ms ----

图 2-5 输出脉冲宽度 注意:当脉冲输出周期小于 180ms 时,脉冲以等 duty 形式输出。 PFcnt、HFConst、脉冲输出、能量寄存器的关系: 当 2*|PFcnt| (0x20H)=HFConst (0x03H)时,PF 有一个脉冲输出。同时能量寄存器 EnergyP (0x29H)和 EnergyP2 (0x2AH)加 1。 脉冲输出、能量寄存器和 PRun 以及 PStart 的关系: 有功能量寄存器和 PF 输出还受到 PRun 以及 PStart 的控制。 ? 当 PRun=0 或者|P|小于 PStart 时,PF 不输出脉冲,PFcnt 和有功能量寄存器不增加。 脉冲输出加速: 为加快小信号校正速度,提供脉冲输出加速功能。在小信号校正时可以配置 EMUCON (0x01H)寄存器的 CFSUEN 和 CFSU[1:0]位,使 PF/QF 的输出频率提高,最快可以提高 16 倍。 反向指示: 当有功功率为负时,EMUStatus 寄存器的 REVP 位会变为 1,REVP 位与 PF 脉冲同步更 新。

2.7 寄存器
2.7.1 寄存器列表 表 2-1 RN8208G 寄存器列表

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Renergy 地址 00H 01H 02H 03H 04H 05H 07H 0AH 0EH 17H 20H 22H 24H 26H 29H 2AH 2DH 43H 44H 45H 名称 SYSCON EMUCON HFConst PStart 保留位 GP PhsA APOS IRMSOS EMUCON2 PFCnt IRMS URMS PowerP EnergyP EnergyP2 EMUStatus SysStatus RData WData R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R/W R R R R R R R R R

单相计量芯片 RN8208G 字长 复位值 功能描述 校表参数和计量控制寄存器 2 0003h 系统控制寄存器,写保护 2 0003h 计量控制寄存器,写保护 2 1000h 脉冲频率寄存器,写保护 2 0060h 有功起动功率设置,写保护 该地址读出默认值为0120H,参与校验和 2 0120h 计算,客户不要改变其默认值。 2 0000h 功率增益校正寄存器,写保护 1 00h 相位校正寄存器,写保护 2 0000h 有功功率Offset校正寄存器,写保护 2 0000h 电流通道有效值Offset补偿,写保护 2 0000h 计量控制寄存器2,写保护 计量参数和状态寄存器 2 0000h 快速有功脉冲计数,写保护 3 000000h 电流有效值 3 000000h 电压有效值 4 00000000h 有功功率 有功能量,读后清零、不清零可选,默认 3 000000h 为读后不清零 3 000000h 保留,该寄存器功能等同于EnergyP。 3 00EE79h 计量状态及校验和寄存器 系统状态寄存器 1 -系统状态寄存器 4 -上一次SPI/UART读出的数据 2 -上一次SPI/UART写入的数据

2.7.2 校表参数寄存器

系统控制寄存器 SYSCON(0x00) SYSTEM Control Register (SYSCON) 位 15 位名称 保留 ---UART 波特率选择,只读,其值由硬件管脚 B1 和 B0 决定。 {B1,B0}=00, Uadrbr=7’h2E, 2400 波特率 {B1,B0}=01, Uadrbr=7’h16, 4800 波特率 {B1,B0}=10, Uadrbr=7’h0B, 9600 波特率 {B1,B0}=11, Uadrbr=7’h05, 19200 波特率 只在通信口选择为 UART 时有意义,在选择为 SPI 时读出为 0。 ----默认为 0,用户不要改变其默认值 ----默认为 0,用户不要改变其默认值 Address: 0x00 H 功能描述 Default Value: 0003H

14-8

Uartbr[6:0]

7 6

保留 保留

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Renergy 5-4 保留 ----默认为 0,用户不要改变其默认值 电压通道模拟增益选择:
PGAU1 PGAU0 0 1 0 1 PGAI0 0 1 0 1 电压通道 PGA=1 PGA=2 PGA=4 PGA=1 电流通道 PGA=1 PGA=2 PGA=8 PGA=16 0 0 1 1 PGAI1

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3-2

PGAU[1:0]

电流通道模拟增益选择,默认值为 16 倍。
0 0 1 1

1-0

PGAI[1:0]

计量控制寄存器 计量控制寄存器用于计量功能的设置。 Energy Measure Control Register (EMUCON) Address: 0x01 H 位 15 14 13-12 位名称 EnergyCLR 保留 保留 功能描述 默认为 0 =0:电能寄存器为累加型; =1:电能寄存器为读后清零型; ----默认为 0,用户不要改变其默认值 ----默认为 0,用户不要改变其默认值 有功能量累加方式选择:
PMOD1 0 PMOD0 0 1 0 1 累加功率 Pm Pm=DataP,正反向功率都参与累加,负 功率有 REVP 符号指示。 0 1 1 只累加正向功率 Pm=|DataP|,正反向功率都参与累加, 无负功率符号指示。 Pm=DataP (保留)

