CN108700618B - 多通道系统的串扰校准 - Google Patents

Abstract

在所描述的示例中，一种诸如电子仪表的系统，其包括单端模拟到数字转换器，该模拟到数字转换器易受串扰的影响。为了校准和消除串扰影响，该系统确定(308)电压诱发的串扰相对于电压是同相还是异相。该系统基于最小和最大测量的电流值和电压确定第一校准因子(306)。如果串扰是同相的，则该系统将第二校准因子设置(310)为0。如果串扰是异相的，则当功率因子角度被设置为90度(312)时，该系统基于测量的电流(314)计算(316)第二校准因子。校准因子可以被存储在多通道系统中。在使用中，系统测量电流和电压，并且基于测量的电流和电压通过采用使用校准因子的串扰消除技术计算实际电流、电压和功率。

Description

多通道系统的串扰校准

背景技术

在模拟或混合信号系统中，当存在多个信号通道时，通道间的串扰会显著影响信号的准确性。这种混合信号系统的一个示例是功率测量电路，它可以使用模拟到数字转换器(ADC)来测量电压和电流以计算功率。电压和电流信号路径之间的串扰对功率计算的准确性有很大的影响。这个问题在使用单端ADC的系统中更加明显，因为这种系统包括由多个通道(例如，电压和电流)共享的返回接地路径。共用的返回使系统更容易受到串扰影响。

发明内容

在所描述的示例中，一种诸如电子仪表的系统，其包括单端模拟到数字转换器，该模拟到数字转换器易受串扰的影响。为了校准和消除串扰影响，该系统确定电压诱发的串扰相对于电压是同相还是异相。该系统基于最小和最大测量的电流值和电压确定第一校准因子。如果串扰是同相的，则该系统将第二校准因子设置为0。如果串扰是异相的，则当功率因子角度被设置为90度时，该系统基于测量的电流计算第二校准因子。校准因子可以被存储在多通道系统中。在使用中，系统测量电流和电压，并且基于测量的电流和电压通过采用使用校准因子的串扰消除技术计算实际电流、电压和功率。

附图说明

图1示出了根据各种示例的电子仪表电路。

图2示出了根据各种示例的图1的电子仪表的等效电路图。

图3是说明根据各种示例的同相串扰的矢量图。

图4是说明根据各种示例的异相串扰的矢量图。

图5示出了根据各种示例耦合到测试系统以执行校准过程的电子仪表。

图6是根据各种示例的用于校准电子仪表的方法。

图7是根据各种示例的由电子仪表在现场中执行的一种方法，以基于在校准过程期间确定的校准因子来补偿测量的电流。

图8是可用在图1的电子仪表中的电压感测电路的示例。

图9是可用在图1的电子仪表中的电流感测电路的示例。

具体实施方式

在本说明书中，术语“耦合”(“couple”或“couples”)指的是间接或直接有线或无线连接。例如，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以通过直接连接或经由其他设备和连接通过间接连接完成。

如上文所描述的，多通道系统中的通道间串扰可能不利地影响信号测量准确性，特别是在使用单端ADC的系统中。本文所描述的实施例提供了解决此问题的校准技术，从而允许单端ADC用于低成本的数据采集解决方案中。在电子仪表的背景下，下文提供了这样的实施例的示例，但是该原理可以应用于其他类型的多通道系统。

图1示出了根据各种实施例的电子仪表100的框图。说明性仪表100接收两个输入信号，电压和电流。电路100包括电压传感器102、电流传感器104、电压放大器106、电流放大器108和ADC 110。电子仪表100采用多通道单端ADC 110，这意味着在电压和电流通道之间共享返回接地路径111。从电压放大器106观察，ADC 110具有指定为Zv的输入阻抗。类似地，从电流放大器108观察，ADC 110具有指定为Zi的输入阻抗。

