电子式电能表的原理..

电子式电能表的原理
电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的，采用乘法器实现对电功率的测 量，其工作原理框图如图 3-10所示。

被测量的高电压 u 、大电流i 经电压变换器和电流 变换器转换后送至乘法器 M,乘法器M 完成电压和电流瞬时值相乘，输出一个与一段
时间内的平均功率成正比的直流电压
U ，然后再利用电压/频率转换器， U 被转换成相 应的脉冲频率f ，将该频率分频，并通过一段时间内计数器的计数，显示出相应的电能。

图3-10 电子式电能表工作原理框图 一、输入变换电路
电子式电能计量仪表中必须有电压和电流输入电路。

输入电路的作用，一方面是将 被测信号按一定的比例转换成低电压、小电流输入到乘法器中；另一方面是使乘法器和 电网隔离，减小干扰。

(一)电流输入变换电路
要测量几安培乃至几十安培的交流电流，必须要将其转变为等效的小信号交流电压
(或电流)，否则无法测量。

直接接入式电子式电能表一般采用锰铜分流片； 经互感器接 入式电子式电能表内部一般采用二次侧互感器级联，以达到前级互感器二次侧不带强电 的要求。

1•锰铜片分流器
以锰铜片作为分流电阻 R s ,当大电流i (t)流过时会产生相应的成正比的微弱电压 U i (t),其数学表达式为
U i (t)=i (t) R
该小信号U i (t)送入乘法器，作为测量流过电能表的电流
i (t)。

其原理图如3-11 所示。

锰铜分流器和普通电流互感器相比，具有线性好和温度系数小等优点。

锰铜分流器
A 选用F2锰铜片，厚度 2mm ，取样电阻 Rs 选175 □莒则当基本电流为 5A 时，1、2 之间的取样信号 U i = 0.875mV 。

11 I 电压变换器 u/f
变换
数示制 计显控
图3-11 锰铜分流器测量电器原理图
2 •电流互感器
采用普通互感器(电磁式)的最大优点是电能表内主回路与二次回路、电压和电流 回路可以隔离分开，实现供电主回路电流互感器二次侧不带强电，并可提高电子式电能 表的抗干扰能力。

其原理框图如图 3-12所示。

i (t)= K I i T (t) 式中 i (t) ——流过电能表主回路的电
流； i T ( t )――流过电流互感器二次侧的电流；
K I ――电流互感器的变比。

u(t) =iT (t)R L =血 R L
K i
式中 u (t)――送往电能计量装置的电流等效电压；
R L ——负载电阻。

(二)电压输入变换电路
和被测电流一样，上百伏(100V 或220V)的被测电压也必须经分压器或电压互感 器转变为等效的小电压信号，方可送入乘法器。

电子式电能表内使用的分压器一般为电 阻网络或电压互感器。

1.电阻网络
采用电阻网络的最大优点是线性好、成本低，缺点是不能实现电气隔离。

实用中，一般采用多级(如 3级)分压，以便提高耐压和方便补偿与调试。

典型接
◎ 穿线式；(b )接入式
线如图3-13所示。

2.电压互感器
采用互感器的最大优点是可实现一次侧和二次侧的电气隔离，并可提高电能表的抗干扰能力，缺点是成本高。

其电路图如图3-14所示。

u (t) = K u u u (t)
式中 u (t)――被测电压；
u u ( t)――送给乘法器的等效电压。

图3-14 电压互感器电路图
二、乘法器电路
模拟乘法器是一种完成两个互不相关的模拟信号(如输入电能表内连续变化的电压和电流)进行相乘作用的电子电路，通常具有两个输入端和一个输出端，是一个三端网络，如图3-15所示。

理想的乘法器的输出特性方程式可表示为
U o (t)= KU x (t) U Y (t),
式中 K――是乘法器的增益。

图3-15 乘法器表示方式
从乘法的代数概念出发，乘法器具有四个工作区域，由它的两个输入电压极性来确 定。

根据
两个输入电压的不同极性， 乘积输出的极性有四种组合， 可以用图3-16平面中 的四个象限来具体说明。

凡是能够适应两个输入电压极性的四种组合的乘法器，称为四 象限乘法器。

若一个输入端能够适应正、负两极性电压，而另一个输入端只能适应单一 极性电压的乘法器，则称为二象限乘法器。

若乘法器在两个输入端分别限定为某一种极 性的电压能正常工作，它就是单象限乘法器。

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图3-16 模拟乘法器的工作象限图
实现两个输入模拟量相乘的方法有多种多样。