Default Value: 0003H

11-10

PMOD[1:0]

9 8 7 6 5

保留 保留 保留 HPFIOFF HPFUOFF

----默认为 0,用户不要改变其默认值 ----默认为 0,用户不要改变其默认值 ----默认为 0,用户不要改变其默认值 HPFIOFF=0:使能 I 通道数字高通滤波器 HPFIOFF=1:关闭 I 通道数字高通滤波器 HPFUOFF=0:使能 U 通道数字高通滤波器 HPFUOFF=1:关闭 U 通道数字高通滤波器

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单相计量芯片 RN8208G CFSUEN 是 PF 脉冲输出加速模块的控制位,CFSUEN=1,使能脉冲 加速模块, 脉冲的输出速率提高 2^ (CFSU[1:0]+1) 倍。 CFSUEN=0, 关闭脉冲加速模块,脉冲正常输出。 该位和 CFSUEN 配合使用。见 CFSUEN 说明。 ----默认值为 1,用户不要改变其默认值。 PRUN=1,使能 PF 脉冲输出和有功电能寄存器累加; PRUN=0,关闭 PF 脉冲输出和有功电能寄存器累加。默认状态为 1。

4 3,2 1 0

CFSUEN CFSU[1:0] 保留 PRUN

脉冲频率寄存器
High Frequency Impulse Const Register (HFConst) Bit15 Read: Write: Reset: : Read Write: Reset: 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Bit7 HFC7 0 6 HFC6 0 5 HFC5 1 4 HFC4 0 3 HFC3 0 2 HFC2 0 1 HFC1 0 Bit0 HFC0 HFC15 14 HFC14 13 HFC13
Address: 0x 02H Default Value : 1000H

12 HFC12

11 HFC11

10 HFC10

9 HFC9

Bit8 HFC8

HFConst 是 16 位无符号数,做比较时,将其与快速脉冲计数寄存器 PFCNT 寄存器值的绝 对值的 2 倍做比较,如果大于等于 HFConst 的值,那么就会有对应的 PF 脉冲输出。 潜动与启动阈值寄存器
Start Power Threshold Setup Register (PStart) Bit15 Read: Write: Reset: 0 Bit7 Read: Write: Reset: 0 1 1 0 0 0 0 0 PS7 0 6 PS 6 0 5 PS 5 0 4 PS 4 0 3 PS 3 0 2 PS 2 0 1 PS 1 0 Bit0 PS 0 PS15 14 PS 14 13 PS 13 Address: 0x 03h 12 PS 12
Default Value : 0060H

11 PS11

10 PS10

9 PS 9

Bit8 PS 8

启动阈值可由 PStart 寄存器配置。它们是 16 位无符号数,做比较时,将其与 PowerP (为 32bit 有符号数)的高 24 位的绝对值进行比较,以作起动判断。 |PowerP|小于 PStart 时,PF 不输出脉冲。 增益校正寄存器
Power Gain Register (GP) Address: 0x05h
Default Value : 0000H

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Bit15 Read: Write: Reset: 0 0 0 0 0 GP_15 14 GP_14 13 GP_13 12 … 3 GP_12…GP_3 2 GP_2

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1 GP_1 0 Bit0 GP_0 0

二进制补码格式,最高位为符号位。 GP 用于有功功率的校正。 校正公式为:P1=P0(1+GPS) 其中 GPS 为增益校正寄存器的归一化值。使用方法见第三章校表方法。 相位校正寄存器
Phase Calibration Register A(PhsA) Bit7 Read: Write: Reset: 0 0 0 0 0 0 0 0 PhsA_7 6 PhsA_6 Address: 0x 07H 5 PhsA _5
Default Value : 00H

4 PhsA _4

3 PhsA _3

2 PhsA _2

1 PhsA _1

Bit0 PhsA _0

该寄存器为带符号二进制补码,Bit0~bit7 有效,其中 bit7 为符号位。使用方法见第三章 校表方法。 1 LSB代表 1/895khz=1.12us/LSB 的延时,在 50HZ下,1 LSB代表 1.12 us*360 o*50/ 10^6 、 =0.02o /LSB 相位校正。 相位校正范围:50HZ下,±2.56 o 有功 Offset 校正寄存器
Active Power Offset Register (APOS) Bit15 Read: Write: Reset: 0 0 0 0 0 0 0 APOS_15 14 APOS _14 Address: 0AH 13 APOS _13
Default Value : 0000H

12 … 3 APOS _12…APOS _3

2 APOS _2

1 APOS _1

Bit0 APOS _0

有功 OFFSET 校正适合小信号的精度校正。该寄存器为二进制补码格式,最高位为符号 位。使用方法见第三章校表方法。 有效值 Offset 校正寄存器
I RMS Offset Register(IRMSOS) Bit15 Read: Write: Reset: 0 0 0 0 0 0 0 IRMS_15 14 IRMS _14 Address: 0EH 13 IRMS _13
Default Value : 0000H

