CN103091552A - 预校准电能计量电路及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预校准电能计量电路及校准方法，至少包括采样模块、模数转换模块、数字信号处理模块、校准寄存器及接口模块以及校准模块，其中，该校准寄存器通过接口接收校准控制台写入的校准数据以控制该校准模块的工作状态，该校准模块根据该校准寄存器的设置控制工作状态，并对该模数转换模块的调制器传输函数进行调整，通过本发明，即可以实现电能表的电能测量精度预校准，同时本发明可以兼容原有电子式电能表外围电路，无需重新设计PCB板。

Description

预校准电能计量电路及校准方法

技术领域

本发明涉及计量芯片领域，特别是涉及一种应用于电能计量电路的预校准电能计量电路及校准方法。

背景技术

图1为现有的一种无校准功能的电能计量电路结构示意图。如图1所示，无校准功能的电能计量电路包括采样模块、模数转换模块、数字信号处理模块、基准模块以及时钟频率转换模块，采样模块对电流信号及电压信号进行采样后送至模数转换模块进行模数转换，转换后的电流数字量及电压数字量送入数字信号处理模块处理，生成计量参数。

然而，经过图1获得的计量参数往往不准确，电子式电能表在出厂前，一般都需要对其测量精度进行校准，以满足有关电能计量技术规范标准的要求。

目前，电子式电能表常用的校准方法主要有两种：硬件校准和软件校准。

硬件校准是在电子式电能表PCB应用板上，电压采样通道设计电阻分压器网络，通过短接分压器网络电阻，改变线电压衰减来调准采样电压，从而实现校表目的。硬件校准方法需要根据误差情况手工短接适当的电阻，调整速度慢；且电阻分压网络的校验范围有限(一般为±30％)，对于超出校验范围的电能计量电路，需要手工更换、焊接分压网络中的电阻，增加了硬件成本，还容易因虚焊假焊影响电表计量的精度。

软件校准，则一般是在电能计量电路内部设计校准寄存器，通过MCU向校准寄存器写入校准值来实现校准。现有的软件校准方法或技术有两类，一类是在对线电压/电流信号进行模数转换前，预先对模拟信号进行增益调制，如上海华园微电子技术有限公司于2003年6月26日申请的申请号为03129510.X的中国专利申请，然而这种方法需要设计高精度的模拟增益可调制放大电路，设计难度大，技术上不容易实现。

软件校准方法的另一类则是在将模拟线电压/电流信号转换为数字量后，对数字量进行增益调节。目前的带校准功能的电能计量产品多数按此方法实现。该方法适用于带通讯接口的计量电路，需要重新设计校准寄存器电路、数字信号处理电路，增加数字电路规模。采用该方法设计的电能计量产品应用时，需通过通讯接口外接EEPROM存储器；在校表时，校准数据存储到外部EEPROM存储器；电能表应用时，校准数据从EEPROM读出，通过通讯接口写入校准寄存器实现校准。然而对于无通讯接口的计量电路，往往需要设计校准寄存器电路、通讯接口电路及数字信号运算电路等模块，增加通讯引脚，无法兼容原有外围电路，必须重新设计PCB板，成本高。

发明内容

为克服现有技术的上述缺点，本发明的主要目的在于提供一种结构简单、无需增加大量电路规模的预校准电能计量电路，其可以完全兼容原有电子式电能表外围电路，无需重新设计PCB板，同时又能有效提高电能表测量精度，降低了校表成本。

为达上述及其它目的，本发明提供一种预校准电能计量电路，至少包括采样模块、模数转换模块及数字信号处理模块，另外，该预校准电能计量电路还包括校准寄存器及接口模块以及校准模块，该校准寄存器通过接口接收校准控制台写入的校准数据以控制该校准模块的工作状态，该校准模块根据该校准寄存器的设置控制工作状态，并对该模数转换模块的调制器传输函数进行调整。

进一步地，该模数转换模块由Sigma-Delta ADC实现。

进一步地，该Sigma-Delta ADC为二阶Sigma-Delta ADC，其至少包括积分器、比较器以及数模转换器的反馈环。

进一步地，该校准寄存器为非易失性可编程单元，其通过复用引脚实现编程接口，作为该校准寄存器及接口模块的接口电路。

进一步地，在测试校准时，复用引脚用于编程该校准寄存器；正常工作时，该校准寄存器值保持不变，复用引脚正常使用。

进一步地，若该电能计量电路为带通讯接口的电能计量电路，采用内部寄存器电路作为该校准寄存器，该校准寄存器及接口模块的接口电路与该通讯接口复用，该校准数据暂存到外部EEPROM存储器，然后通过该通讯接口写入该校准寄存器。

