CN102323457A

CN102323457A - 可编程斩波增益放大器在电能计量芯片中的应用

Info

Publication number: CN102323457A
Application number: CN201110144638A
Authority: CN
Inventors: 钟书鹏; 谭年熊
Original assignee: Hangzhou Vango Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Vango Science & Technology Co Ltd; Hangzhou Vango Technologies Inc
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2012-01-18

Abstract

本发明公开了一种可编程斩波增益放大器在电能计量芯片中的应用，可编程斩波增益放大器位于芯片外的传感器和芯片内模数转换器之间；可编程斩波增益放大器包括8个开关K1～K8、4个电阻R1～R4和运算放大器U1；运算放大器本身较大的低频噪声在第二次斩波时被搬移到斩波频率附近，从而实现了运算放大器低频噪声和信号的分离，提高了信噪比；采用本发明后，计量芯片可在25uV到50mV的宽信号输入范围内达到0.1%的精度。

Description

可编程斩波增益放大器在电能计量芯片中的应用

技术领域

本发明涉及电气装置领域，尤其涉及一种可编程斩波增益放大器在电能计量芯片里的应用。

背景技术

目前，越来越多的电能表从机械式转变为电子式，相比之下，电子式电能表在计量精度、寿命、功能等方面有许多优势。电子式电能表的核心是电能计量芯片，计量芯片将电网上50Hz的电压、电流信号用模数转换器（ADC）转换成数字信号，再用数字信号处理单元（DSP）对数字信号进行处理，可获得能量、功率、有效值、谐波分量、电网频率等众多信息。

电能表要在很宽的电流动态范围（例如1：2000）内实现0.1%的精度。计量电流的ADC前端信号大小和传感器类型相关，对于目前广泛使用的锰铜传感器来说，额定电流对应的电流信号大小一般只有2.5mV。那么1：2000动态范围对应的电流信号大小为25uV到50mV，所以要求用来测量电流的ADC在25uV的信号下还需有0.1%的精度。

测量电流的ADC对精度如此高的要求会带来三方面的挑战：一、CMOS工艺的基础器件如PMOS/NMOS管在50Hz附近的噪声是比较高的，这种噪声称为闪烁噪声。较高的噪声会降低小电流信号下的计量精度，例如25uV信号下要求0.1%精度等效于要求噪声必须小于25nV，考虑到噪声的随机特性，甚至会要求噪声小于10nV；二、电能表会处在复杂的电磁环境下，这种环境下电磁干扰会进入计量电流的ADC的输入端，和50Hz的电流信号混杂在一起，导致电流信号的失真，从而带来计量误差。三、电能计量芯片的供电是从220V电网上通过变压器或者阻容式电源获得的，这种供电方式可能会在芯片地（VSS）上带来一些不希望的50Hz干扰信号。目前绝大多数电能计量芯片里ADC的信号输入共模电平都是VSS，这样芯片地上的50Hz干扰信号很容易串到计量电流的ADC输入端，从而带来计量误差。例如，串到计量电流ADC输入端的信号只要达到50nV，即可带来0.2%的计量误差。

针对信号太小的问题，目前很多电能计量芯片也使用了可编程增益放大器，但这种可编程增益放大器是通过增加模数转换器的前端采样电容来实现的，不是一个独立的增益放大器，其降低等效噪声的能力有限。并且，对上述的后两个问题不能起到有益的作用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可编程斩波增益放大器在电能计量芯片中的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种可编程斩波增益放大器在电能计量芯片中的应用，可编程斩波增益放大器位于芯片外的传感器和芯片内模数转换器之间；可编程斩波增益放大器包括8个开关K1～K8、4个电阻R1～R4和运算放大器U1等；可编程斩波增益放大器有两个输入端INP/INN，两个输出端OUTP/OUTN；开关K1和K2的一端作为可编程斩波增益放大器的正输入端，开关K3和K4的一端作为可编程斩波增益放大器的负输入端；开关K1和K3的另一端分别连到电阻R1的一端，开关K2和K4的另一端连到电阻R2的一端；电阻R1的另一端和电阻R3的一端连到运算放大器U1的负输入端，电阻R2的另一端和电阻R4的一端连到运算放大器U1的正输入端；开关K5和K6的一端分别与电阻R3的另一端相连，同时连到运算放大器U1的正输出端；开关K7和K8的一端与电阻R4的另一端相连，同时连到运算放大器U1的负输出端；开关K5和K7的另一端作为可编程斩波增益放大器的正输出端，开关K6和K8的另一端作为可编程斩波增益放大器的负输出端；差分输入信号INP/INN为传感器产生的50Hz电压信号；K1-K8可分为两组，这两组时钟为无交叠反相关系；工作中，当K1/K4/K6/K7为高电平时，相应的开关打开，电阻R1连到INP，R2连到INN，R3连到OUTN，R4连到OUTP；当K2、K3、K5、K8为高电平时，相应的开关打开，电阻R1连到INN，R2连到INP，R3连到OUTP，R4连到OUTN；如此，经过两组斩波时钟处理，信号先被搬移到斩波频率附近，经运算放大器放大后，再由运算放大器后面的一组开关斩波处理，信号搬回到50Hz的位置，从而完成斩波放大；运算放大器本身较大的低频噪声在第二次斩波时被搬移到斩波频率附近，从而实现了运算放大器低频噪声和信号的分离，提高了信噪比；采用本发明后，计量芯片可在25uV到50mV的宽信号输入范围内达到0.1%的精度。