12 … 3 IRMS _12…IRMS _3

2 IRMS _2

1 IRMS _1

Bit0 IRMS _0

有效值 Offset 校正寄存器用于电流有效值小信号精度的校正。该寄存器为二进制补码格

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Renergy 式,最高位为符号位。使用方法见第三章校表方法。 计量控制寄存器 2 Energy Measure Control Register2 (EMUCON2) Address: 0x17 H 位 15~10 9 8 7 6 5,4 3~0 位名称 保留 保留 PhsA0 保留 保留 保留 保留 功能描述 ----默认为 0,用户不要改变其默认值 ----默认为 0,用户不要改变其默认值

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Default Value: 0000H

可作为最低位与 PhsA(0x07H)寄存器共同组成一个 9 位的相位校正寄 存器,将相位校正分辨度从 0.02 度提高到 0.01 度。当该寄存器为 0 时,对相位校正不起作用。 ----默认为 0,用户不要改变其默认值 ----默认为 0,用户不要改变其默认值 ----默认为 0,用户不要改变其默认值 ----默认为 0,用户不要改变其默认值

2.7.3 计量参数寄存器

快速脉冲计数器
Active Energy Counter Register (PFCNT) Bit15 Read: Write: Reset: 0 0 0 0 0 0 0 PFC15 14 PFC14 13 PFC13 Address:

0x20h
12 … 3 2 PFC2 1 PFC1 Bit0 PFC0

PFC12…PFC3

为了防止上下电时丢失电能,掉电时 MCU 将寄存器 PFCnt 值读回并进行保存,然后在 下次上电时 MCU 将这些值重新写入到 PFCnt 中去。 当快速脉冲计数寄存器 PFCnt 计数值的绝对值的 2 倍大于等于 HFconst 时, 相应的 PF 会 有脉冲溢出,能量寄存器的值会相应的加 1。 电流电压有效值寄存器
Current A Rms Register (IRms) Bit23 Read: IS23 22 IS22 Address: 21 IS21

0x22h
20 … 3 IS20…IAS3 2 IS2 1 IS1 Bit0 IS0

Voltage Rms Register (Urms) Bit23 22

Address: 21

0x24h
20 … 3 2 1 Bit0

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Read: US23 US22 US21 US20…US3 US2

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US1 US0

有效值 Rms 是 24 位有符号数,最高位为 0 表示有效数据,最高位为 1 时读数做零处理; 参数更新的频率为 3.4Hz。 平均有功功率寄存器
Active Power Register (PowerP) Bit31 Read: AP23 30 AP22 Address: 29 AP21

0x26h
28 … 3 AP20…AP3 2 AP2 1 AP1 Bit0 AP0

有功功率参数 PowerP 是二进制补码格式,32 位数据,其中最高位是符号位。功率参数更 新的频率为 3.4Hz 。 有功电能寄存器
Active Energy Register (EnergyP) Bit23 Read: EP23 22 EP22 Address: 21 EP21

0x29h
20 … 3 EP20…EP3 2 EP2 1 EP1 Bit0 EP0

EnergyP 寄存器是累加型或清零型有功能量寄存器。当选择为累加型时(EMUCON 寄存 器 bit15=0) ,在 0xFFFFFF 溢出到 0x000000 时,会产生溢出标志 POIF(参见 IF 0x41H)。当选 择为清零型时(EMUCON 寄存器 bit15=1) ,寄存器读后清为 0. 电能参数是无符号数,EnergyP 的寄存器值分别代表 PF 脉冲的累加个数。寄存器最小单 位代表的能量为 1/EC kWh。其中 EC 为电表常数。 有功电能寄存器 2
Active Energy Register2 (EnergyP2) Bit23 Read: EP23_2 22 EP22_2 Address: 21 EP21_2

0x2AH
20 … 3 EP20_2…EP3_2 2 EP2_2 1 EP1_2 Bit0 EP0_2

EnergyP2 寄存器地址保留,功能等同 EnergyP。 计量状态寄存器 此寄存器包括计量状态寄存器和校验和寄存器两部分。 EMU STATUS Register (EMUStatus) 位 23 22 位名称 保留 VREFLOW 读出为 0 只读寄存器,表征 VREF 工作状态。 =1,表示 REFV 引脚的电压值过低,外部电路有异常; =0,表示 REFV 引脚的电压值没有出现过低现象。 page 15 of 32 Rev 1.2 Address:0x2D h 只读寄存器 功能描述

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Renergy 21 20 19 18 17 保留 保留 Nopld 保留 REVP 读出为 0 无意义