由于诸如组件变化等因素，电压和电流路径中的每个的增益可以与其标称值不同。这种变化将会引起增益误差。一个固定增益校准通常可以足以补偿增益误差。每个路径也可以从传感器102、104向相应的ADC输入引入一定的相位延迟量，并致使相位误差。相位误差能够使用参考信号进行校准。校准的增益和相位延迟是静态的(常数)，并且在正常操作期间用在数字处理中，以补偿增益和相位误差。对于使用高精度ADC(诸如差分ADC)的传统电子仪表，通过仔细的电路板布局，信号之间的串扰通常能够被控制到最小值，并且静态增益和相位校准通常足以保证功率测量准确性。

然而，针对期望低成本单端ADC的电子仪表应用，由于多个信号的共用的返回路径，显著的串扰持续。由于以下原因，当电路中存在串扰时，上文所描述的增益和相位校准技术是不够的。首先，串扰随负载而变化。第二，串扰的影响还取决于电压和电流之间的相位角度(即，功率因子角度)。由于串扰变化取决于负载和功率因子，所以误差串扰的引入不能由传统的静态增益和相位校准来校正。

图2说明了图1的电子仪表100的电路原理模型。如上文所描述的，电子仪表采用共用接地结构。共用接地路径具有在图2中指定为ZGND的阻抗，虽然可能很小。电压V和电流I分别表示来自电压和电流放大器106、108的电压和电流信号输出。图2的示意图说明电压信号将通过ZGND耦合到电流信号，反之亦然。即使是精心设计的电路板布局，阻抗也将始终在共用的返回路径中。在低频下，接地阻抗ZGND趋向于表现得像纯电阻性负载。

图3是说明电压串扰对电流的影响的矢量图。图3示出电压和电流矢量V和I(以实线说明的)。矢量之间的角度(θ1)表示电压和电流之间的相位差，并且也可以被称为功率因子角度。指定为αV的矢量表示来自电压的电流上的串扰。串扰可以相对于电压V是同相或异相。图3说明了同相串扰，图4(下文所描述的)说明了异相串扰。

仍然参考图3，串扰因子α可以是正的或负的，并且因此同相串扰αV可以具有相对于电压V的0度或180度的相位角。图3示出了α为负的示例。异相串扰(图4)指的是αV处于相对于电压V的0度或180度以外的角度。串扰的量可能比电流I的量小得多，即αV<<I，因为ZGND通常是小的。当包含电子仪表100的组件的电路板被制造时，ZGND也被固定，这意味着α是常数。在电子仪表应用中，电压V趋向于保持不变，因为电源线电压通常不改变。由于αV的影响，在ADC 110处检测到的电流不同于I。在图3中，ADC测量的电流被指定为Im。相应地，电流传感器104产生电流I，但是ADC110数字化由电压信号路径产生的串扰αV导致的电流Im。此外，本文所描述的实施例提供了一种校准电子仪表的技术，以便允许由仪表从Im的测量中计算I。

如果αV是已知的，串扰能够通过从Im减去αV容易地被消除或被补偿以恢复I。下文描述的技术的目的是计算串扰因子α。V和I之间的功率因子角度θ1能够根据期望而变化。例如，在一些实施例中(并且如下文关于图5所描述的)，电子仪表100能够被连接到测试系统，该测试系统能够控制：提供给电子仪表的电压和电流的量；以及功率因子角度。当功率因子角变化时，αV相对于电流I的角度也是变化的。

如图3所示，Im在点P2处(在功率因子角度为0度处)是最小值和在点P1处(在功率因子角为180度处)是最大值。因此，通过扫描(使用测试系统)功率因子角度，找到最大和最小均方根(RMS)电流Im。如果Im的最小值和最大值与0和180度功率因子角度一致，则存在同相串扰。如果Im的最小值和最大值与0和180度功率因子角度不一致，则存在异相串扰。α的值能够被计算为：

其中，Im(P1)是当扫描功率因子角度时由ADC记录的最小RMS电流测量，并且Im(P2)是当扫描功率因子角度时，由ADC记录的最大RMS电流测量，以及V是由测试系统设置的电压的大小。相应地，测试系统设置V和I，并且然后当从电子仪表的ADC接收测量的电流(Im)值时，扫描功率因子(例如，从0到360度)。测试系统检测最小和最大Im值，计算差值并且用所述差值除以二倍的电压V。对于同相和异相串扰二者，相同的方法被用于获得串扰因子α。