乘法器是电子式电能表的核心部分，
并非每一种乘法器电路都能适用电子式电能表，
下面介绍电子式电能表中常用的乘法器。

（一）时分割乘法器
时分割模拟乘法器的工作过程实质上是一个对被测对象进行调宽调幅的工作过程。

它在提供的节拍信号的周期 T 里，对被测电压信号u x 作脉冲调宽式处理， 调制出一正负 宽度T i 、T 2之差（时间量）与 U x 成正比的不等宽方波脉冲，即 T 2— T i = K l U x ；再以此 脉冲宽度控制与U x 同频的被测电压信号 U y 的正负极性持续时间， 进行调幅处理，使u = K 2U y ；最后将调宽调幅波经滤波器输出，输出电压
U o 为每个周期T 内电压U 的平均值， 它反映了 U x 、U y 两同频电压乘积的平均值，实现了两信号的相乘，输出的调宽调幅方波 如图3-
17所示。

TJ
图3-17 调宽调幅波示意图
也有的时分割乘法器对电流信号i x、i y进行调宽调幅处理，输出的直流电流信号I o 表示电流i x、i y乘积的平均值。

前者称为电压平衡型时分割乘法器，后者称为电流平衡型时分割乘法器。

采用三角波作为节拍信号的电压型时分割乘法器的电路原理如图3-18所示。

被测
电压转换为U x，被测电流转换成电压 U y。

图中电路的上半部分是调宽功能单元，下半部分是调幅功能单元。

由运算放大器N1和电容C i组成积分器，对经 R i、R2输入的电流
作求和积分；+ U N和-U N是正、负基准电压，在电路的设计中，基准电压U N的幅值应
比输入电压U x大得多；Si、S2为两个受电平比较器控制并同时动作的开关；电平比较器是具有两个稳态的直流触发器；运算放大器N2、电阻R4和电容C2组成了滤波器。

积
分输出电压U i和三角波发生器产生的节拍三角波电压U2都加到电平比较器上，当U i> U2时，电平比较器输出低电平，Si、S2分别接-U N、- U y；当U i V U2时，电平比较器输
出高电平，Si、S2分别接+ U N、+ U y；当u i = U2时，为比较器转换状态。

乘法器的输出电压U。

就是由S2的动作所得到的幅度为士 U y的不等宽方波电压经滤波后的直流成分。

该乘法器电路若干单元输出电压的波形如图3-i9所示。

三屯锻:
图3-i8 三角波信号的时分割乘发器电路原理图
i .调宽功能单元
假定输入电压U x为正值，积分器接通U x和+ U N，输出电压U i从a点（见图3-i9 ）逐渐向下变化（a b段），在a b段内，山> U2，达到b点时，U i = U2。

由于三角波电压继续向上变化，致使U i V U2,于是电平比较器输出高电平，Si接通-U N ,
积分器输出电压 U 1转而逐渐向上变化（be 段），达到c 点时，U 1= U 2,紧接着三角波电 压继续下降，U i > U 2,电平比较器输出低电平，S1接通+ U N ,电压U 1再次向下变化……。

如此反复，积分器输出电压 u i 呈锯齿波形。

设开关S1接通+ U N 的时间为T i ,接通-U N 的时间为T ?,且「+ T 2 = T 。

当系统 达稳态时，积分器在 「、T 2时间段内的总积分电荷量应为零，即
Ux (T i T 2)仏厲 T) =0
即开关Si 接通-U N 、+ U N 的时间差（T ?—「）与输入电压 g 成正比。

图3-i9 三角波信号的时分割乘发器波形图
2 •调幅功能单元
开关S2在比较器的控制下与 Si 同时动作，在T i 期间接通+ U y ，输出电压U 为+ U y , 在T 2期间接通-U y ,输出电压U 变为-U y 。

经滤波器输出后，得到电压U O 为u 的反向平 均值
U 0 二-u y
Ti —Tg R ^u x u= Ku x u y 二 ui
0 y T R I U N 即输出电压U O 与ui 成正比，因此整个电路是一个实现了
u 、i 乘积运算的乘法器，它的 输出相应于ui 乘积的平均值，亦即平均功率。