单相计量芯片 RN8208G

当有功功率小于起动功率时,NoPld 被置为 1;当有功功率大于/等 于起动功率时 NoPLd 清为 0。 无意义 反向有功功率指示标识信号,当检测到负有功功率时,该信号为 1。 当再次检测到正有功功率时, 该信号为 0。 在 PF 发脉冲时更新该值。 校表数据校验计算状态寄存器。 ChksumBusy =0,表示校表数据校验和计算已经完成。校验值可用。 ChksumBusy =1,表示校表数据校验和计算未完成。校验值不可用。 校验和输出

16 15:0

ChksumBusy Chksum

EMUStatus [15:0]是 RN8208G 专门提供一个寄存器来存放校表参数配置寄存器的 16 位校 验和,外部 MCU 可以检测这个寄存器来监控校表数据是否错乱。 校验和的算法为双字节累加后取反。对于单字节寄存器 PHSA,将其扩展为双字节后累 加,扩展的字节为 00H。 RN8208G 参与校验和计算的寄存器地址是 00H-17H,根据 RN8208G 默认值计算得到的 校验和为 0xEE79。注意保留寄存器 04H 默认值为 0120H,参与校验和计算,用户不要改变其 默认值。 以下三种情况下,重新开始一次校验和计算:系统复位、00H-17H 某个寄存器发生写操 作、EMUStatus 寄存器发生读操作。一次校验和计算需要 11.2us。 2.7.4 系统状态寄存器

系统状态寄存器 System Status Register (SysStatus) 位 7-5 4 3 2 位名称 Reserved WREN Reserved IS 保留。 写使能标志:=1 允许写入带写保护的寄存器; =0 不允许写入带写保护的寄存器 保留。 串行通信类型选择引脚状态位,确定芯片的通信接口类型。 IS=0,表示选择 UART 作为通信接口;IS=1,表示选择 SPI 作为通信接 口。 软件复位标志。当软件复位结束时,该位置 1。读后清零。可用于复位后 校表数据请求。 硬件复位标志。当外部 RST_N 引脚或者上电复位结束时,该位置 1。读 后清零。可用于复位后校表数据请求。 Address: 0x43H 功能描述 只读

1 0

SOFTRST RST

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Renergy SPI/UART 读校验寄存器

单相计量芯片 RN8208G

RData(0x44H)寄存器保存前次 SPI/UART 读出的数据, 可用于 SPI/UART 读出数据时的校验。 SPI/UART 写校验寄存器 WData(0x45H)寄存器保存前次 SPI/UART 写入的数据, 可用于 SPI/UART 写入数据时的校验。 2.7.5 特殊命令 命令名称 写使能命令 写保护命令 软件复位命 令 命令寄存器 0xEA 0xEA 数据 0xE5 0xDC 使能写操作 关闭写操作 软件复位命令, 等效于外部 PIN 复位; 当写使能之后, 系统才接受该命令; 建议客户 CPU 对计量初始化前先进行软件复位或者 PIN 复位; 描述

0xEA

0xFA

写保护的范围: 0x00h-0x17h 校表参数配置寄存器、0x20h 快速脉冲寄存器,用特殊命令写使能后才能写 入修改,具体命令格式如上表。

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Renergy

单相计量芯片 RN8208G

3 校表方法
3.1 概述
RN8208G 提供了丰富的校正手段实现软件校表, 经过校正的仪表, 有功精度可达 0.5S 级。 RN8208G 的校正手段包括: ? 电表常数(HFConst)可调 ? 提供功率相位校正 ? 提供功率增益校正 ? 提供有功和有效值 offset 校正 ? 提供小信号加速校正功能 ? 提供校表数据自动校验功能

3.2 校表流程和参数计算
可利用标准电能表进行校表,有功能量脉冲 PF 可以通过光耦直接连接到标准表上去,然 后根据标准电能表的误差读数对 RN8208G 进行校正。 3.2.1 校表流程

校表开始

参数设置

有效值 校正

有功 校正

校表结束

图 3-1 校表流程

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Renergy 3.2.2 参数设置

单相计量芯片 RN8208G

参数设置 开始

ADC增益选择

起动电流设置

HFConst设置

能量累加模式 设置

其他参数设置

参数设置结束

图 3-2 参数设置流程 HFConst 参数计算: osci=3.579545MHz 时,HFConst 的计算公式如下: HFConst=INT[14.8528*Vu*Vi*10^11/(EC*Un*Ib)] Vu:额定电压输入时,电压通道的电压(引脚上电压×放大倍数) Vi:额定电流输入时,电流通道的电压 (引脚上电压×放大倍数) Un:额定输入的电压; Ib:额定输入的电流; EC:电表常数 3.2.3 有功校正

有功校正 开始

功率增益校正 PF=1.0

有功offset校 正 PF=1.0

相位校正 PF=0.5L

有功 校正结束

图 3-3 有功校正流程 1. 功率增益校正可通过配置 GP 寄存器实现,GP 的计算方法如下: 若标准表在 100%Ib、PF=1 上读出误差为 err:

