專利名稱：功率計量的一種簡單乘法計算電路的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及電能計量領域，更詳細地，涉及一種全電子式功率(能量)計量中進行功率計算而采用的一種簡單結(jié)構(gòu)，借助它可計算從電網(wǎng)實際獲取功率的瞬時值。
以目前運用于單相電子式電度表中的電能計量芯片來說，最具有代表性的主流功率計算主要有以下幾種方式例如BL0932(上海貝嶺微電子制造有限公司的產(chǎn)品)，AD(E)7755(美國模擬器件公司產(chǎn)品)，或美國專利US 4 980 634國際專利分類為G01R 007/12；G01R 021/06；G01R 021/133。但這些使用于功率計量中的乘法計算電路結(jié)構(gòu)，卻都未能盡如人意，而存在有待改進的缺點。
功率的基本計算原理如下根據(jù)對視在功率、有功功率和能量的定義，假設輸入的電壓信號為V(t)＝Vcos(ω·t)，輸入的電流信號為I(t)＝Icos(ω·t)，則視在功率P(t)由以下公式求得P(t)＝V(t)·I(t)＝Vcos(ω·t)×Icos(ω·t)即P(t)=V×I2[1+cos(2ω·t)]]]>其中的直流分量P0=V×I2]]>即為需要計量的有功功率分量，在實際的電路實現(xiàn)中通常通過一個低通濾波器(LPF)獲得。
其中BL0932(上海貝嶺微電子制造有限公司的產(chǎn)品)的實現(xiàn)原理如附圖
一所示。
雖然此類電路可以很精確計算功率(遠優(yōu)于1％)，但此類電路多采用BICMOS工藝來實現(xiàn)(其采用模擬乘法器)，在電磁兼容性(EMC)上卻難以達到標準，現(xiàn)在正逐漸被AD(E)7755所取代。
其中AD(E)7755(美國模擬器件公司產(chǎn)品)的實現(xiàn)原理如附圖二所示AD(E)7755在功率計算中存在著以下幾個缺點1)兩路ADC均為16位的輸出，所以都包含降采樣濾波器和LPF，結(jié)構(gòu)比較復雜，芯片規(guī)模大。
2)兩路ADC均為16位的輸出，所以乘法器相應地為16乘16的乘法器，所用電路規(guī)模較大。
3)由于電流和電壓兩路中存在著失調(diào)，失調(diào)信號相乘后將產(chǎn)生一個直流分量，通過低通濾波后產(chǎn)生有功功率，故而失調(diào)將對有功功率產(chǎn)生一個固定的誤差。為了消除失調(diào)的影響，AD(E)7755采用在電流通路中加入相位校正和高通濾波，從而消除這一路信號的失調(diào)，相乘后就不產(chǎn)生一個直流分量，不會對有功功率產(chǎn)生一個固定的誤差。為達到消除失調(diào)的目的，引入了相位校正和高通濾波電路，增加了設計的復雜度和工藝控制的難度。
因此，鑒于上述缺點和不足，需要尋求一種低成本的簡化電路，在精減元件降低功率測量裝置的成本的同時，保持或甚至改善其精度。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如附圖三所示1.分別對電流I(t)和電壓V(t)通路進行采樣，經(jīng)內(nèi)部放大器放大后再經(jīng)過各自的∑Δ過采樣轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩個1位數(shù)據(jù)流輸出。
2.對電流通路的1位數(shù)據(jù)流輸出進行降采樣濾波和低通濾波，產(chǎn)生一個16位的數(shù)據(jù)流輸出。
3.電流通路的16位數(shù)據(jù)流輸出和電壓通路的1位數(shù)據(jù)流輸出進行相乘，得到瞬時功率信號P(t)。
4.瞬時功率信號P(t)經(jīng)過第二個低通濾波器(LPF2)濾波，得到有功功率分量(即直流分量)，再經(jīng)過數(shù)字功率—頻率轉(zhuǎn)換器(Power To FrequencyConverter)可得到驅(qū)動計度器的頻率信號Fo。
電壓通路的過采樣∑Δ轉(zhuǎn)換器輸出其數(shù)據(jù)流，電流通路的ADC輸出的數(shù)據(jù)流隨電壓通路的輸出數(shù)據(jù)流的不同而改變其極性。其乘法僅限制在符號的改變或與±1相乘上，能以簡單的電路來實現(xiàn)。
在附圖三所示的原理框圖中，電流和電壓通路采樣后分別送入相應的放大電路放大后送入∑Δ過采樣轉(zhuǎn)換器完成模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換，電流通路再進行降采樣濾波和低通濾波后和電壓通路的數(shù)據(jù)相乘，求得P(t)＝VP(t)×IP(t)；P(t)經(jīng)過LPF后得有效功率PD，送入功率—頻率轉(zhuǎn)換器，得到可直接驅(qū)動計度器的頻率信號Fo。