进一步地，该校准寄存器的位宽由该校准模块的校准范围决定。

进一步地，该电能计量电路还包括基准模块以及时钟频率转换模块，该基准模块用于产生该电能计量电路工作所需的基准电压信号，并为该采样模块和该模数转换模块提供基准电压；该时钟与频率转换模块为该采样模块、该模数转换模块及该数字信号处理模块提供时钟信号及输出脉冲频率基准信号。

为达上述及其它目的，本发明还提供一种预校准电能计量电路的校准方法，包括如下步骤：

步骤一，该电能计量电路输出电参量计量结果给校准控制台；

步骤二，该校准控制台根据该电参量计量结果计算出初测误差值及校准补偿数据；

步骤三，根据该校准补偿数据，计算出要补偿该误差值所需调整的调制器系数范围；

步骤四，根据需调整的调制器系数范围得出校准模块的工作状态，并得到对应的校准寄存器值；

步骤五，将校准数据写入校准寄存器，控制该校准模块工作在步骤四得出的状态；以及

步骤六，该电能计量电路重新计量并输出新的电参量计量结果至该校准控制台。

进一步地，步骤六后还包括如下步骤：该校准控制台判断计量误差是否符合要求，若符合，则完成校表；若不符合，重复步骤二至步骤六之过程。

与现有技术相比，本发明一种预校准电能计量电路及校准方法通过设置校准寄存器控制校准模块，对模数转换模块的调制器传输函数系数进行微调处理，改变模拟信号经过模数转换模块转换后数字量的大小，从而实现对电能计量电路测量精度进行校准的功能；本发明之预校准电能计量电路的校准结构简单，无需增加大量电路规模，应用时完全兼容原有电子式电能表外围电路，无需重新设计PCB板，同时又能有效提高电能表测量精度，降低了校表成本，是电能计量芯片领域一个高效灵活的选择。

附图说明

图1为现有的一种无校准功能的电能计量电路结构示意图；

图2为本发明一种预校准电能计量电路之较佳实施例的电路结构框图；

图3为本发明中模数转换模块调制器的一种实施例结构示意图；

图4是本发明之预校准电能计量电路的校表应用框图；

图5本发明之预校准电能计量电路的校准方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图2为本发明一种预校准电能计量电路之较佳实施例的电路结构框图。如图2所示，本发明一种预校准电能计量电路，至少包括采样模块201、模数转换模块202、数字信号处理模块203、校准寄存器及接口模块204、校准模块205、基准模块206以及时钟频率转换模块207。

其中，采样模块201用于采样电流信号和线电压信号，供给模数转换模块202(ADC)处理；模数转换模块202，把采样模块201采样的电流信号和线电压信号转换为对应的电流信号数字量和电压信号数字量，供数字信号处理模块203处理，由于计量精度要求，一般模数转换模块由Sigma-Delta ADC实现；数字信号处理模块203，对电流信号数字量和电压信号数字量进行滤波处理并进行运算，计算得到瞬时功率值，瞬时功率值累加得到电能计量值，输出给外部MCU(未示出)处理；校准寄存器及接口模块204，可通过接口对校准寄存器写校准值来控制校准模块205的工作状态，校准寄存器的位宽由校准模块205的校准范围决定；校准模块205，根据校准寄存器的设置控制工作状态，直接对模数转换模块202的调制器传输函数系数做细微调整；基准模块206，用于产生电路工作所需的基准电压信号，并为采样模块201和模数转换模块202提供基准电压；时钟与频率转换模块207，为采样模块201、模数转换模块202、数字信号处理模块203等提供时钟信号及输出脉冲频率基准信号。

图3为本发明中模数转换模块调制器的一种实施例结构示意图，如图3所示，模数转换模块202为二阶的Sigma-Delta调制器，Vin为模拟量输入，Dout为数字量输出。

Sigma-Delta调制器以极高的抽样频率对输入模拟信号进行抽样，并对两个抽样之间的差值进行低位量化，从而得到用低位数码表示的数字信号，即∑-Δ码；然后将该码送到数字抽取滤波器进行抽取滤波，得到高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号，其结构近似于双斜率模数转换器，除了增益放大部分外，还包括积分器、比较器以及数模转换器(DAC)的反馈环，由于Sigma-Delta调制器的结构为现有技术，在此不予赘述。需进一步说明的是，为了使不同幅度的信号经过Sigma-Delta调制器调制后线性度保持一致，校准模块对Sigma-Delta调制器的反馈系数b1做细微调整。

在本发明较佳实施例中，对于无通讯接口的电能计量电路，可以采用非易失性可编程单元作为校准寄存器，引脚复用实现编程接口。在测试校准时，复用引脚用于编程校准寄存器；正常工作时，校准寄存器值保持不变，复用引脚正常使用，完全兼容原有电子式电能表外围电路及PCB板，这里采用的非易失性可编程单元可以是熔丝、OTP ROM、EEPROM等非易失性存储器件；而对于带通讯接口的计量电路，校准寄存器可以采用非易失性可编程单元结构，如前面所述，或者也可采用内部寄存器电路作为校准寄存器，接口电路跟原有的通讯接口复用，校准数据暂存到外部EEPROM存储器，通过通讯接口写入校准寄存器实现校准，完全兼容原有电子式电能表外围电路及PCB板。