Pgain =

? err 1 + err
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如果Pgain>=0,则GP=INT[Pgain*215] 否则Pgain<0, 则GP=INT[216+Pgain*215] 2. 相位校正寄存器的计算方法: 若标准表在 100%Ib,PF=0.5L 上读出误差为 err,则相位补偿公式:

θ = Arcsin

? err 3

对 50HZ,PHSA有 0.020/LSB的关系,则有 如果 θ >=0,PHSA = INT( θ /0.020) 如果 θ <0,PHSA =INT(2^8+ θ /0.020) 3. 有功 offset 校正是在外部噪声(PCB 噪声,变压器噪声等等)较大,积分所得能量影 响到小信号精度的情况下, 提高小信号有功精度的一种有效手段。 若外部噪声对小信 号有功精度影响较小,该步骤可忽略。 3.2.4 有效值校正

有效值校 正开始 电压校正 (额定电压) 有效值 校正结束

电流offset校 正(I=0) 电流校正 (额定电流)

图 3-5 有效值校正流程 说明: 1. 电流 offset 校正可提高小信号电流有效值精度 IRMSOS 寄存器计算过程: 1)配置标准表台,使 U=Un、电流通道输入 Vi=0; 2)MCU 取 IRMS 寄存器值,暂存; 3)重复步骤 2 十一次,第一个数据可不要,MCU 取后十个数据求平均得 Iave; 4)求 Iave 的平方 Iave^2; 5) 求其 32 位二进制反码,取符号位填入 IRMSOS 寄存器的 bit15,取 bit23~bit8 填入 IMSOS bit14~bit0 得 IRMSOS; 6) 有效值 offset 校正结束 2. 校好电流 offset 后,再进行电流转换系数 Ki 以及电压转换系数 Ku 的校正,该步由 MCU 完成,计算过程如下: 若额定电流 Ib 下 IRMS 寄存器读数为 RMSIAreg,则 Ki=Ib/RMSIAreg 其中 Ki 为额定输入时额定值与相应寄存器的比值。

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3.3 举例
假设设计一块 220v(Un) 、5A(Ib)额定输入、表常数为 3200(EC)的样表。电流采样 使用 350 微欧的锰铜,通道增益为 16 倍;电压采用电阻分压输入,模拟通道增益为 1 倍,芯 片引脚上电压值为 0.22v。 1. 计算 HFConst Vu=0.22V; Vi=5*0.00035*16=0.028V; EC=3200; Un=220; Ib=5. HFConst=[14.8528*Vu*Vi*10^11/(EC*Un*Ib)]=2599 取整后 HFConst 为 A27 H(4061)。将该值写入 HFCONST 寄存器即可。

2. 有功校正 1)增益校正 功率源上输出 220v、5A、功率因数为 1 的信号,标准表上显示的误差为 1.2%,则 Pgain=-0.012/(1+0.012)=-0.01186 该数小于 0,需转换为补码,则-0.01186*2^15+2^16=0xFE7BH 将 FE7Bh 写入 GP 寄存器,完成增益校正。 2) 相位校正 校完阻性增益后,将功率因数改为 0.5L,标准表显示的误差为-0.4%,则 θ=ArcSin(-(-0.004)/1.732)=ArcSin 0.0023 = 0.13230 phs=INT[0.1323/0.02]=6 取整后为 0x06H,写入角度校正寄存器 PHSA 即可。 3) 有功 OFFSET 校正 在电流输入为零的条件下,读取有功功率寄存器的值,0Xfffff50f, (可以读若干次取平均 值 ),其 32 位补码为 0x00000AF1,取后 4 位数 0X0AF1 写入有功偏置校正寄存器。 有效值校正 芯片提供了电流有效值偏置校正寄存器,在电流输入为零的条件下,读取电流有效值寄 存器的值为 0x000483, (可以读若干次取平均值)十进制数为 1155。 将其平方后求其反码: 1155*1155=1334025=0x145B09,32 位反码为 0Xffeba4f6。 取中间 4 位数 0xeba4 写入电流有效值偏置校正寄存器。 转换系数计算由 MCU 完成。 3.