附圖四乘法器詳細結(jié)構(gòu)圖中，Id為電流通路的數(shù)據(jù)流，Vd為電壓通路的數(shù)據(jù)流，Md為數(shù)據(jù)相乘后的數(shù)據(jù)流。相乘后的數(shù)據(jù)流是電流通路的數(shù)據(jù)流根據(jù)電壓通路的數(shù)據(jù)流的不同極性而輸出的正相數(shù)據(jù)流或反相數(shù)據(jù)流。電壓通路的輸出數(shù)據(jù)為邏輯”1”時，輸出數(shù)據(jù)為電流通路的輸出數(shù)據(jù)；電壓通路的輸出數(shù)據(jù)為邏輯”-1”時，輸出數(shù)據(jù)為電流通路的輸出數(shù)據(jù)的反相。
其基本推導原理如下假設輸入的電壓信號為V(t)＝Vsin(ω·t)，輸入的電流信號為I(t)＝Isin(ω·t+)，則視在功率P(t)由以下公式求得 一段時間T內(nèi)的電能W為
乘法器輸出的第一項是直流成分 它與視在功率 和功率因數(shù)cos成正比，即與有功功率成正比。而第二項是2倍于被測頻率的交流成分 在本電路內(nèi)部，乘法器的運算結(jié)果輸出給低通濾波器，把第一項直流成分 取出，而濾掉第二項的交流成分 此功率測量裝置可用于計算從電網(wǎng)獲取功率的瞬時值，電網(wǎng)中電流和電壓均是可變的，電壓變化很小但可覺察，電流變化明顯，因此它的有效值實質(zhì)上代表功率，即如果從電網(wǎng)上獲得的電流有一定的強度，則獲得了功率。
對比目前所采用的一般技術(shù)，該方法的優(yōu)點在于，通過簡單的乘法結(jié)構(gòu)，能有效地完成瞬時功率的計算。省去了一路降采樣濾波器和低通濾波器，省去了相位校正和高通濾波器，省去了復雜的16乘16的數(shù)字乘法器，大大降低了芯片設計的復雜度和工藝控制的難度，有利于提高成品率。
圖二是AD(E)7755原理圖。
圖三是本實用新型的原理圖。
圖四是所用乘法器詳細結(jié)構(gòu)圖。
圖五是過采樣∑-Δ模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的頻率響應圖。
圖六是低通濾波器的頻率響應圖。
圖七是電壓電流相乘后的頻率響應圖示。
本發(fā)明在具體實施時，可采取多種不同的電路方式，以下所述的是在考慮系統(tǒng)設計的復雜度和成本最小化時的一種最佳方案。
1.電壓V(t)和電流I(t)經(jīng)外部采樣電路采樣后采用差分對輸入，內(nèi)部采用斬波平衡輸入的運算放大器進行放大。
2.放大后的信號分別經(jīng)過一個二階∑Δ過采樣轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本方案的∑Δ過采樣轉(zhuǎn)換器采用開關(guān)電流方式。
3.電流通路的降采樣濾波器和低通濾波器均為標準的數(shù)字處理系統(tǒng)中的數(shù)字濾波器。
4.乘法器采用如附圖四中所示的結(jié)構(gòu)來完成。
5.相乘后的LPF集成了降采樣濾波器、低通濾波器和累加器，由于降采樣濾波器和低通濾波器均為濾得近似為直流的信號，所以可以簡單的由加1或減1的累加器實現(xiàn)濾波累加功能6.功率—頻率轉(zhuǎn)換電路由一些簡單的向上/向下計數(shù)器來完成乘和除的功能，來實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換，再由簡單的分頻電路來產(chǎn)生可直接驅(qū)動計度器和步進電機的頻率信號。
上面的有關(guān)本發(fā)明的特定描述是用于對本發(fā)明的形象說明，它并不限制本發(fā)明的應用方式和范圍。雖然本發(fā)明通過上面特定描述來闡述，但顯然對于本領域的一般技術(shù)人員而言可容易地實現(xiàn)另外的優(yōu)點和進行修改。因此在不背離附權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般的概念的精神和范圍的情況下，在最廣泛的方面本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)、代表性的設備和這里示出與描述的圖示示例。
權(quán)利要求
