一種模數轉換採樣電路和計量晶片的製作方法
2023-06-29 07:11:51 2
一種模數轉換採樣電路和計量晶片的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種模數轉換採樣電路和計量晶片，該模數轉換採樣電路包括：調製器，數字濾波和抽取單元，相位校正電路；所述相位校正電路包括第一延時單元和第二延時單元，所述第一延時單元分別與所述調製器的輸出端、所述數字濾波和抽取單元的輸入端連接，所述第二延時單元與所述數字濾波和抽取單元的輸出端連接。本發明通過分別對調製器輸出的數位訊號和數字濾波和抽取單元輸出的數位訊號進行延時處理，減小了模數轉換採樣電路的面積，降低了模數轉換採樣電路的製造難度、成本和功耗。
【專利說明】一種模數轉換採樣電路和計量晶片
【技術領域】
[0001〕 本發明涉及計量領域，尤其涉及一種模數轉換採樣電路和計量晶片。
【背景技術】
[0002]我國是一個電能表應用大國，每年全國需求約3000萬臺，目前我國的電能表主要有機械錶、機電一體化電能表和全電子電能表。全電子電能表的計量裝置主要是由專用的計量晶片和外圍相關硬體電路來構成，隨著電子工藝的發展與進步以及電能表技術的發展，專用的計量晶片的可靠性、穩定性、經濟性都有了極大的提高。
[0003]目前主流的電能計量晶片，內部採用模數轉換器(八的108 1:0 0181仏1
'，簡稱八00採樣電路、算術邏輯電路和控制電路的結構。計量晶片使用算術邏輯電路處理模數轉換採樣電路採集的電流與電壓的信號，而獲取相應的功率、有效值與其它電參量信息，同時輸出與電能量相關的脈衝信號。
[0004]通常，模數轉換採樣電路包括:調製器、數字濾波和抽取單元、延時單元。其中，延時單元用於調整調製器輸出的數位訊號的相位，為了實現準確的相位校正，延時單元校正的最小時間間隔與調製器的採樣時鐘周期相等，同時為了滿足最大相位校正的需求，模數轉換採樣電路內的延時單元電路設計的非常龐大，使得模數轉換採樣電路的面積、製造的難度和成本都比較大。
[0005]目前，計量晶片中的算術邏輯電路主要包括電壓頻率及相角測量電路、功率測量電路和電壓、電流有效值測量電路。其中，電壓頻率及相角測量多採用軟體方式實現，功率、電壓、電流有效值的測量電路相互獨立設置分別測量不同的電參量，大量的電參量測量電路使得計量晶片的面積和功耗都比較大，成本較高。
【發明內容】
[0006]本發明提供一種模數轉換採樣電路和計量晶片，用以解決現有模數轉換採樣電路的延時單元電路龐大及計量晶片內眾多的測量電路導致的計量晶片面積、功耗、製造難度和成本都比較大的問題。
[0007]本發明的一個方面提供一種模數轉換採樣電路，其特徵在於，包括:調製器，數字濾波和抽取單元，相位校正電路；所述相位校正電路包括第一延時單元和第二延時單元，所述第一延時單元分別與所述調製器的輸出端、所述數字濾波和抽取單元的輸入端連接，所述第二延時單元與所述數字濾波和抽取單元的輸出端連接。
[0008]本發明的另一個方面提供一種計量晶片，其特徵在於，包括:三個模數轉換採樣電路，分別與所述三個模數轉換採樣電路連接的第一電參量測量電路；
[0009]所述三個模數轉換採樣電路，用於分別對輸入的電壓信號、火線電流信號、零線電流信號進行採樣，並將採樣得到的電壓信號、火線電流信號、零線電流信號分別輸出到電壓輸出端、火線電流輸出端、零線電流輸出端；
[0010]所述第一電參量測量電路，用於根據所述採樣得到的電壓信號、火線電流信號、零線電流信號進行計算，得到電壓頻率的對應值、電壓與火線電流的相角的對應值、電壓與零線電流的相角的對應值。
[0011]本發明提供的模數轉換採樣電路，通過分別對調製器和數字濾波和抽取單元輸出的數位訊號進行延時控制，使得可以減少模數轉換採樣電路內的延時觸發器的數量，進而減小模數轉換採樣電路的面積，降低模數轉換採樣電路的製造難度、成本和功耗，另外，本發明提供的計量晶片採用硬體電路實現電壓頻率及相角的測量，降低了計量晶片的製造難度，節省了計量晶片的製造成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為現有技術提供的模數轉換採樣電路結構示意圖；
[0013]圖2為本發明提供的模數轉換採樣電路實施例結構示意圖；
[0014]圖3為本發明提供的計量晶片實施例一結構示意圖；
[0015]圖4為圖3所示的計量晶片實施例一中第一電參量測量電路的結構示意圖；
[0016]圖5所示為圖4所示的第一電參量測量電路的信號原理圖；
[0017]圖6所示為本發明提供的計量晶片實施例二的結構示意圖；
[0018]圖7為圖6所示的計量晶片實施例二中第二電參量測量電路的結構示意圖；
[0019]圖8所示為本發明提供的計量晶片實施例三的結構示意圖；
[0020]圖9為圖8所示的計量晶片實施例三中第三電參量測量電路的結構示意圖；