如果在电流上的电压串扰是完全同相的，则α的所述计算将成为充分的校准因子，以完全校准电子仪表100并消除串扰的影响。在同相串扰的情况下，电子仪表100测量电压(V)和电流(I)，以及计算没有串扰影响下的电流为：

I＝Im+αV (2)

然而，根据一些实施例，在电流上的电压串扰相对于电压V是异相的情况下，则计算附加校准因子。图4说明耦合的阻抗ZGND不是纯电阻性的情形。如所示，αV矢量(实线)与V(实线)不是一条直线，并且αV矢量相对于V具有θ2的相位差。相位差θ2是(校准因子α以外的)第二校准因子，其能够用于在面对电流上电压的异相串扰时校准电子仪表。校准因子θ2能够通过将功率因子角度(V和I之间)设置为90度并且测量产生的电流大小来计算。图4中将电流大小示出为IM2，并且如图所示与点P4一致。θ2的值计算为：

在包括两个校准因子α和θ2的情况下，电子仪表能够补偿测量的电流Im，如下：

I＝Im+αVe^e2 (4)

在一些实施例中，方程(4)被用于补偿测量的电流，无论串扰相对于电压是同相还是异相。如果串扰是同相，则θ2将为0。因此，电流补偿方程(4)简化为方程(2)。如果串扰异相，则测试系统如上文描述计算θ2，并且仍然使用方程(4)。

图5说明在校准因子确定过程期间，耦合到测试系统200的电子仪表100。该过程可以在制造电子仪表时或随后执行，但优选地在该仪表被用于测量电压和电流之前执行。下文描述的过程可以在仪表的寿命期间只执行一次或多次。

测试系统200包括电压和电流控制件208，该电压和电流控制件208包括能够产生电压和电流的电压和电流发生器，所述电压和电流的大小由处理器202指定，并且产生所述电压和电流处的功率因子角度也由处理器202指定。功率因子能够由测试系统200设定为特定值(例如，90度)或能够被扫描一定范围的值(例如，0到360度)。测试系统200可以实施为计算机、定制的独立测试设备或任何其他类型的电子系统。一般地，测试系统200产生用于校准电子仪表100的高精度电压和电流源信号。

电子仪表包括电压和电流传感器102和104、放大器106和108、ADC 110、处理器120、校准因子存储器122和发送器124。ADC 110可以是处理器120的组件，或者可以是与处理器120分离的。处理器120包括校准(CAL)代码125和仪表代码127。CAL代码125包括可由处理器120执行的机器指令，以执行本文所描述的校准，并且该仪表代码包括可由处理器120执行的机器指令，以在运行时间期间操作仪表以由仪表用户测量功耗。电子仪表200的功率计算结果可以经由发送器124发送到测试系统200。测试系统200能够验证和报告电子仪表的功率计算的准确性。所计算的校准因子(例如，θ2和α)由处理器120在CAL代码125的执行期间计算，并存储在CAL因子存储器122中，以便在执行仪表代码127的运行时间期间以后使用。

ADC 110的数字输出能够提供给处理器120，并且处理器120能够访问校准因子存储器122以存储计算的α和θ2校准因子。处理器120执行多个操作。例如，处理器120在校准时间期间，执行校准代码(125)以获得校准因子(122)；(2)在正常仪表操作期间，计算V、I、功率。

在图5的实施例中，校准代码125在电子仪表中执行以校准仪表。在其他实施例中，校准代码在处理器中包含的测试系统200中执行。在后面的实施例中，测试系统接收来自电子仪表的数字化电流和电压测量，计算校准因子，并将校准编程回到仪表中的CAL因子存储器122。

图6说明了根据各种实施例的由测试系统200和处理器120执行的校准过程的流程图。操作可以按所示的顺序执行，或者以不同的顺序执行。此外，可以同时执行两个或更多个操作，而不是顺序地执行。