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4 通信接口
? ? ? 支持两种串行通信接口:SPI 和 UART。工作在从属方式; 串行通信接口选择通过外部引脚 IS 设置; SPI 和 UART 接口均为 5V/3.3V 兼容;

4.1 SPI 接口
4.1.1 SPI 接口信号说明 SCSN:SPI 从设备片选信号,低电平有效,输入信号,内部悬空,建议外接上拉电阻。 SCSN 由高电平变为低电平时,表示当前芯片被选中,处于通讯状态;SCSN 由低电平变 为高电平时,表示通讯结束,通讯口复位处于空闲状态。 SCLK:串行时钟输入脚,决定数据移出或移入 SPI 口的传输速率。 所有的数据传输操作均与 SCLK 同步,RN8208G 在上升沿将数据从 SDO 引脚输出;主 机在上升沿将数据从 SDI 引脚输出。RN8208G 和主机都在下降沿读取数据。 SDI:串行数据输入脚。用于把主设备数据传输到 RN8208G 内部。 SDO:串行数据输出脚,用于把 RN8208G 数据输出给主设备。SCSN 为高时,为高阻。 4.1.2 SPI 帧格式 SPI 帧包括读操作帧、写操作帧和特殊命令帧。每一帧的传输过程如下: 当 RN8208G 检测到 SCSN 下降沿, SPI 进入通信方式, 在此模式下, RN8208G 等待 MCU 向命令寄存器传送命令字节。 命令寄存器是一个 8bit 宽的寄存器。对于读写操作,命令寄存器的 bit7 用来确定本次数 据传输操作的类型是读操作还是写操作,命令寄存器的 bit6-0 是读写的寄存器的地址。对于 特殊命令操作,命令寄存器的 bit7-0 固定为 0xEAH。 写完命令寄存器,芯片解析和响应命令,开始本次数据传输。数据传输结束后,SPI 又进 入通信模式,等待 CPU 向命令寄存器传送新的命令字节。 这三种类型 SPI 帧格式说明见表 4-1。 表 4-1 SPI 帧格式 命令名称 读命令 写命令 写使能命令 写保护命令 命令寄存器 {0,REG_ADR[6:0]} {1,REG_ADR[6:0]} 0xEA 0xEA 数据 RDATA WDATA 0xE5 0xDC 描述 从地址为 REG_ADR[6:0]的寄存器中读数据。 注意:读无效地址,返回值为 00h。 向地址为 REG_ADR[6:0]的寄存器中写数据。

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Renergy 软件复位命令 4.1.3 SPI 写操作 0xEA 0xFA

单相计量芯片 RN8208G 参见 2.7.5 特殊命令章节。

SCSN
t1

t2

SCLK
1 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 DB7 DB0 DB7 DB0

SDI
写命令字节 最高有效字节 最低有效字节

图 4-1 SPI 写时序 工作过程: 主机在 SCSN 有效后,先通过 SPI 写入命令字节(8bit,包含寄存器地址) ,再写入数据字 节。注意: 1. 以字节为单位传输,高比特在前,低比特在后; 2. 多字节寄存器,先传输高字节内容,再传输低字节内容; 3. 主机在 SCLK 高电平写数据,从机在 SCLK 低电平取数据; 4. 数据字节之间的时间 t1 要大于等于半个 SCLK 周期; 5. 最后一个字节的 LSB 传送完毕, SCSN 由低变高结束数据传输。 SCLK 下降沿和 SCSN 上升沿之间的时间 t2 要大于等于半个 SCLK 周期。 注意:有写保护功能的寄存器在写操作之前要先写入写使能命令。 4.1.4 SPI 读操作
t2

SCSN
t1

SCLK
0 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0

SDI SDO
读命令字节
DB7 DB0 DB7 DB0

最高有效字节

最低有效字节

图 4-2 SPI 读时序 工作过程: 主机在 SCSN 有效后,先通过 SPI 写入命令字节(8bit,包含寄存器地址) ,从机收到读命 令后,在 SCLK 的下降沿将数据按位从 SDO 引脚输出。注意: 1. 以字节为单位传输,高比特在前,低比特在后; 2. 多字节寄存器,先传输高字节内容,再传输低字节内容; 深圳市锐能微科技有限公司 page 23 of 32 Rev 1.2

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单相计量芯片 RN8208G

3. 主机在 SCLK 高电平写命令字节,从机在 SCLK 高电平将数据从 SDO 输出; 4. 数据字节的时间 t1 要大于等于半个 SCLK 周期; 5. 最后一个字节的 LSB 传送完毕, SCSN 由低变高结束数据传输。 SCLK 下降沿和 SCSN 上升沿之间的时间 t2 要大于等于半个 SCLK 周期。 4.1.5 SPI 接口可靠性设计 SPI 接口可靠性设计包括以下方面: ? 校验功能 1. 提供校验寄存器 EMUStatus(0x2DH)用于存放内部校表寄存器的校验和。 2. 提供 SPI 读校验寄存器 RData(0x44H),保存前次 SPI 读出的数据。 3. 提供 SPI 写校验寄存器 WData (0x45H),保存前次 SPI 写入的数据。 ? 写保护功能 对所有可读可写寄存器有写保护功能。 ? 应用电路设计 SPI 传输信号线有可能受到干扰而出现抖动, 需要外接电阻电容进行滤波。 参数的选择可 根据需要确定。