[0021]圖10所示為本發明提供的計量晶片實施例四的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0023]圖1為現有技術提供的模數轉換採樣電路結構示意圖。如圖1所示，該模數轉換採樣電路包括:調製器10、數字濾波和抽取單元11、延時單元12。其中，調製器輸入端輸入模擬信號，調製器的輸出端連接延時單元的輸入端，延時單元的輸出端連接數字濾波和抽取單元的輸入端。調製器用於將模擬信號調製成1位的數位訊號；延時單元用於根據計量晶片中的控制電路(圖1中未示出)中寄存器和通信模塊中存儲的相位校正值進行相位校正，通過延時來調整數位訊號的相位，通常由若干結構、功能相同的延時觸發器組成；數字濾波和抽取單元電路用於將1位的數位訊號轉換成~位數位訊號，並將~位的數位訊號進行抽取濾波，以提高所述模數轉換採樣電路信噪比，其中，~為所述模數轉換採樣電路實際設計位寬。
[0024]圖2為本發明提供的模數轉換採樣電路實施例結構示意圖，如圖2所示，該模數轉換採樣電路包括:調製器20，數字濾波和抽取單元21，相位校正電路22 ；所述相位校正電路包括第一延時單元220和第二延時單元221，所述第一延時單元分別與所述調製器的輸出端、所述數字濾波和抽取單元的輸入端連接，所述第二延時單元與所述數字濾波和抽取單元的輸出端連接。
[0025]本實施例中，所述調製器用於將模擬信號調製成I位的數位訊號；所述相位校正電路用於通過對數位訊號進行延時控制來調整數位訊號的相位，具體地，第一延時單元用於調整調製器輸出的數位訊號的相位，第二延時單元用於調整數字濾波和抽取單元輸出的數位訊號的相位；所述數字濾波和抽取單元用於對輸入的數位訊號進行降採樣處理，輸出與模數轉換採樣電路設計的位寬相等的數位訊號。
[0026]具體地，所述第一延時單元包括1個延時觸發器，所述第二延時單元包括X個延時觸發器，1=X為所述數字濾波和抽取單元的降採樣倍數，I為所述調製器輸出的數位訊號的位數，^為所述數字濾波和抽取單元輸出的數位訊號的位數，V為~位數位訊號中的每位數位訊號分別對應的延時觸發器個數，X，I I，I為正整數。
[0027]一種可行的實現方式中，第一延時單元與第二延時單元由結構相同的延時觸發器構成，第一延時單元用於對調製器輸出的I位數位訊號進行延時控制，第二延時單元用於對數字濾波和抽取單元輸出的~位數位訊號進行延時控制。
[0028]進一步地，第一延時單元校正的最小時間間隔等於調製器的採樣時鐘周期，第二延時單元校正的最小時間間隔等於數字濾波和抽取單元的時鐘周期。舉例來說，若調製器的採樣頻率為。數字濾波和抽取單元的降採樣倍數為X，即數字濾波和抽取單元的頻率為仁/%則第一延時單元校正的最小時間間隔為1/匕，第二延時單元校正的最小時間間隔為取，可以看出，第一延時單元實現的是精相位校正，而第二延時單元實現的是粗相位校正。
[0029]通常，對調製器輸出的I位數位訊號進行延時處理時，至少需要I個延時觸發器同時對該I位數位訊號進行處理，而為了對該I位數位訊號在機時間內都能進行延時控制，則第一延時單元中延時觸發器的數量1需設計為數字濾波和抽取單元的降採樣倍數0-1)個匕即1= 0-1)札；同樣地，對數字濾波和抽取單元輸出為~位數位訊號進行延時處理時，至少需要~個延時觸發器同時對該~位數位訊號進行處理，為了對該~位數位訊號實現全時間範圍內的延時處理，第二延時單元中延時觸發器的數量需設置為~的整數倍，即V表示分別為~為數位訊號中的每位數位訊號設置的延時觸發器的個數，V為正整數，I根據數字濾波和抽取單元的時鐘周期結合不同應用場合取值。
[0030]優選地，1=1，此處的調製器可以為2-八調製器，也可以為其它輸出1位數位訊號的調製器，本實施例對此不做限定。為實現模擬信號向數位訊號高精度的轉換，調製器的採樣頻率通常遠大於奈奎斯特率，即調製器的採樣頻率遠大於2倍的模擬信號的帶寬。相應地，第一延時單元用於對調製器輸出的1位數位訊號進行延時處理，數字濾波與抽取單元用於將第一延時單元輸出的1位數位訊號轉換成~位數位訊號，並將~位的數位訊號進行抽取濾波，以提高模數轉換採樣的信噪比。
[0031]具體地，各延時單元的使用數量由計量晶片控制電路中寄存器和通信模塊中存儲的相位校正值確定，相位校正值由相位偏差和各延時單元校正的最小時間間隔確定。對於調製器輸出信號為1位，設計位寬為~位的模數轉換採樣電路，當需要校正的相位值對應的延時時間七介於1/仁和取之間時，電路中接入匕村；]個第一延時單元中的延時觸發器；當需要校正的相位值對應的延時時間〖等於^/仁時電路中接入第二延時單元中的X個延時觸發器；當需要校正的相位值對應的延時時間〖介於取和狀取時，電路中接入第二延時單元中的?個延時觸發器和第一延時單元中的〔村3〕個延時觸發器，依次類推，當〖大於砂^/匕時，電路中接入第二延時單元中的個延時觸發器和第一延時單元中的[(丨個延時觸發器。舉例來說，假定含2-八調製器的模數轉換採樣電路的時鐘頻率為2.048兆赫茲(冊12),位寬為20，經256倍的數字濾波和抽取後，輸出數據的時鐘頻率為8千赫茲(紐2),周期為125微秒(^ 8),根據本發明的方案，第一延時單元的數量中延時觸發器設計為255個，本實施例中，為20位數位訊號中的每位數位訊號分別設置2個延時觸發器，即第二延時單元中延時觸發器的數量為40個，若需要校正的相位值為3.6。