当然，成本必然是电表制造商最关切的问题。从机械式升级到电子式电表不仅能够降低设计成本和提供更先进的自动读表功能，电子组件的高阶整合还能协助厂商以更具吸引力的价格提供更有弹性的解决方案。(图一)就是整合电子式电表与单芯片解决方案。如图一所示，电子式电表的功能主要由几个组件提供。

《图一 整合电子式电表组件与单芯片自动读表解决方案》

微控制器是电子式电表的核心组件，负责控制所有的用电记录功能，包括测量和控制模拟前端的电流和电压、计算电力和用电量，并显示信息让用户一目了然。

除此之外，世界各国采用的新抄表方式也促使厂商发展新设计、进而发展自动读表等更高阶功能。自动读表功能可替电力公司节省成本，因为他们不必再每月派员抄表。另外，这些功能还能提供更多电费计算和付费方式供消费者选择。

常见的自动读表设计

自动读表设计支持电表、电力公司、用户之间的各种信息传递方式。(图二)显示几种较常见的自动读表设计，这些设计都能透过半导体的整合进一步简化。图二采用新电表设计时，客户端看到的电表连接到家里主要电力线路的液晶屏幕。

《图二 采用电子式电表整合的自动读表设计》

除了电表本身外，它还需要一条通讯路径将信息传给建立自动读表联机的电力公司。在最简单的状况下，这个通讯路径可透过人员执行，亦即由电力公司直接派员到用户家里抄表。

虽然电力公司人员能直接读取液晶屏幕上的度数，但较常见的方法还是透过技术人员的读表器和电表之间的数字联机取得信息。在电气隔离与环境隔离的考虑下，红外线通讯是常用的方法。读表器很像是双向电视遥控器，它能自动由电表读取计费信息、并执行电表诊断和软件更新。

电力公司还能直接使用读表器与电表之间的远距联机读取度数，这样就不必派员到用户所在地点抄表。透过类似计算机调制解调器的联机技术，这种具备自动读表功能的电表会将数字数据回送到电力线路，然后由一个集中地点接收这些数据以供电力公司使用。

随着无线通信技术进步，IEEE 802.15.4等标准已经为无线传送和接收数据的弹性电表网络开启大门。无线通信平台必须提供安全的信道，这种通讯方式才有可行性；只要确定安全无虞，无线电表就能组成动态的网格网络（mesh network），其中每个电表都会与距离最近的电表进行通讯，透过这种涟波效应把用电量和用电状态信息传回电力公司。

自动读表不一定要透过电表和电路公司之间的通讯线路。在某些应用中，电表可藉由卡片阅读机技术启动，让客户享有某种预付式电表服务：客户可预先向电力公司购买电力，然后透过信用卡将储值点数输入电表。

电子式电表的基本优势之一是它能在最新的半导体技术协助下把所有必要功能整合为一颗芯片，例如德州仪器（TI）的超低耗电微控制器。这颗组件的核心是一个高效率且低耗电的16位处理器，处理器周围则是用电记录功能所需的电路以及自动读表功能的辅助电路，其中很重要的一部份就是负责精确测量电力的模拟前端电路。(图三)是电子电表微控制器的用电记录架构和模拟前端。

独立输入

《图三 模拟前端架构，显示三组独立的模拟数字转换输入过程》

(图三)是三组独立的模拟数字转换输入，用以测量输入电力。在这三组输入中，有两组用于线电流和线电压的测量。第三组则是依整个电表架构而设定的选用性输入，可用来侦测电表是否被窜改。

电力度数处理器基本上是一个固定功能的处理器，负责所有关于实际用电记录的工作，包括峰值和均方根值的电流／电压测量、主动式功率、视在功率及无效功率的计算、电力线路的电压频率监测，以及电表窜改侦测。这些数据都会透过一个可同时存取信息的共享内存架构回传至中央处理器。

在整合度较低的系统中，微控制器的中央处理单元通常负责控制模拟前端和执行所有必要的电力度数计算。整合式电力度数处理器则能分担模拟前端、用电记录和计算工作，使得中央处理单元有更多时间执行高阶显示和自动读表通讯功能。在组件的整合功能之外，模拟前端的三信道架构提供一套与许多电力线路界面兼容的用电记录解决方案。这个三信道模拟设计可支持常见的两线和三线式单相电表。(图四)即为两线式单相设计的市电线路。

《图四 三组独立信道让两线式单相线路和窜改侦测电路的设计更简单》

这个例子采用比流器测量进入家庭负载的线电流，而它也支持另一种利用分流电阻的做法。线电压则是由简单的电阻分压器直接测量。模拟前端的一项重要特色是它能让输入的电压降至整合式微控制器的地电位（ground level）以下。

第三个信道可视应用需进行窜改侦测。窜改侦测输入通常使用分流电阻以降低成本，它会监测中性线（neutral connection）的电流，如果该电流与线电流出现差异就表示线路有问题，可能遭到窜改。

虽然世界许多地方都采用两线式线路，但美国为了同时提供120V和240V的电压给家庭使用，仍然以(图五)所示的三线单相线路做为标准供电线路。

《图五 三线单相线路是由两条火线组成，它是美国的标准供电线路。》

三线标准

相较于只有一条火线和一条中性线的两线式线路，三线标准是由两条火线，L1和L2组成，它们相对于中性线的电压各为120V，彼此之间则为180度反相。这能为负载提供两组120V电源分路和一组240V电源分路。除此之外，由于中性线不需要通过电表，因此也不需第三条连接线路。

假设120V线路处于平衡状态，电表只需如图所示透过耦合比流器监测L1和L2电流总值以及240V电压输入。耦合比流器会把两个线电流加在一起，这样就能正确记录所有负载的用电总量。

单相电表表面上似乎不需要三组独立信道，但若没有三组信道，就不太容易设计图四所示的窜改侦测功能－窜改侦测是中国大陆和印度等国所需要的重要功能。而美国和其它不需要这项功能的国家就只需要两组信道。

电子式电表提供自动读表功能的主要原因是为了将用电数据自动传回电力公司，以便提高钞表和收费效率，然而这个通讯路径不可能永远是单向路径。随着许多先进的电表功能被整合进电表设计，电力公司通常还须将数据传送到电表，这使得电表设计和处理器工作管理变得更复杂。

日益升高的电力网络峰值负载使得电力基础设施的负担越来越大，因此政府和电力公司正在制定和实施新措施来减少峰值用电量，同时把需求分散到不同的时段。电子式电表正是这类功能的核心，它不仅需要测量电力，还必须支持各种不同的自动读表和先进的用电记录技术。

透过更高的模拟和数字功能整合（例如多个16位Δ-Σ模拟数字转换器和可程序增益放大器、专用的电力度数处理引擎、低耗电16位处理器和弹性的通讯外围），新的电表设计将为制造商、电力公司和消费者带来更多先进的功能。这种整合式电子电表设计使得自动读表技术的整合比以前更容易，包含简单红外线、无线网络和有线通讯在内的各种电表通讯机制设计，也因为架构与整合度的进步而变得更容易。（作者为TI德州仪器MSP430微处理器应用工程师）