1.一種全電子式功率(能量)計量中進行功率計算而采用的簡單結(jié)構(gòu)，其特征在于包含兩個放大電路，兩個∑Δ過采樣轉(zhuǎn)換器，一個降采樣濾波電路，兩個低通濾波器，一個乘法器電路和一個數(shù)字功率—頻率轉(zhuǎn)換器；且分別對電流和電壓通路進行采樣，經(jīng)內(nèi)部放大器放大后再經(jīng)過各自的∑Δ過采樣轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生兩個1位數(shù)據(jù)流輸出；對電流通路的1位數(shù)據(jù)流輸出進行降采樣濾波和低通濾波，產(chǎn)生一個16位的數(shù)據(jù)流輸出；然后電流通路的16位數(shù)據(jù)流輸出和電壓通路的1位數(shù)據(jù)流輸出通過乘法器電路進行相乘，得到瞬時功率信號；瞬時功率信號經(jīng)過第二個低通濾波器濾波，得到有功功率分量(即直流分量)，再經(jīng)過數(shù)字功率—頻率轉(zhuǎn)換器可得到驅(qū)動計度器的頻率信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，電壓V(t)和電流I(t)經(jīng)外部采樣電路采樣后采用差分對輸入，內(nèi)部采用斬波平衡輸入的運算放大器進行放大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，放大后的電流和電壓信號分別經(jīng)過一個二階∑Δ過采樣轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，本方案的∑Δ過采樣轉(zhuǎn)換器采用開關(guān)電流方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，電流通路的降采樣濾波器和低通濾波器均為標準的數(shù)字處理系統(tǒng)中的數(shù)字濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，相乘后的第二個低通濾波器LPF集成了降采樣濾波器、低通濾波器和累加器，由于降采樣濾波器和低通濾波器均為濾得近似為直流的信號，所以可以簡單的由加1或減1的累加器實現(xiàn)濾波累加功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，功率—頻率轉(zhuǎn)換電路由一些簡單的向上/向下計數(shù)器來完成乘和除的功能，進而實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換，再由簡單的分頻電路來產(chǎn)生可直接驅(qū)動計度器和步進電機的頻率信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，電壓通路的過采樣∑Δ轉(zhuǎn)換器輸出其數(shù)據(jù)流，電流通路的ADC輸出的數(shù)據(jù)流隨電壓通路的輸出數(shù)據(jù)流的不同而改變其極性，可以用簡單的電路來使其乘法僅限制在符號的改變或與±1相乘上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，本發(fā)明中的乘法器運用了簡單的邏輯結(jié)構(gòu)使相乘后的數(shù)據(jù)流是電流通路的數(shù)據(jù)流根據(jù)電壓通路的數(shù)據(jù)流的不同極性而輸出的正相數(shù)據(jù)流或反相數(shù)據(jù)流，電壓通路的輸出數(shù)據(jù)為邏輯”1”時，輸出數(shù)據(jù)為電流通路的輸出數(shù)據(jù)；電壓通路的輸出數(shù)據(jù)為邏輯”-1”時，輸出數(shù)據(jù)為電流通路的輸出數(shù)據(jù)的反相。
全文摘要
一種全電子式功率(能量)計量中進行功率計算而采用的簡單結(jié)構(gòu)，借助它可計算從電網(wǎng)實際獲取功率的瞬時值。具體內(nèi)容為分別對電流和電壓通路進行采樣，內(nèi)部放大后再分別經(jīng)過∑Δ過采樣轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生1位數(shù)據(jù)流輸出；對電流通路的1位數(shù)據(jù)流輸出進行降采樣濾波和低通濾波，產(chǎn)生一個16位的數(shù)據(jù)流輸出；電流通路的16位數(shù)據(jù)流輸出和電壓通路的1位數(shù)據(jù)流輸出進行相乘，得到瞬時功率信號；瞬時功率信號經(jīng)過低通濾波，得到有功功率分量(即直流分量)，再經(jīng)過數(shù)字功率—頻率轉(zhuǎn)換器可得到驅(qū)動計度器的頻率信號。
文檔編號G01R21/00GK1453591SQ0211695
公開日2003年11月5日 申請日期2002年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月27日
發(fā)明者張韜, 胡健, 夏路航 申請人:北京中星微電子有限公司