，對於50取工頻交流電來說，需校正的時間量為200 4 8，介於125^ 8和250^ 8之間，則實際使用時，接入電路中第二延時單元中的延時觸發器的數量為20個、第一延時單元的延時觸發器的數量為[(200-125)^2.048]個，即154個時，使得信號滯後3.6035。，可滿足精度要求。若按本發明的方案，由第一延時單元和第二延時單元組成的相位校正電路可實現的最大校正範圍為2*125^ 8+125^ 8=375^ 8，若按現有技術，為能到達按本發明的方案設計的延時單元相同的最大校正範圍，延時單元中延時觸發器的數量需設計為:375^ 8/(1/2.048冊12)=768個。使用時若現有技術為了實現與本發明相同的校正精度，校正3.6°的相位誤差共需410個延時觸發器。可以看出，無論是設計還是實際使用現有技術方案延時單元中延時觸發器的數量都比本發明的技術方案的數量多許多。
[0032]本實施例提供的模數轉換採樣電路，通過分別對調製器輸出的數位訊號和數字濾波和抽取單元輸出的數位訊號進行延時處理，減少了模數轉換採樣電路內的延時觸發器的數量，減小了模數轉換採樣電路的面積、降低了電路的製造難度、成本和功耗。
[0033]圖3所示為本發明提供的計量晶片實施例一的結構示意圖，如圖3所示，該計量晶片包括:三個模數轉換採樣電路30、31、32，分別與所述三個模數轉換採樣電路連接的第一電參量測量電路33 ；其中，所述三個模數轉換採樣電路，用於分別對輸入的電壓信號、火線電流信號、零線電流信號進行採樣，並將採樣得到的電壓信號、火線電流信號、零線電流信號分別輸出到電壓輸出端、火線電流輸出端、零線電流輸出端；所述第一電參量測量電路，用於根據所述採樣得到的電壓信號、火線電流信號、零線電流信號進行計算，得到電壓頻率的對應值、電壓與火線電流的相角的對應值、電壓與零線電流的相角的對應值。
[0034]優選地，本實施例中，所述三個模數轉換採樣電路可以採用本發明提供的模數轉換採樣電路。
[0035]圖4為圖3所示的計量晶片實施例一中第一電參量測量電路的結構示意圖，如圖4所不，第一電參量測量電路33包括:第一低通濾波器400、第二低通濾波器401、第三低通濾波器402、第一過零脈衝產生器403、第二過零脈衝產生器404、第三過零脈衝產生器405、電壓頻率計數器406、第一相角計數器407、第二相角計數器408 ；
[0036]所述第一低通濾波器的輸入端連接所述電壓輸出端，所述第一低通濾波器的輸出端連接所述第一過零脈衝產生器的輸入端，所述第一過零脈衝產生器的輸出端連接所述電壓頻率計數器的輸入端、第一相角計數器的第一輸入端、第二相角計數器的第一輸入端，所述電壓頻率計數器的輸出端用於輸出電壓頻率的對應值；
[0037]所述第二低通濾波器的輸入端連接所述火線電流輸出端，所述第二低通濾波器的輸出端連接所述第二過零脈衝產生器的輸入端，所述第二過零脈衝產生器的輸出端連接所述第一相角計數器的第二輸入端，所述第一相角計數器的輸出端用於輸出電壓與火線電流相角的對應值；
[0038]所述第三低通濾波器的輸入端連接所述零線電流輸出端，所述第三低通濾波器的輸出端連接所述第三過零脈衝產生器的輸入端，所述第三過零脈衝產生器的輸出端連接所述第二相角計數器的第二輸入端，所述第二相角計數器的輸出端用於輸出電壓與零線電流相角的對應值。
[0039]本實施例中，模數轉換採樣電路採樣得到的電壓信號經第一低通濾波器濾除諧波分量信號後，再輸入給第一過零脈衝產生器，第一過零脈衝產生器在電壓信號從負值變化至正值時產生一個脈衝信號，電壓頻率計數器以相鄰的電壓信號的過零脈衝信號作為一個計數周期的起始點和終止點，一個計數周期內計數值即為電壓頻率的對應值。
[0040]具體地，當一個電壓過零脈衝信號來臨時電壓頻率計數器開始計數，到下一個電壓過零脈衝信號來臨時停止計數並輸出此時電壓頻率計數器的計數值，即為電壓頻率的對應值，然後再將計數器清零並重新開始計數，等待下一次的電壓過零脈衝信號，以此往復來連續地計算電壓頻率的對應值，根據電壓頻率的計數值和電壓頻率計數器的計數頻率可計算出電力線上電壓的頻率。
[0041]相應地，火線電流信號、零線電流信號分別經第二低通濾波器、第三低通濾波器濾除諧波分量信號後，再經過第二過零脈衝產生器、第三過零脈衝產生器，分別在火線電流信號、零線電流信號從負值變化至正值時產生一個脈衝信號，第一相角計數器以電壓信號作為計數周期的起始點，以相鄰的火線電流信號的過零脈衝信號作為計數周期的終止點，計數可得出電壓和火線電流相角的對應值，第二相角計數器以電壓信號作為計數周期的起始點，以相鄰的零線電流信號的過零脈衝信號作為計數周期的終止點，計數可得出電壓和零線電流相角的對應。
[0042]具體地，當一個電壓過零脈衝信號來臨時第一相角計數器開始計數，直到相鄰的火線電流過零脈衝信號來臨時停止計數並輸出第一相角計數器的計數值，即為電壓和火線電流相角的對應值，然後再將第一相角計數器清零，等待下一次電壓過零脈衝信號來臨之後開始計數，繼續此過程，以此往復來連續地計算電壓和火線電流相角的對應值。根據電壓和火線電流相角的對應值和電壓頻率的對應值可計算出電壓和火線電流的相角。