在调宽电路中，受积分器积分电荷总量平衡条件的约束， 对u x
的最大幅值有一定限
T i —T2 二- R
2T
R i U N U x
__ ____ ____________________ I
5 ------------------------ ------- ----- ------ --------------------------
需电乎 _______________________________________________ 1 _______
U(k)
i(k)
制，它的正边界是当 T i = 0、T 2= T 时-U N 所能平衡的U x 值，负边界是当T i = T 、0
时+ U N 所能平衡的U x 值，因此U x 的幅值应满足条件
至于U y ,其输入幅值仅受为获取-U y 的倒相器的动态范围所限制。

目前在全电子式电能表制造业中，采用时分割模拟乘法器的占有相当大比例。

与其 他类型的模拟乘法器相比，时分割模拟乘法器的制造技术比较成熟且工艺性好，原理较 为先进，具有更好的线性度，其最突出的优点是具有较高的准确度级别，
可达到0.01级, 基本上解决了如何提高准确度的问题。

其主要缺点是带宽较窄，仅为数百赫兹。

（二）数字乘法器
微处理器在全电子式电能表中主要用于数据处理， 而在其测量机构中的应用并不多。

随着芯片速度的提高和外部接口电路的更加成熟，微处理器的功能将得到充分发挥和扩 展。

可以预计，应用数字乘法器技术来完成功率/电能测量的前景十分广阔。

采用数字 乘法器，由计算机软件来完成乘法运算，
可以在功率因数为0〜1的全范围内保证电能表 的测量准确度。

这是多种模拟乘法器难以胜任的。

采用数字乘法器的全电子式电能表的 基本结构框图如图 3-20所示。

微处理器控制双通道 A/ D 转换，同时对电压、电流进行采样，由微处理器完成相 乘功能并累计电能。

平均功率表示为
图3-20 数字乘法器的电能表结构框图
以厶t 为时间间隔将上式中的积分做离散化处理，即对电压、电流同时进行采样, 则 RU N ~~RT V U x V R 1U
N
式中 T
T k =i
T = Nt
这就是用软件计算被测平均功率即有功功率的数学模型。

从上式可以看出，平均功率的计算与功率求解过程与功率因数无关，因此，可以得出采用数字乘法器的全电子式电能表的电能测量与功率因数无关的结论，这是这类电能表的一个重要特点。

A/D转换器的准确度一般较高，其转换误差可以忽略。

通过软件来完成采样及乘法计算的准确度与△ t的选取有关。

△ t越小，准确度越高，但计算量将增加，且会使实时性变差。

由采样理论可知，连续信号离散后得到的时间序列不丢失原信号的信息，不仅采样频率要满足奈奎斯特定律，而且必须等分连续的信号周期，否则会产生测量误差。

为此采用软件锁相技术将采样频率自动地锁定在输入信号频率的N倍上，这样可以在输
入频率发生变化时自动调整采样间隔，使时钟的漂移变化也不会给测量带来误差。

使用微处理器技术制造全电子式电能表的前景十分看好，但成本高是其商品化的一个主要障碍；数字乘法器的发展还要依靠于电路的集成和芯片价格的降低，但其功能强大、性能优越，在未来先进的电能管理领域中一定会广为应用。

三、电压/频率转换器
目前采用的电压/频率转换器，大多是利用积分方式实现转换。

电子式电能表常用的双向积分式电压/频率转换器的原理电路如图3-21所示。

运放N和电容C组成积分
器，上下电平比较器有两个比较电平5、U20输出电压波形如图 3-22所示。

当开关 S
接通+ U1时，电容C充电，输出电压 U0往负向变化（ab段）；当达到比较器的下限电平U2时，比较器控制开关 S接通-5, C放电，电压U o往正向变化；当达到比较器的上限电平U i时，S再次接通十U i,如此反复，达稳态后，便得到了周期为 T的三角波。

由于ab段和cd段的积分斜率是一样的，故积分时间也相等，均为T/2 °根据积分器输入、输出电压关系
得到输出电压U o的频率
即输出频率f与输入电压U i成正比。