在300处，测试系统200设置电流(I)和电压(V)，诸如通过电压和电流控制件208。I和V的大小可以指示现场中的电表所见的典型值，但通常可以是任何期望的值。

在302处，该方法包括扫描因子角度并记录最小和最大电流测量。测试系统200可以断言到电压和电流控制件208的信号，以从第一角度(例如，0度)到第二角度(例如，360度)扫描功率因子角度，而处理器120基于来自仪表ADC 110的数字化电流读数来计算电流。处理器120在功率因子角度扫描期间确定从ADC 110接收到的最小和最大电流测量。

在304处，校准过程还包括确定最小和最大电流测量是否与0和180度的功率因子角度一致。如果最小和最大电流测量与0和180度的功率因子角度一致，那么串扰被确定为同相。处理器202可以设置标志或变量来指示串扰是同相还是异相。

α校准因子的值在306处被计算。α的值可以按上文的方程(1)被计算为最大电流测量和最小电流测量之间的差值除以2*V。在308处，如果串扰被确定为同相，那么在310处，θ2校准因子的值被设置为0。否则，如果串扰被确定为异相，那么在312处，测试系统200将电压和电流之间的功率因子角度设置为90度。然后在314处，该方法包括测量电流，测量电流可以通过从ADC 110检索输出数字电流值来执行。然后在316处，该方法按上述方程(3)计算θ2校准因子。

在318处，处理器120将校准因子α和θ2写入到电子仪表110，诸如写入到仪表的校准因子存储器122。然后电子仪表能够被安装在现场中(例如，在住宅或者企业处)。

图7说明了在经使用校准因子编程以后的电表100的操作的方法示例。这些操作可以由处理器120在仪表中执行，并且可以按照所示的顺序执行，或者以不同的顺序执行。其中的两个或更多个操作可以同时执行，而不是顺序地执行。

在350和354处，仪表分别进行电压(V)和电流(Im)测量。该仪表可以被预先编程为这样做，或者可以接收指令以进行测量。

在354处，该仪表基于按照上述方程(4)中的校准因子α和θ2来补偿电流(Im)的测量的值。在356处，该仪表还可以基于电流(I)的补偿的值和电压(V)的测量的值来计算功率，并通过发送器124发送能量使用的数据(例如，计算的功率)。

电压和电流传感器102、104能够使用任何合适的传感器电路来实施。例如，图8说明电压传感器102的一个实施例。该传感器包括电阻器R1、R2、R3、R4和R5，电容器C1、C2和C3以及运算放大器OP1。图8中的电压传感器被配置为具有经由电阻器R4的负反馈的差分放大器电路。图9说明了电流传感器104的一个实施例。图9的示例中的电流传感器具有串联连接的两增益级370、375。

所有对于数值诸如功率因子角度(例如，0度、180度、360度)的引用都指代近似数值。因此，对90度的引用意味着近似90度。在一些实施例中，“近似”可以表示+/-5％。

在权利要求的范围内，所描述的实施例中的修改是可能的，并且其他实施例是可能的。

Claims (16)

1.一种校准电子仪表的方法，包括：

对所述电子仪表设置电流即I和电压即V；

当测量最小电流值和最大电流值时，扫描所述电压和所述电流之间的功率因子角度；以及

将第一校准因子计算为所述最小电流值和所述最大电流值之间的差除以2*V；

当电压诱发的串扰与所述电压是同相时，将第二校准因子设置为0；以及

当所述电压诱发的串扰与所述电压是异相时，基于当所述功率因子角度被设置为90度时测量的电流值来计算所述第二校准因子。

2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述电压诱发的串扰与所述电压是同相还是异相，包括确定所述最小电流值和所述最大电流值是否发生在0度和180度的功率因子角度处。

3.根据权利要求1所述的方法，其中当所述电压诱发的串扰与所述电压是异相时：

设置所述功率因子角度为90度；

测量所述电流值即Im；以及

基于Im和所述第一校准因子来计算所述第二校准因子。

4.根据权利要求1所述的方法，其中当所述电压诱发的串扰与所述电压是异相时：

设置所述功率因子角度为90度；

测量所述电流值即Im；以及

将所述第二校准因子计算为

5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述第一校准因子和所述第二校准因子加载到所述电子仪表中的存储器中。