在此需说明的是，对应于处理单相多通道电流和电压信号，或者三相电流和电压信号，本发明之带测量精度预校准功能的电能计量电路分别为单相电能计量电路或者三相电能计量电路。

图4是本发明之预校准电能计量电路的校表应用框图，图5本发明之预校准电能计量电路的校准方法的步骤流程图。以下将配合图4及图5进一步说明本发明之预校准电能计量电路的校准方法，该方法步骤如下：

步骤501，校准初始化，本发明之预校准电能计量电路输出电参量计量结果(计量参量)给校准控制台；

步骤502，校准控制台根据上述电参量计量结果，计算得出初测误差值及校准补偿数据；

步骤503，根据上述校准补偿数据，推算出要补偿该误差值所需调整的调制器系数范围；

步骤504，由需调整的调制器系数范围推算校准模块的工作状态，并得到对应的校准寄存器值；

步骤505，将校准数据写校准寄存器，控制校准模块工作在步骤504得出的状态；

步骤506，计量电路重新计量输出电参量结果，并送给校准控制台；

步骤507，校准控制台判断计量误差是否符合要求，若符合，则完成校表；若不符合，重复步骤502至步骤506过程。

承上所述，由于不管是硬件校准方法，还是软件校准方法，对计量精度的校准归根结底是通过调整信号幅度来实现的。模拟信号经过模数转换模块转换为数字量的大小，直接跟模数转换模块的调制器相关，那么通过微调调制器传输函数的系数，就可以实现对电能计量电路测量精度进行校准的目的。正是基于上述思路，本发明提出了一种带测量精度预校准功能的电能计量电路及校准方法，其可以实现电能测量精度预校准，同时兼容原有电子式电能表外围电路，无需重新设计PCB板。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种预校准电能计量电路，至少包括采样模块、模数转换模块及数字信号处理模块，其特征在于：该预校准电能计量电路还包括校准寄存器及接口模块以及校准模块，该校准寄存器通过接口接收校准控制台写入的校准数据以控制该校准模块的工作状态，该校准模块根据该校准寄存器的设置控制工作状态，并对该模数转换模块的调制器传输函数进行调整。

2.如权利要求1所述的预校准电能计量电路，其特征在于：该模数转换模块由Sigma-Delta ADC实现。

3.如权利要求2所述的预校准电能计量电路，其特征在于：该Sigma-DeltaADC为二阶Sigma-Delta ADC，其至少包括积分器、比较器以及数模转换器的反馈环。

4.如权利要求1所述的预校准电能计量电路，其特征在于：该校准寄存器为非易失性可编程单元，其通过复用引脚实现编程接口，作为该校准寄存器及接口模块的接口电路。

5.如权利要求4所述的预校准电能计量电路，其特征在于：在测试校准时，复用引脚用于编程该校准寄存器；正常工作时，该校准寄存器值保持不变，复用引脚正常使用。

6.如权利要求1所述的预校准电能计量电路，其特征在于：若该电能计量电路为带通讯接口的电能计量电路，采用内部寄存器电路作为该校准寄存器，该校准寄存器及接口模块的接口电路与该通讯接口复用，该校准数据暂存到外部EEPROM存储器，然后通过该通讯接口写入该校准寄存器。

7.如权利要求1所述的预校准电能计量电路，其特征在于：该校准寄存器的位宽由该校准模块的校准范围决定。

8.如权利要求1所述的预校准电能计量电路，其特征在于：该电能计量电路还包括基准模块以及时钟频率转换模块，该基准模块用于产生该电能计量电路工作所需的基准电压信号，并为该采样模块和该模数转换模块提供基准电压；该时钟与频率转换模块为该采样模块、该模数转换模块及该数字信号处理模块提供时钟信号及输出脉冲频率基准信号。

9.一种预校准电能计量电路的校准方法，包括如下步骤：

步骤一，该电能计量电路输出电参量计量结果给校准控制台；

步骤二，该校准控制台根据该电参量计量结果计算出初测误差值及校准补偿数据；

步骤三，根据该校准补偿数据，计算出要补偿该误差值所需调整的调制器系数范围；

步骤四，根据需调整的调制器系数范围得出校准模块的工作状态，并得到对应的校准寄存器值；

步骤五，将校准数据写入校准寄存器，控制该校准模块工作在步骤四得出的状态；以及

步骤六，该电能计量电路重新计量并输出新的电参量计量结果至该校准控制台。

10.如权利要求9所述的预校准电能计量电路的校准方法，其特征在于，步骤六后还包括如下步骤：

该校准控制台判断计量误差是否符合要求；

若符合，则完成校表；若不符合，重复步骤二至步骤六之过程。

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