U i -U2
U i
RC 2
2RC(5 -U2)
U U i
图3-22 双向积分式电压/频率转换器的波形图
这种电压/频率转换器的主要特点是输出频率较低，选择高稳定性的
R 、C 元件，
可使其准确度长期保持在土 0.1 %的水平。

四、分频计数器 在机电式电能表中，由光电转换器将电能信号转换成脉冲信号；而在电子式电能表 中，电能信号转化成相应脉冲信号的工作是由乘法器及电压/频率转换器完成的。

这两 种脉冲信号在送入计数器计数之前，需要先送入分频器进行分频，以降低脉冲频率。

这 样做，一方面是为了便于取出电能计量单位的位数
(如百分之一度位)；另一方面是考虑 到计数器长期计数的容量问题。

所谓分频，就是使输出信号的频率分为输入信号频率的整数分之一；所谓计数，就 是对输入的频率信号累计脉冲个数。

在电子式电能表中， 分频器和计数器一般采用
CMOS 集成电路器件。

这是因为集成 电路器件工作可靠性、抗干扰能力、功率消耗、电路保安和机械尺寸等一系列指标均优 于分立元器件组成的电路。

图3-23为分频计数器原理框图和脉冲波形。

图中电压一一频率转换器送来的脉冲信 号f x 经整形电路整形后，可输出一系列规则的矩形波，并输入到控制门，
A 点的波形如 图3-23 (b)所示。

把由石英晶体振荡器产生的标准时钟脉冲信号经分频后作为时间基 准。

分频后的标准时钟脉冲信号，如图
3-23 (b) B 点的波形也送至控制门，于是控制门 打开，将计数脉冲输出，得到如图 3-23 ( b) C 点的波形。

计数器可记录时间 T 内通过控 制门的脉冲数，每一个脉冲所代表的电量数经计算确定后，便可经译码电路由显示器显 示出来。

图3-21 双向积分式电压/频率转换器的原理电路图
—5
（a）（b）
图3-23 分频计数器原理框图
（a）框图；（b）脉冲波形
五、显示器
目前常见的电子式电能表显示器件有三种：液晶（LCD ）、发光二极管（LED ）、荧
光管（FIP）。

液晶显示器（LCD ）是利用液晶在一定电场下发生光学偏振而产生不同透光率来实现显示功能的。

它根据光学原理可分为透射式、反射式和半透半反射式；根据视角大小可分为TN型（视角为90°）和STN型（视角可达160°）两种；根据工作温度范围可分为普遍型（0〜65 °C）和宽温型（-30〜85 °C）。

液晶显示器在静态直流电场下寿命很短（一般为几千小时），而在动态交变电场下寿命很长（可达 20万h）;除具有长寿命的优点之外，还具有功耗小（小于10 ^A）,在有一定米光度时显示对比强等优点。

发光二极管（LED ）是利用特殊结构和材质的二极管在施加正向工作电压、具有一定工作电流时，发出某一特定波长的可见光来实现显示功能的。

根据同一正向工作电流下的发光强度可将其分为普亮、高亮和超高亮3种。

发光二极管颜色有红、绿、黄等多
种，具有温度范围宽（-40〜85 ° C）、在弱光背景下显示醒目和低成本等优点；缺点是寿命短（一般为 3万〜5万h）、耗电大（一般 5〜10mA）、露天下显示不清等。

荧光显示板（FIP）是利用特种荧光物质在一定电场和一定红外线热能下产生一定亮度的可见荧光来实现显示功能的。

除成本高缺点外，其优缺点和发光二极管基本相同。

第三节单相电子式复费率电能表
单相电子式复费率电能表能精确地计量有功电能、最大需量等数据。

该表集有功、分时计费于一体，表中设有 4种费率、10个时段；具有遥控器红外编程、掌上电脑红外抄表及RS485通信接口有线抄表功能，是电力部门进行现代化电能测量的理想计量仪表。