10K
SCSN

10欧
SCLK

RN8208G
SDI

10PF 10欧 10PF 10欧
SDO

MCU

10PF

图 4-3 SPI 典型接线图

4.2 UART 接口
RN8208G 的 UART 接口主要特点如下: ? 工作在从模式、半双工通讯、9 位 UART(含偶校验位) ,符合标准 UART 协议 ? 通过硬件管脚配置波特率:2400/4800/9600/19200bps 四档可选 ? 帧结构包含校验和字节,安全可靠 深圳市锐能微科技有限公司

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Renergy ? 5V/3.3V 兼容

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4.2.1 UART 接口信号说明 TX:UART 从机(RN8208G)数据发送管脚; RX:UART 从机(RN8208G)数据接收管脚; B1/B0:波特率选择管脚,用于配置 RN8208G UART 波特率,B1/B0 不同的配置会导致 系统控制寄存器 SYSCON[14:8]的值不同,对应关系如下图所示;

16

B1

{B1,B0}=00, Uadrbr=7’h2E, 2400波特率 {B1,B0}=01, Uadrbr=7’h16, 4800波特率 {B1,B0}=10, Uadrbr=7’h0B, 9600波特率 {B1,B0}=11, Uadrbr=7’h05, 19200波特率

Renergy RN8208G
IS=0

15

B0

14

RX

光耦隔离

TX

单片机
IS

12

13

TX

光耦隔离

RX

图 4-4 UART 典型接线图 4.2.2 UART 数据字节格式 UART 为 9 位异步通信口,发送、接收一个字节信息由 11 位组成,即起始位(StartBit, 0) 、数据位(低位在先) 、1 位偶校验位(Parity Bit,第 9 数据位)和 1 位停止位(Stop Bit, 1) 。如下图所示:

图 4-5 UART 数据字节格式

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Renergy 4.2.3 UART 帧格式 RN8208G UART 通讯帧格式如下图和表格所示:
CMD DATA 最高有效字节 …… DATA 最低有效字节

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CKSUM

名称 CMD

解释 命令字节,由主机端发送, CMD[7]: 表示命令类别;0,读操作,1: 写操作; CMD[6:0]:表示被选中 RN8208G 器件的内部寄存器地址 若 CMD[7]=1,而 CMD[6:0]=0x6A,表示本次操作是特殊命令; 数据字节;读操作由从机端发送,写操作由主机端发送 若寄存器地址对应寄存器是多字节寄存器,先传最高有效字节; 校验和字节;读操作由从机端发送,写操作由主机端发送 校验和算法如下: CheckSum[7:0] = ~(CMD[7:0] + DATAn[7:0] + …… +DATA1[7:0]) 即将 CMD 和数据相加,抛弃进位,最后的结果按位取反; 数据字 节 RDATA

DATA CKSM

命令名称

命令字节

描述 从器件中的地址为 REG_ADR[6:0]的寄存器读 数据。 注意:读无效地址,返回值为 00h。 向器件中的地址为 REG_ADR[6:0]的寄存器写 数据。

读命令

{0,REG_ADR[6:0]}

写命令 写使能命令 写保护命令 软件复位命 令

{1,REG_ADR[6:0]} 0xEA 0xEA 0xEA

WDATA 0xE5 0xDC 0xFA

命令描述“参见 2.7.5 特殊命令章节。 ”

4.2.4 UART 写操作 写操作由主机端发起,主机端发送命令字节,如果是写命令,从机继续接收主机随后依次 发送的数据字节和校验和字节。如下图所示:

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主机对RN8208G进行写操作
RN8209 RX CMD DATA DATA …… DATA

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CKSUM

CMD

RN8209 TX

t1

t1

t1

t4

注意事项: 1. 9 位 UART,字节信息由 11 位组成,即起始位(0) 、数据位(低位在先) 、1 位偶校 验位(第 9 数据位)和 1 位停止位(1) 。 2. 字节发送端计算并发送校验位,字节接收端根据校验位判断字节传送是否有效;如 果字节错误,随后的字节被认为是新的帧的开始; 3. 多字节寄存器,先传输高字节内容,再传输低字节内容; 4. 主机发送字节之间的时间 t1,由主机端控制,RN8208G 没有限制,t1 大于等于 0ns; 5. 帧之间的时间 t4,由主机端控制,RN8208G 没有限制,t4 大于等于 0ns; 6. 有写保护功能的寄存器在写操作之前要先写入写使能命令。 7. 主机计算并发送校验和,从机根据校验和判断帧传送是否成功 4.2.5 UART 读操作 读操作由主机端发起,主机端先发送读命令字节,RN8208G 随后由 TX 发送读数据字节、 读校验和字节。如下图所示:
主机对RN8208G进行读操作
RN8208BG RX CMD CMD