[0043]相應地，當一個電壓過零脈衝信號來臨時第二相角計數器開始計數，直到下一個零線電流過零脈衝信號來臨時停止計數並輸出第二相角計數器的計數值，即為電壓和零線電流相角的對應值，然後再將第二相角計數器清零，等待下一次電壓過零脈衝信號來臨之後開始計數，繼續此過程，以此往復來連續地計算電壓和零線電流的相角對應值。根據電壓和零線電流相角的對應值和電壓頻率的對應值可計算出電壓和零線電流的相角。
[0044]圖5所示為圖4所示的第一電參量測量電路的信號原理圖。如圖5所示，￡1為輸入的電壓信號圖，^為輸入的火線電流信號圖，為輸入的零線電流信號圖，(1為第一過零脈衝產生器產生的電壓過零脈衝信號，6為第二過零脈衝產生器產生的火線電流過零脈衝信號，？為第三過零脈衝產生器產生的零線電流過零脈衝信號，8為電壓頻率計數器的計數圖，11為第一相角計數器的計數圖，』為第二相角計數器的計數圖。
[0045]由圖5可知電壓頻率計數器在一個計數周期內的計數值為0」即電壓頻率的對應值為，第一相角計數器在一個計數周期內的計數值為02，，即電壓與火線電流相角的對應值為02，第二相角計數器在一個計數周期內的計數值為03，，即電壓與零線電流相角的對應值為03，若電壓頻率計數器的計數頻率為？，則電壓頻率實際值為(^/1)^)取，電壓與火線電流相角實際值為X360°，電壓與零線電流相角實際值為父360。。
[0046]本實施例提供的計量晶片，採用硬體電路實現對電壓頻率的對應值、電壓與火線電流相角的對應值、電壓與零線電流相角的對應值的測量計算，相比於現有技術採用軟體計算的方法，簡化了計量晶片的電路結構，降低了計量晶片的製造成本。
[0047]圖6為本發明提供的計量晶片實施例二結構示意圖。如圖6所示，在圖3所示的計量晶片實施例一的基礎上，本發明提供的計量晶片實施例二還包括分別與所述三個模數轉換採樣電路連接的第二電參量測量電路34。
[0048]圖7為圖6所示的計量晶片實施例二中第二電參量測量電路的結構示意圖。如圖7所示，第二電參量測量電路包括:第一計數器700、90度移相器701、第一數據選擇器702、第二數據選擇器703、第三數據選擇器704、第四數據選擇器705、第一乘法器706、第四低通濾波器707、第一加法器708、第二乘法器709、第一解碼器710 ；
[0049]所述第一數據選擇器的第一輸入端、第三輸入端均連接所述火線電流輸出端，所述第一數據選擇器的第二輸入端、第四輸入端均連接所述零線電流輸出端，所述第一數據選擇器的輸出端連接到所述第一乘法器的第一輸入端；
[0050]所述第二數據選擇器的第一輸入端、第二輸入端均連接所述電壓輸出端，所述第二數據選擇器的第三輸入端、第四輸入端均連接所述90度移相器的輸出端，所述90度移相器的輸入端連接所述電壓輸出端，所述第二數據選擇器的輸出端連接到所述第一乘法器的第二輸入端；
[0051]所述第一乘法器的輸出端連接所述第四低通濾波器的輸入端，所述第四低通濾波器的輸出端連接所述第一加法器的第一輸入端；
[0052]所述第三數據選擇器的第一輸入端連接火線有功功率補償控制端，所述第三數據選擇器的第二輸入段連接零線有功功率補償控制端，所述第三數據選擇器的第三輸入端連接火線無功功率補償控制端，所述第三數據選擇器的第四輸入端連接零線無功功率補償控制端，所述第三數據選擇器的輸出端連接到所述第一加法器的第二輸入端；
[0053]所述第一加法器的輸出端連接所述第二乘法器的第一輸入端；
[0054]所述第四數據選擇器的第一輸入端連接火線有功功率增益控制端，所述第四數據選擇器的第二輸入段連接零線有功功率增益控制端，所述第四數據選擇器的第三輸入端連接火線無功功率增益控制端，所述第四數據選擇器的第四輸入端連接零線無功功率增益控制端，所述第四數據選擇器的輸出端連接到所述第二乘法器的第二輸入端；
[0055]所述第一解碼器的輸入端連接所述第二乘法器的輸出端；
[0056]所述第一數據選擇器、第二數據選擇器、第三數據選擇器、第四數據選擇器、第一解碼器的選擇信號端均與所述第一計數器的輸出端連接，所述第一解碼器的第一輸出端、第二輸出端、第三輸出端、第四輸出端依次用於輸出火線有功功率的對應值、零線有功功率的對應值、火線無功功率的對應值、零線無功功率的對應值。
[0057]在本實施例中，各數據選擇器和第一解碼器可由簡單的門電路搭建實現，第一計數器可以用加法計數器或者減法計數器來實現，本實施例對此不做限定。