一、常用术语
（1 ）复费率电能表。

有多个计度器分别在规定的不同费率时段内记录交流有功或无功电能的电能表。

（2）费率计度器。

由贮存器（用作贮存信息）和显示器（用作显示信息）二者构成的电一一机械装置或电子装置，能记录不同费率的有功或无功的电能量。

（3 ）电能测量单元。

由被测量输入回路、测量等部分构成，进行有功或无功电能计量的单元。

(4) 费率时段控制单元。

由费率计度器(含驱动电路)、时间开关及逻辑电路等构成，进行费率时段电能测 量和显示的单元。

(5) 峰、平、谷电量。

电力系统日负荷曲线高峰时段的电量称峰电量，低谷时段的电能量称谷电量，计量 峰、谷时段以外的电能量称平电量，三者之和为总电量。

二、工作原理
单相电子式复费率电能表的工作原理框图如图 3-24所示。

电流、电压采样电路是将 流过线路的大电流和外部 220V 交流电压变换为合适的小电流、小电压信号，经电能专用 集成电路转换成随功率变化的脉冲信号。

单片微处理器接收到功率脉冲信号后进行电能 累计，并且存入存储器中，同时读取时钟信号，按照预先设定好的时段分时计量，并将 数据输出到显示器中显示，并且随时接收串行通信口的通信信号进行数据处理。

图3-24 单相电子式复费率电能表能的工作原理框图
三、主要功能特点
(1) 4种费率、10个时段。

(2)
最大需量计算采用滑差式。

滑差时间为
I 、3、5、15min 。

(3) 当前一分钟平均功率的显示。

(4) 5V/80ms 有源或无源光电隔离电能脉冲输出。

(5) 停电时间累计。

(6) 具有红外遥控编程、 RS485通信接口。

(7) 可用12V 外接电源掌上电脑红外抄表。

(8) 可设固定显示和循环显示方式。

(9) 可记录3个月(本月、上月、上上月)的有功总电能、各费率电能、最大需量 及需量发生的时间等信息。

(10) 遥控器可全面显示所有功能项，并可方便编程。

四、规格
规格见表3-1。

表3-1 单相电子式复费率电能表能规格 准确度等级 额定电压U e ( V ) 基本电流l b ( A ) 表壳类型
远红外
通迅接□ 单启微处理器- 锚出接口 I 瀬晶显石屏.
［实肘吋神斗*™
五、基本误差
基本误差见表3-1。