RN8208BG TX

DATA

DATA

……

DATA

CKSUM

t2

t3

t3

t4

注意事项: 1. 9 位 UART,字节信息由 11 位组成,即起始位(0) 、数据位(低位在先) 、1 位偶校 验位(第 9 数据位)和 1 位停止位(1) 。 2. 字节发送端计算并发送校验位,字节接收端根据校验位判断字节传送是否有效;如 果字节校验错误,字节接收端认为当前帧错误并结束; 3. 多字节寄存器,先传输高字节内容,再传输低字节内容; 4. 主机发送字节之间的时间 t1,由主机端控制,RN8208G 没有限制,t1 大于等于 0ns 即可; 5. 主机发送字节和从机发送字节之间的时间 t2,由从机控制,t2=T/2(T 是每比特的传 送时间) ; 6. 从机发送字节之间的时间 t3, 由从机控制,t3=T(T 是每比特的传送时间) ; 7. 帧之间的时间间隔 t4,由主机端控制,RN8208G 没有限制,t4 大于等于 0ns 即可; 深圳市锐能微科技有限公司 page 27 of 32 Rev 1.2

Renergy 8. 主机计算并发送校验和,从机根据校验和判断帧传送是否成功

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4.2.6 UART 接口可靠性设计 UART 接口可靠性设计包括以下方面: ? 硬件管脚配置波特率,安全可靠 ? UART 数据字节传送具有位校验(偶校验)功能 ? UART 通讯帧传输具有校验和功能 ? 硬件管脚的配置的结果反映在寄存器中; ? 寄存器校验功能 1. 提供校验寄存器 EMUStatus 用于存放内部校表寄存器的校验和。 2. 提供读校验寄存器 RData,保存前次读出的数据。 3. 提供写校验寄存器 WData,保存前次写入的数据。 ? 写保护功能 对所有可读可写寄存器有写保护功能。

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5 电气特性
精度 (V dd =AV dd =5V±5%,室温) 最小 典型 最大 ±0.1% 14 ±0.1% 模拟输入 最大信号电平 直流输入阻抗 ADC失调误差 -3dB带宽 V xn Z DC DC off B -3dB ±1000 300 mV kΩ mV kHz

测量项目 有功电能测量误差 有功电能测量带宽 有效值测量误差

符号 Err BW Err

单位 kHz

测试条件和注释 常温5000:1的动态范围 OSCI=3.579545MHz 常温1000:1的动态范围

输出电压 温度系数 输入阻抗 输入时钟频率范围 SPI接口速率 UART接口速率 RSTN、A0、A1 输入高 电平 RSTN、A0、A1输入低电 平 SDI/RX 、 SCLK/B0 、 SCSN/B0输入高电平 SDI/RX 、 SCLK/B0 、 SCSN/B0 输入低电平 PF、SDO输出高电平 PF、SDO输出低电平 模拟电源 数字电源 模拟电流

1 14 基准电压 (V dd =AV dd =5V±5%,温度范围:-40℃~+85℃) V ref 2.5 V ppm/℃ 5 Tc 4 kΩ 时钟输入 OSCI 1 3.58 4 MHz 数字输入输出接口 1.2M Hz 2400 192000 Hz V IH V IL V IH V IL V OH V OL AV DD DV DD AIdd 3.7 DGND 2.6 DGND 4 DGND 4.5 4.5 1.8 ------电源 5.5 5.5 V V mA DV DD 1.3 DV DD 1 DV DD 0.5 V V V V V V

OSCI=3.579545MHz

DV dd =5V,-40-85℃ DV dd =5V,-40-85℃ DV dd =5V,-40-85℃ DV dd =5V,-40-85℃ DV dd =5V,室温; Isource=5mA DV dd =5V,室温 Isink=12mA 5V±10% 5V±10%

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Renergy 数字电流 数字电源电压 模拟电源电压 DV DD to DGND DV DD to AV DD V1P,V1N,V2P,V2N,V3P, V3N 数字输入电压相对于 GND 数字输出电压相对于 GND 模拟输入电压相对于 AGND 工作温度范围 存储温度范围 DIdd DV DD AV DD 1.3 极限参数 -0.3 --0.3 --0.3 --0.3 -6 -0.3 -0.3 -0.3 -40 -65 -----mA +7 +7 +7 +0.3 +6 DV DD +0.3 DV DD +0.3 AV DD +0.3 85 150 V V V V V V V V ℃ ℃

单相计量芯片 RN8208G OSCI=3.579545MHz

V IND V outD V INA TA T stg

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单相计量芯片 RN8208G

6 芯片封装

SYMBOL A A1 A2 A3 b b1 c c1 D E E1 e L L1 θ

MILLIMETER MIN --0.05 1.30 0.57 0.29 0.28 0.15 0.14 8.00 7.60 5.10 0.75 0 NOM --0.15 1.50 0.67 --0.30 --0.15 8.20 7.80 5.30 0.65BSC 0.90 1.25BSC ----8? 1.05 MAX 1.85 0.25 1.70 0.77 0.37 0.33 0.20 0.16 8.40 8.00 5.50

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单相计量芯片 RN8208G

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