[0058]第一計數器的位數根據各數據選擇器輸入端數量及第一解碼器輸出端數量確定。舉例來說，本實施例中，各數據選擇器均有四個輸入端、第一解碼器有四個輸出端，可選用2位2進位的加法計數器來控制各數據選擇器和第一解碼器選擇的數據。第一計數器輸入的為固定頻率的時鐘信號，該時鐘信號的頻率由第一計數器輸出的不同的計數狀態個數和輸入第二電參量測量電路的信號頻率確定，通常，輸入第一計數器的時鐘信號頻率為輸入第二電參量測量電路的信號頻率與第一計數器不同的計數狀態個數的乘積。本實施例中，第一計數器採用的2位2進位的加法計數器輸出的不同計數狀態有00，01，10，11，4個計數狀態，則輸入第一計數器的時鐘信號頻率為輸入第二電參量測量電路的信號頻率的4倍即可，即若輸入的電壓、火線電流、零線電流信號頻率為8紐2，第一計數器則以32紐2的頻率來切換控制各數據選擇器和第一解碼器。第二電參量測量電路中的各乘法器和第一加法器的工作頻率根據輸入各乘法器和第一加法器的信號的頻率確定，通常各乘法器和第一加法器的工作頻率大於輸入第一計數器的時鐘信號頻率。舉例來說，第一計數器計數為00時，各數據選擇器選擇第一輸入端的數據，對應第一解碼器選擇第一輸出端輸出數據，電路計算火線有功功率的對應值；第一個時鐘信號輸入時，第一計數器計數為01，各數據選擇器選擇第二輸入端的數據，對應第一解碼器選擇第二輸出端輸出數據，電路計算零線有功功率的對應值；第二個時鐘信號輸入時，第一計數器計數為10，各數據選擇器選擇第三輸入端的數據，對應第一解碼器選擇第三輸出端輸出數據，電路計算火線無功功率的對應值；第三個時鐘信號輸入時，第一計數器計數為11，各數據選擇器選擇第四輸入端的數據，對應第一解碼器選擇第四輸出端輸出數據，電路計算零線無功功率的對應值；第四個時鐘信號輸入時，第一計數器計數為00，電路計算火線有功功率的對應值；以此往復來實現對各數據選擇器、第一解碼器和運算電路的切換控制。
[0059]本實施例中，火線有功功率補償控制端、零線有功功率補償控制端、火線無功功率補償控制端、火線無功功率補償控制端、火線有功功率增益控制端、零線有功功率增益控制端、火線無功功率增益控制端和零線無功功率增益控制端分別與計量晶片控制電路中的寄存器和通信模塊的相應輸出端對應，用於對計量晶片測量的火線有功功率的對應值、零線有功功率的對應值、火線無功功率的對應值和零線無功功率的對應值進行補償和增益校正，以消除電路中的誤差。
[0060]具體地，當第一計數器計數為00時，第二電參量測量電路計算的是火線上的有功功率對應值。相應地，第一數據選擇器選擇火線電流信號，第二數據選擇器選擇電壓信號，第三數據選擇器選擇火線有功功率補償信號，第四數據選擇器選擇火線有功功率增益信號,第一解碼器選擇第一輸出端輸出火線有功功率對應值,對應地，第一乘法器將火線電流與電壓進行乘法運算，得出的乘積經第四低通濾波器濾波後輸入給第一加法器，第一加法器將濾波後的火線電流與電壓的乘積與第三數據選擇器輸入的火線有功功率補償信號相加對所述火線電流與電壓的乘積進行補償，第二乘法器將補償後的火線電流與電壓的乘積與火線有功功率增益相乘計算得到火線有功功率的對應值並由第一解碼器的第一輸出端輸出。
[0061]相應地，當第一計數器計數為01時，第二電參量測量電路計算的是零線上的有功功率對應值。
[0062]進一步地，當第一計數器計數為10時，第二電參量測量電路計算的是火線上的無功功率對應值。特別地，第一乘法器將通過90。移相器移相後的電壓信號與火線電流信號進行乘法運算，在經過第四低通濾波器，第一加法器和第二乘法器後由第一解碼器第三輸出端輸出；同樣地，當第一計數器計數為11時，第二電參量測量電路計算的是零線上的無功功率對應值。
[0063]進一步地，將本實施例中的所述火線有功功率對應值、零線有功功率對應值、火線無功功率對應值、零線無功功率對應值進行簡單的四則運算即可得出實際的火線有功功率值、零線有功功率值、火線無功功率值、零線無功功率值。
[0064]本實施例提供的第二電參量測量電路，在測量火線有功功率的對應值、火線無功功率的對應值、零線有功功率的對應值、零線無功功率的對應值的電路中，對採用相同算法的運算電路採用分時復用的方式，與現有技術對各項參量的測量都採用獨立的電路相比簡化了電路結構，提高了運算電路的利用率，降低了電路的面積、功耗和製造成本。
[0065]圖8為本發明提供的計量晶片實施例三結構示意圖。如圖8所示，在圖6所示的計量晶片實施例二的基礎上，本發明提供的計量晶片實施例三，還包括:分別與所述三個模數轉換採樣電路連接的第三電參量測量電路35。
[0066]圖9為圖8所示的計量晶片實施例三中第三電參量測量電路的結構示意圖。如圖9所示，所述第三電參量測量電路包括:第二計數器900、第五數據選擇器901、第六數據選擇器902、第七數據選擇器903、第三乘法器904、第五低通濾波器905、平方根運算器906、第二加法器907、第四乘法器908、第二解碼器909 ；
[0067]所述第五數據選擇器的第一輸入端連接火線電流輸出端，所述第五數據選擇器的第二輸入端連接零線電流輸出端，所述第五數據選擇器的第三輸入端連接電壓輸出端，所述第五數據選擇器的輸出端連接所述第三乘法器的兩個輸入端；
[0068]所述第三乘法器的輸出端連接所述第五低通濾波器的輸入端；
[0069]所述第五低通通濾波器的輸出端連接所述平方根運算器輸入端；
[0070]所述平方根運算器輸出端連接所述第二加法器的第一輸入端；