本发明的有益效果是：

1）通过可编程斩波增益放大器对输入信号以及噪声的频谱搬移处理，将芯片基础器件（PMOS/NMOS）较高的低频噪声搬移到高频，从而实现噪声和信号在频率上的分离，提高信噪比。

2）计量芯片处于高频电磁干扰时，可编程斩波增益放大器的输入端会引入一些高频干扰信号（一般是80MHz到1G）。在本发明的电路结构里，增益放大器形成一个一阶的低通滤波器，截止频率在2MHz附近，所以引入的高频干扰信号会被这个滤波器大大衰减，从而明显改善芯片的抗电磁干扰能力。采用本发明后，计量芯片在高频电磁场干扰下，计量误差小于0.3%，明显好于国家标准的2%。

3）编程斩波增益放大器输入端的信号共模电平是VSS，但是放大器输出端的共模电平已经是高于VSS的一个电压了。因此ADC的输入信号共模电平上升，避开了VSS上50Hz的工频干扰。

附图说明

图1为可电能计量芯片的结构图；

图2为可编程斩波增益放大器的电路图；

图3为可编程斩波增益放大器的工作时序图。

具体实施方式

如图1所示，本发明可编程斩波增益放大器（PGA）是电能计量芯片里的一个模块，位于芯片外的传感器和芯片内模数转换器之间。

如图2所示，可编程斩波增益放大器包括8个开关K1～K8、4个电阻R1～R4和运算放大器U1。可编程斩波增益放大器有两个输入端INP/INN，两个输出端OUTP/OUTN。开关K1和K2的一端作为可编程斩波增益放大器的正输入端，开关K3和K4的一端作为可编程斩波增益放大器的负输入端；开关K1和K3的另一端分别连到电阻R1的一端，开关K2和K4的另一端连到电阻R2的一端；电阻R1的另一端和电阻R3的一端连到运算放大器U1的负输入端，电阻R2的另一端和电阻R4的一端连到运算放大器U1的正输入端；开关K5和K6的一端分别与电阻R3的另一端相连，同时连到运算放大器U1的正输出端；开关K7和K8的一端与电阻R4的另一端相连，同时连到运算放大器U1的负输出端；开关K5和K7的另一端作为可编程斩波增益放大器的正输出端，开关K6和K8的另一端作为可编程斩波增益放大器的负输出端。

差分输入信号INP/INN为传感器产生的50Hz电压信号。K1-K8这8个开关的时序图如图3所示，它们可分为两组，这两组时钟为无交叠反相关系。工作中，当K1/K4/K6/K7为高电平时，相应的开关打开，电阻R1连到INP，R2连到INN，R3连到OUTN，R4连到OUTP；当K2/K3/K5/K8为高电平时，相应的开关打开，电阻R1连到INN，R2连到INP，R3连到OUTP，R4连到OUTN；如此，经过两组斩波时钟处理，信号先被搬移到斩波频率附近，经运算放大器放大后，再由运算放大器后面的一组开关斩波处理，信号搬回到50Hz的位置，从而完成斩波放大。运算放大器本身较大的低频噪声在第二次斩波时被搬移到斩波频率附近，从而实现了运算放大器低频噪声和信号的分离，提高了信噪比。采用本发明后，计量芯片可在25uV到50mV的宽信号输入范围内达到0.1%的精度。

Claims

1.一种可编程斩波增益放大器在电能计量芯片中的应用，其特征在于，可编程斩波增益放大器位于芯片外的传感器和芯片内模数转换器之间；可编程斩波增益放大器包括8个开关K1～K8、4个电阻R1～R4和运算放大器U1等；可编程斩波增益放大器有两个输入端INP/INN，两个输出端OUTP/OUTN；开关K1和K2的一端作为可编程斩波增益放大器的正输入端，开关K3和K4的一端作为可编程斩波增益放大器的负输入端；开关K1和K3的另一端分别连到电阻R1的一端，开关K2和K4的另一端连到电阻R2的一端；电阻R1的另一端和电阻R3的一端连到运算放大器U1的负输入端，电阻R2的另一端和电阻R4的一端连到运算放大器U1的正输入端；开关K5和K6的一端分别与电阻R3的另一端相连，同时连到运算放大器U1的正输出端；开关K7和K8的一端与电阻R4的另一端相连，同时连到运算放大器U1的负输出端；开关K5和K7的另一端作为可编程斩波增益放大器的正输出端，开关K6和K8的另一端作为可编程斩波增益放大器的负输出端；差分输入信号INP/INN为传感器产生的50Hz电压信号；K1-K8可分为两组，这两组时钟为无交叠反相关系；工作中，当K1/K4/K6/K7为高电平时，相应的开关打开，电阻R1连到INP，R2连到INN，R3连到OUTN，R4连到OUTP；当K2、K3、K5、K8为高电平时，相应的开关打开，电阻R1连到INN，R2连到INP，R3连到OUTP，R4连到OUTN；如此，经过两组斩波时钟处理，信号先被搬移到斩波频率附近，经运算放大器放大后，再由运算放大器后面的一组开关斩波处理，信号搬回到50Hz的位置，从而完成斩波放大；运算放大器本身较大的低频噪声在第二次斩波时被搬移到斩波频率附近，从而实现了运算放大器低频噪声和信号的分离，提高了信噪比；采用本发明后，计量芯片可在25uV到50mV的宽信号输入范围内达到0.1%的精度。