表3-1 单相电子式复费率电能表能基本误差
六、主要技术指标
(1)时钟准确度：日误差w土 0.5S/天。

(2)停电后数据保持时间：》10年。

(3)电能计度器容量：99999.9 kW • h。

(4)需量计度器容量： 99.999kW。

(5)绝缘耐压：》2000 VAC。

(6)功耗(LED 显示)：w 2VA。

(7)启动电流：0.4 % %。

(8)电池功耗(停电不显示时)：w 0.4卩A。

(9)工作温度：-20〜+ 50 °C。

(10)存储和运输温度：-25〜+ 50 °C。

(11)湿度：w 75%。

七、显示功能
(1)数码管显示。

左边 2位指示功能序号，右边 6位指示内容。

(2)峰平谷指示灯。

峰、平、谷指示灯中的一个亮依次代表右边6位显示为峰电量、平电量、谷电量；峰、平两灯齐亮表示尖峰电量；三灯全亮表示总电量。

当功能序号显
示00号时，峰、平、谷指示灯指示当前时段的费率，便于用户监视时段的正常切换。

(3)欠压指示灯。

内部电池欠压时此灯常亮显示。

(4)电能脉冲灯。

用于指示用户用电负载情况。

八、遥控器功能
(1)记忆键：编程时，将调整正确的数据记忆，同时功能号递增一位；读表时，显示“ 00”项功能序号。

( 2)右移键。

编程时循环移动要调整的数据位；在正常工作状态下，该键为循环显示和固定显示转换开关。

(3)上移及下移键。

编程时，用以增、减闪烁位的数值；正常工作时，用以增、减显示项功能序号。

(4)编程键：在需要对电能表进行编程时按此键2s 钟便可进入编程状态。

(5)清零键：在电能表最大需量需要清零时按此键可将最大需量值清零。

(6)复位键：编程状态时按此键退出编程，正常工作时按此键显示功能序号 00项。

(7)数字键。

数字键 0〜9在编程状态时用于修改数码管闪烁位的数值，正常工作时用于查看功序号项数据。

( 8)自检键。

用于检查数码管各段显示是否正常。

九、遥控器编程出厂后第一次编程时务必进行总清操作(用遥控器清零键操作) 。

( 1)进入编程状态。

按“编程”键，此时显示“99——0”，依次在数码管闪烁位
输入 6 位密码，密码正确后进入编程状态，显示编程首项内容“ 00 X X X X X X ”。

若输入密码有误，则显示错误次数提示“99――X”，若连续错误超过 10次，电能表将自动
锁定当日编程功能。

次日可再进行编程，其他功能不受影响。

电能总清后密码为“000000”。

( 2)选定编程项。

进入编程状态后，左边两位数码管显示编程项目号，用遥控器上的数字键“ 0〜9”或者按“上移”或“下移”键，改变到要编程的项目号。

( 3)输入数据。

按“右移” 键选择数据位，其闪烁位可用数字键“ 0〜9”或“上移” “下移”键输入数字。

( 4)记忆数据：确认输入数据正确后，按记忆键保存该项数据。

如果需要对其他项编程，重复( 2)、( 3)、( 4)操作步骤。

( 5)编程结束：按“复位”键结束编程。

( 6)时段设置说明。

时段总清后为00 点 00 分，费率为 l( 1、2．3、4 分别表示费
率尖、峰、平、谷) 。

编程时各时段按 24h 制从早到晚排列。

(7)分时电量预置说明。

只要将尖、峰、平、谷电量进行预置，系统会将 4 个电量自动累加写入总电量，而对总电量预置时各分时电量不受影响。

十、读表
表内存贮 3 个月的电量、最大需量，即当月、上月、上上月数据。

新的一月数据以最大需量清零时刻起保存。

1 ．直接读表表内显示可以设定为固定项目显示或循环显示。

固定显示时，用户只要按遥控器上的“数字键” 、“上移”或“下移”键显示相应功能顺序号项内容，按复位或记忆键显示
回到“ 00 X X X X X X ”项。

2．最大需量清零最大需量清零是将当前电能表内电量、最大需量冻结保存。

按清零键后电能表自动
将上月电量、需量等数据存入上上月保存，将当前电量、需量等数据存入上月保存，当
前需量置0，以后依次类推。

最大需量清零有自动和手动两种方式。

当设置为自动方式时，必须设定用电结算日
（01〜28）,电能表在该日的0时自动需量清零。

若该日停电、则电能表在该日后的第一次通电时首先进行自动需量清零。

当设置为手动方式时，按遥控器上的“清零”键，显示“ 98―― 0”，在数码管闪烁位输入 6位密码，密码正确后，电能表自动进行需量清零, 电能表总清后的最大需量清零密码为“000000”。

注意：编程密码与最大需量清零密码是相互独立的，为防止误操作，电能表每天只
允许需量清零一次，第二次需量清零操作无效（且电能表显示NO）。

第四节单相预付费电能表
单相预付费电能表是在普通单相电子式电能表基础上增加了微处理器、IC卡接口和表内跳闸继电器构成的。

它通过IC卡进行电能表电量数据以及预购电费数据的传输，通过继电器自动实现欠费跳闸功能，为解决抄表收费问题提供了有效的手段。

一、基本原理
单相预付费电能表原理框图如图3-25所示。

测量模块为表计核心，它和普通电子式
单相电能表采用相同技术输出功率脉冲到微处理器。

微处理器接收到测量部分的功率脉冲进行电能累计，并且存入存储器中，同时进行剩余电费递减，在欠费时给出报警信号并控制跳闸。

它随时监测IC卡接口，判断插入卡的有效性以及购电数据的合法性，将购电数据进行读入和处理。

它还将数据输出到相应的显示器中显示。

图3-25 单相预付费电能表原理框图
显示采用液晶显示器（LCD ）或数码管显示（LED ）。

继电器一般为磁保持继电器，可以通断较大的电流。

电能表中可扩展RS485接口，进行数据抄读。

二、IC卡技术
在预付费电能表中IC卡技术是一个关键技术。

IC卡是集成电路卡（Intergrated Circuit Gard）的简称。

它将集成电路镶在塑料卡片上。

它与磁卡比较有接口电路简单、保密性好、不易损坏、存储容量大、寿命长等特点。

IC卡中的芯片分为不挥发的存储器（也称存储卡）、保护逻辑电路（也称加密卡）和微处理单元（也称 CPU 卡）三种。

在电能表上使用的卡，这三种都有，接口往往采用串行方式的接触式卡。

下面对各种卡的构成特点及使用特点作简单介绍。