[0071]所述第六數據選擇器的第一輸入端連接火線電流有效值補償控制端，所述第六數據選擇器的第二輸入端連接零線電流有效值補償控制端，所述第六數據選擇器的第三輸入端連接電壓有效值補償控制端，所述第六數據選擇器的輸出端連接所述第二加法器的第二輸入端；
[0072]所述第二加法器的輸出端連接所述第四乘法器的第一輸入端；
[0073]所述第七數據選擇器的第一輸入端連接火線電流有效值增益控制端，所述第七數據選擇器的第二輸入端連接零線電流有效值增益控制端，所述第七數據選擇器的第三輸入端連接電壓有效值增益控制端，所述第七數據選擇器的輸出端連接所述第四乘法器的第二輸入端；
[0074]所述第四乘法器的輸出端連接所述第二解碼器的輸入端；
[0075]所述第五數據選擇器、第六數據選擇器、第七數據選擇器、第二解碼器的控制端均與所述第二計數器的輸出端連接，所述第二解碼器的第一輸出端、第二輸出端、第三輸出端依次用於輸出火線電流有效值的對應值、零線電流有效值的對應值、電壓有效值的對應值。
[0076]在本實施例中，各數據選擇器和第二解碼器可由簡單的門電路搭建實現，第二計數器可以用加法計數器或者減法計數器來實現，本實施例對此不做限定。
[0077]第二計數器的位數根據第三電參量測量電路中各數據選擇器輸入端數量及第二解碼器輸出端數量確定，考慮電路設計選用器件種類最少原則，此處的第二計數器可與第二電參量測量電路中的第一計數器一樣選用2位2進位的加法計數器來控制各數據選擇器和第二解碼器選擇的數據。第二計數器的輸入端為固定頻率的時鐘信號，該時鐘信號的頻率由第二計數器輸出的不同的計數狀態個數和輸入第三電參量測量電路的信號頻率確定，通常，輸入第二計數器的時鐘信號頻率為輸入第三電參量測量電路的信號頻率與第二計數器的不同的計數狀態個數的乘積。本實施例中，第二計數器輸出的不同計數狀態為00，01，10，11，共4個不同計數狀態，則輸入第二計數器的時鐘信號頻率為輸入第三電參量測量電路的信號頻率的4倍即可。具體的，若輸入的電壓、火線電流、零線電流信號頻率為8紐2，第二計數器則以32紐2的頻率來切換控制各數據選擇器和第二解碼器。第三電參量測量電路中的各乘法器工作頻率根據輸入各乘法器、平方根運算器和第二加法器的信號的頻率確定，通常，各乘法器、平方根運算器和第二加法器的工作頻率大於輸入第二計數器的時鐘信號頻率。舉例來說，第二計數器計數為00時，各數據選擇器選擇第一輸入端的數據，對應第二解碼器選擇第一輸出端輸出數據，電路計算火線電流有效值的對應值；第一個時鐘信號輸入時，第二計數器計數為01，各數據選擇器選擇第二輸入端的數據，對應第二解碼器選擇第二輸出端輸出數據，電路計算零線電流有效值的對應值；第二個時鐘信號輸入時，第二計數器計數為10，各數據選擇器選擇第三輸入端的數據，對應第二解碼器選擇第三輸出端輸出數據，電路計算電壓有效值的對應值；第三個時鐘信號輸入時，第二計數器計數為11，電路不做任何動作，第四個時鐘信號輸入時，第二計數器計數為00，電路計算火線電流有效值的對應值，以此往復實現對各數據選擇器、第二解碼器和運算電路的切換控制。
[0078]本實施例中，火線電流有效值補償控制端、零線電流有效值補償控制端、電壓有效值補償控制端、火線電流有效值增益控制端、零線電流有效值增益控制端、電壓有效值增益控制端分別與計量晶片控制電路中的寄存器和通信模塊的相應輸出端對應，用於對計量晶片測量的火線電流有效值的對應值、零線電流有效值的對應值和電壓有效值的對應值進行補償和增益校正，以消除電路中的誤差。
[0079]具體地，當第二計數器計數為00時，第三電參量測量電路計算的是火線電流有效值的對應值。相應地，第五數據選擇器選擇火線電流信號，第六數據選擇器選擇火線電流有效值補償控制信號，第七數據選擇器選擇火線電流有效值增益信號，第二解碼器選擇第一輸出端輸出火線電流有效值的對應值，對應地，第三乘法器將火線電流進行平方運算，得出的乘積經第五低通濾波器濾波後輸入給平方根運算器進行開方運算，平方根運算器將開方後的火線電流有效值的平方根輸入給第二加法器，第二加法器將火線電流的平方根值與第六數據選擇器輸入的火線電流有效值補償信號相加對所述火線電流有效值進行補償，第四乘法器將補償後的火線電流有效值與火線電流有效值增益相乘計算得到火線電流有效值的對應值並由第二解碼器的第一輸出端輸出。
[0080]進一步地，當第二計數器計數為10時，第三電參量測量電路計算的是零線電流有效值的對應值，當第二計數器計數為10時，第三電參量測量電路計算的是電壓有效值的對應值。
[0081〕 進一步地，將本實施例中的所述火線電流有效值的對應值、零線電流有效值的對應值、電壓有效值的對應值進行簡單的四則運算即可得出實際的火線電流有效值、零線電流有效值、電壓有效值。
[0082]優選地，本實施例中的第二計數器可以與第二電參量測量電路中的第一計數器是同一個計數器。
[0083]本實施例提供的第三電參量測量電路，在測量電壓有效值的對應值、火線電流有效值的對應值和零線電流有效值的對應值的電路中，對採用相同算法的運算電路採用分時復用的方式，與現有技術對各項參量的測量都採用獨立的電路相比簡化了電路結構，提高了運算電路的利用率，降低了電路的面積、功耗和製造成本。