6.一种校准装置，包括：

电压和电流控制件，所述电压和电流控制件可配置为以可控制的功率因子角度输出可控制的电压和电流；

电压和电流控制件用于：对电子仪表设置电流即I和电压即V；并且当记录由所述电子仪表测量的最小电流值和最大电流值时，致使所述电压和电流控制件扫描功率因子角度；以及

处理器，其经配置以将第一校准因子计算为所述最小电流值和所述最大电流值之间的差除以2*V，并且，当电压诱发的串扰与所述电压是异相时，基于所述第一校准因子和当所述功率因子角度被设置为90度时测量的电流值来计算第二校准因子。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述处理器经配置以确定所述电压诱发的串扰与所述电压是同相并且将所述第二校准因子设置为0。

8.根据权利要求6所述的装置，其中所述处理器进一步经配置以通过确定所述最小电流值和所述最大电流值是否发生在0度和180度的功率因子角度处，来确定所述电压诱发的串扰与所述电压是同相还是异相。

9.根据权利要求6所述的装置，其中当所述电压诱发的串扰与所述电压是异相时，所述处理器经配置以：

将所述功率因子角度设置为90度；

测量所述电流值即Im；以及

基于Im和所述第一校准因子计算所述第二校准因子。

10.根据权利要求6所述的装置，其中当所述电压诱发的串扰与所述电压是异相时，所述处理器经配置以：

将所述功率因子角度设置为90度；

测量所述电流值即Im；以及

将所述第二校准因子计算为

11.根据权利要求6所述的装置，其中所述处理器计算所述第一校准因子和所述第二校准因子，并且将所述第一校准因子和所述第二校准因子存储到所述电子仪表中的存储器中。

12.根据权利要求6所述的装置，其中所述处理器被包括在所述电子仪表中。

13.一种校准装置，包括：

电压传感器；

电流传感器；

单端模拟到数字转换器即ADC，其耦合到所述电压传感器和所述电流传感器，包括第一通道以将来自所述电压传感器的模拟电压信号转换为数字值和第二通道以将来自所述电流传感器的模拟电流信号转换为数字值；

处理器或微控制器，其耦合到所述ADC；以及

存储设备，其耦合到所述处理器和所述微控制器；

其中所述存储设备经配置以包括由所述处理器或微控制器计算的第一校准因子和第二校准因子，其中所述第一校准因子是考虑所述第一通道在所述第二通道上的串扰的串扰因子并且所述第二校准因子是功率因子角度；以及

其中所述处理器或所述微控制器经配置以：

执行校准过程，所述校准过程包括：

在所述功率因子角度被扫描时接收来自所述电压传感器的电压即V；

在所述功率因子角度被扫描时接收来自所述电流传感器的电流即Im；

在所述功率因子角度被扫描时记录最小电流值和最大电流值；

将第一校准因子计算为所述最小电流值和所述最大电流值之间的差除以所述电压的两倍，

当所述第一通道的串扰与所述电压是异相时，基于所述第一校准因子和当所述功率因子角度为90度时测量的电流来计算所述第二校准因子；

当所述第一通道的串扰与所述电压是同相时，将所述第二校准因子设置为0；以及

执行仪表操作，所述仪表操作包括：

在所述仪表操作期间接收来自所述电压传感器的所述电压即V；

在所述仪表操作期间接收来自所述电流传感器的电流即Im；

基于Im以及所述第一校准因子和所述第二校准因子计算电流值即I；以及

基于I和V计算功率值。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述处理器或者所述微控制器经配置以将I计算为：I＝Im+αVe^θ2，其中α是所述第一校准因子并且θ2是所述第二校准因子。

15.根据权利要求14所述的装置，其中θ2是0。

16.根据权利要求14所述的装置，进一步包括发送器，并且其中所述控制器经配置以通过所述发送器发送能量数据。

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