[0084]圖10為本發明提供的一種計量晶片實施例四的結構示意圖。如圖10所示，該計量晶片包括:模擬信號採樣模塊100、數位訊號處理模塊101、控制和通信模塊102 ；其中，模擬信號採樣模塊100包括:三個模數轉換採樣電路30、31、32，數位訊號處理模塊101包括:第一電參量測量電路33、第二電參量測量電路34、第三電參量測量電路35 ；控制和通信模塊102包括:脈衝輸出控制模塊36、寄存器和通信模塊37、中斷/過零控制模塊38。
[0085]本實施例中，模擬信號採樣模塊用於將輸入的電壓、火線電流、零線電流轉換成數位訊號，並對採樣得到的數位訊號根據控制和通信模塊輸入的相位校正值進行相位調整。
[0086]進一步地，數位訊號處理模塊用於對輸入的電壓信號、火線電流信號、零線電流信號進行實時的計算及相關的電能檢測，如計算電壓有效值的對應值、火線有功功率的對應值、零線無功功率的對應值，檢測電壓跌落、中斷、過零、防竊電、啟動潛動等。控制和通信模塊，用於與計量裝置中的微控單元1⑶(1101-0 0011^01此1丨，簡稱1⑶)進行數據交換通信，並控制電能脈衝的輸出、中斷\過零信號的輸出等。
[0087]具體地，寄存器和通信模塊用於保存1⑶寫入的校正、補償參數，在使用時為模數轉換採樣電路和各電參量測量電路提供校正、補償控制，使計量晶片的計量值更接近實際值，另外，寄存器和通信模塊還用於保存各電參量測量電路輸出的各測量值的對應值，並輸出給將輸入的各電參量的對應值進行簡單的四則運算即可得到實際的火線有功功率值、零線有功功率值、火線無功功率值、零線無功功率值、電壓有效值、火線電流有效值及零線電流有效值；脈衝輸出控制模塊用於根據寄存器和通信模塊的控制信號，輸出零線有功功率的對應值、零線無功功率的對應值、火線有功功率的對應值、火線無功功率的對應值對應的脈衝信號，以使根據脈衝數量計算用電量；中斷/過零控制模塊用於根據寄存器和通信模塊的控制信號向輸出中斷請求和電壓過零脈衝信號，使根據輸入的中斷請求判斷使能的中斷事件是否發生，根據輸入的電壓過零脈衝信號進行一些事件的處置。
[0088]本實施例中模數轉換採樣電路和第一、第二、第三電參量測量電路的具體實現方式參見上述各電路的實施例說明，此處不再贅述。
[0089]本領域普通技術人員可以理解:儘管本發明是通過硬體電路完成，但實現上述各方法實施例的全部或部分步驟也可以通過程序指令控制相關的硬體來完成。前述的程序可以存儲於一計算機可讀取存儲介質中。該程序在執行時，執行包括上述各方法實施例的步驟；而前述的存儲介質包括:如1、狀1、磁碟或者光碟等各種可以存儲程序代碼的介質。
[0090]最後應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；以上各電參量測量電路的描述僅是對計量晶片中具有代表性的測量電路進行的說明和改進，本領域的技術人員可以理解的是本發明的方法可用於所有與上述測量電路具有相似結構的電路中以解決相同的問題，儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。
【權利要求】
1.一種模數轉換採樣電路，其特徵在於，包括:調製器，數字濾波和抽取單元，相位校正電路；所述相位校正電路包括第一延時單元和第二延時單元，所述第一延時單元分別與所述調製器的輸出端、所述數字濾波和抽取單元的輸入端連接，所述第二延時單元與所述數字濾波和抽取單元的輸出端連接。
2.根據權利要求1所述的模數轉換採樣電路，其特徵在於，所述第一延時單元包括M個延時觸發器，所述第二延時單元包括K個延時觸發器，M= (X-1) *L，X為所述數字濾波和抽取單元的降採樣倍數，L為所述調製器輸出的數位訊號的位數，K=Y*N，N為所述數字濾波和抽取單元輸出的數位訊號的位數，Y為N位數位訊號中的每位數位訊號分別對應的延時觸發器個數，M、K，X，N, L，Y為正整數。
3.根據權利要求2所述的模數轉換採樣電路，其特徵在於，L=10
4.一種計量晶片，其特徵在於，包括:三個模數轉換採樣電路，分別與所述三個模數轉換採樣電路連接的第一電參量測量電路； 所述三個模數轉換採樣電路，用於分別對輸入的電壓信號、火線電流信號、零線電流信號進行採樣，並將採樣得到的電壓信號、火線電流信號、零線電流信號分別輸出到電壓輸出端、火線電流輸出端、零線電流輸出端； 所述第一電參量測量電路，用於根據所述採樣得到的電壓信號、火線電流信號、零線電流信號進行計算，得到電壓頻率的對應值、電壓與火線電流的相角的對應值、電壓與零線電流的相角的對應值。
5.根據權利要求4所述的計量晶片，其特徵在於，所述第一電參量測量電路包括:第一低通濾波器、第二低通濾波器、第三低通濾波器、第一過零脈衝產生器、第二過零脈衝產生器、第三過零脈衝產生器、電壓頻率計數器、第一相角計數器、第二相角計數器； 所述第一低通濾波器的輸入端連接所述電壓輸出端，所述第一低通濾波器的輸出端連接所述第一過零脈衝產生器的輸入端，所述第一過零脈衝產生器的輸出端連接所述電壓頻率計數器的輸入端、第一相角計數器的第一輸入端、第二相角計數器的第一輸入端，所述電壓頻率計數器的輸出端用於輸出電壓頻率的對應值； 所述第二低通濾波器的輸入端連接所述火線電流輸出端，所述第二低通濾波器的輸出端連接所述第二過零脈衝產生器的輸入端，所述第二過零脈衝產生器的輸出端連接所述第一相角計數器的第二輸入端，所述第一相角計數器的輸出端用於輸出電壓與火線電流相角的對應值； 所述第三低通濾波器的輸入端連接所述零線電流輸出端，所述第三低通濾波器的輸出端連接所述第三過零脈衝產生器的輸入端，所述第三過零脈衝產生器的輸出端連接所述第二相角計數器的第二輸入端，所述第二相角計數器的輸出端用於輸出電壓與零線電流相角的對應值。
6.根據權利要求4所述的計量晶片，其特徵在於，還包括:分別與所述三個模數轉換採樣電路連接的第二電參量測量電路； 所述第二電參量測量電路包括:第一計數器、90度移相器、第一數據選擇器、第二數據選擇器、第三數據選擇器、第四數據選擇器、第一乘法器、第四低通濾波器、第一加法器、第二乘法器、第一解碼器； 所述第一數據選擇器的第一輸入端、第三輸入端均連接所述火線電流輸出端，所述第一數據選擇器的第二輸入端、第四輸入端均連接所述零線電流輸出端，所述第一數據選擇器的輸出端連接到所述第一乘法器的第一輸入端； 所述第二數據選擇器的第一輸入端、第二輸入端均連接所述電壓輸出端，所述第二數據選擇器的第三輸入端、第四輸入端均連接所述90度移相器的輸出端，所述90度移相器的輸入端連接所述電壓輸出端，所述第二數據選擇器的輸出端連接到所述第一乘法器的第二輸入端； 所述第一乘法器的輸出端連接所述第四低通濾波器的輸入端，所述第四低通濾波器的輸出端連接所述第一加法器的第一輸入端； 所述第三數據選擇器的第一輸入端連接火線有功功率補償控制端，所述第三數據選擇器的第二輸入端連接零線有功功率補償控制端，所述第三數據選擇器的第三輸入端連接火線無功功率補償控制端，所述第三數據選擇器的第四輸入端連接零線無功功率補償控制端，所述第三數據選擇器的輸出端連接到所述第一加法器的第二輸入端； 所述第一加法器的輸出端連接所述第二乘法器的第一輸入端； 所述第四數據選擇器的第一輸入端連接火線有功功率增益控制端，所述第四數據選擇器的第二輸入段連接零線有功功率增益控制端，所述第四數據選擇器的第三輸入端連接火線無功功率增益控制端，所述第四數據選擇器的第四輸入端連接零線無功功率增益控制端，所述第四數據選擇器的輸出端連接到所述第二乘法器的第二輸入端； 所述第一解碼器的輸入端連接所述第二乘法器的輸出端； 所述第一數據選擇器、第二數據選擇器、第三數據選擇器、第四數據選擇器、第一解碼器的控制端均與所述第一計數器的輸出端連接，所述第一解碼器的第一輸出端、第二輸出端、第三輸出端、第四輸出端依次用於輸出火線有功功率的對應值、零線有功功率的對應值、火線無功功率的對應值、零線無功功率的對應值。
7.根據權利要求6所述的計量晶片，其特徵在於，還包括:分別與所述三個模數轉換採樣電路連接的第三電參量測量電路； 所述第三電參量測量電路包括:第二計數器、第五數據選擇器、第六數據選擇器、第七數據選擇器、第三乘法器、第五低通濾波器、平方根運算器、第二加法器、第四乘法器、第二解碼器； 所述第五數據選擇器的第一輸入端連接火線電流輸出端，所述第五數據選擇器的第二輸入端連接零線電流輸出端，所述第五數據選擇器的第三輸入端連接電壓輸出端，所述第五數據選擇器的輸出端連接所述第一乘法器的兩個輸入端； 所述第三乘法器的輸出端連接所述第五低通濾波器的輸入端；所述第五低通通濾波器的輸出端連接所述平方根運算器輸入端； 所述平方根運算器輸出端連接所述第二加法器的第一輸入端； 所述第六數據選擇器的第一輸入端連接火線電流有效值補償控制端，所述第六數據選擇器的第二輸入端連接零線電流有效值補償控制端，所述第六數據選擇器的第三輸入端連接電壓有效值補償控制端，所述第六數據選擇器的輸出端連接所述加法器的第二輸入端；所述第二加法器的輸出端連接所述第四乘法器的第一輸入端； 所述第七數據選擇器的第一輸入端連接火線電流有效值增益控制端，所述第七數據選擇器的第二輸入端連接零線電流有效值增益控制端，所述第七數據選擇器的第三輸入端連接電壓有效值增益控制端，所述第七數據選擇器的輸出端連接所述四乘法器的第二輸入端; 所述第四乘法器的輸出端連接所述第二解碼器的輸入端； 所述第五數據選擇器、第六數據選擇器、第七數據選擇器、第二解碼器的控制端均與所述第二計數器的輸出端連接，所述第二解碼器的第一輸出端、第二輸出端、第三輸出端依次用於輸出火線電流有效值的對應值、零線電流有效值的對應值、電壓有效值的對應值。
8.根據權利要求4?7中任一所述的計量晶片，其特徵在於，所述三個模數轉換採樣電路均為如權利要求1?3中任一所述的模數轉換採樣電路。
【文檔編號】G01R22/10GK104426548SQ201310400984
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年9月5日 優先權日:2013年9月5日
【發明者】曾加, 張旭, 谷志坤, 吳焜, 張偉 申請人:上海海爾集成電路有限公司