CN108957119A - 采样电路的双基准互检参数检测电路及电能计量芯片 - Google Patents

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CN108957119A CN201811149930.8A CN201811149930A CN108957119A CN 108957119 A CN108957119 A CN 108957119A CN 201811149930 A CN201811149930 A CN 201811149930A CN 108957119 A CN108957119 A CN 108957119A
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Abstract

本发明提供采样电路的双基准互检参数检测电路及电能计量芯片。所述电路包括：采样电路，使用差分输入电路获得采样电压；模数转换器，转换采样电压为数字电压信号输入到信号处理器；基准信号源，接入采样电路，输出电压信号到频率处理模块；频率处理模块，转换电压信号成包含频率信号的时钟信号，降频后输入到比较器；基准时钟，输入基准时钟信号到比较器；比较器，比较时钟降频信号和基准时钟信号，比较结果输入信号处理器；信号处理器，基于比较结果处理数字电压信号，实现电能计量及故障检测。本发明用差分采样电路抑制共模干扰提高计量精度和抗干扰能力；基准源电信号确定电路参数变化；基准时钟和基准电压、电流源互检增加了系统可靠性。

Description

采样电路的双基准互检参数检测电路及电能计量芯片
技术领域
本发明涉及asic(Application Specific Integrated Circuit，集成电路定制)技术领域，具体涉及采样电路的双基准互检参数检测电路及电能计量芯片。
背景技术
在智能电表领域，计量精度和可靠性至关重要，而这直接受电压和电流检测的影响，电压的检测一般使用分压电路，电流检测一般使用锰铜、电流互感器等。
发明人发现，在实际应用中，受环境因素影响，比如温度、大电流、电磁场等，容易使采样电路的参数发生改变，特别在目前采样电路中，对共模干扰基本没有抑制能力，造成电压测量出现误差，最终导致电能计量出现误差。而且，由于其在线监控和校准原理均基于基准源是恒定不变的，若基准源发生了偏移，则会出现错误的校准结果，导致电能误计量出现误差。
发明人还发现，在计量芯片中，芯片时钟的频率直接影响着采样、电能计量精度。一般情况下，该时钟频率是稳定可靠的，但是不排除一些情况下，时钟频率发生了变化，这同样也会导致电能误计量的问题。因此实时监控采样电路的参数，保证计量精度在允许的范围成了如今迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供采样电路的双基准互检参数检测电路及电能计量芯片，以解决采样电路的参数在线监控和自校准电路中的共模干扰问题、基准源和基准时钟的可靠性问题，以及由此造成参数测量出现误差，最终导致电能计量误差的问题。
本发明实施例提供一种采样电路的双基准互检参数检测电路，包括：
采样电路，使用差分输入电路获得采样电压；
模数转换器，转换所述采样电压为数字电压信号，将所述数字电压信号输入到信号处理器；
基准信号源，接入所述采样电路，输出电压信号到频率处理模块；
所述频率处理模块，将所述电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，再进行降频得到时钟降频信号，输入所述时钟降频信号到比较器；
基准时钟，计量所述参数检测电路的时钟，将基准时钟信号输入到所述比较器；所述时钟包括外部晶体产生的OSC(oscillator，晶振)时钟或内部RC时钟(RC振荡电路时钟)；
所述比较器，将所述时钟降频信号和所述基准时钟信号进行比较，将比较结果输入所述信号处理器；
所述信号处理器，基于所述比较结果，对所述数字电压信号进行处理，实现电能计量及故障检测。
进一步地，所述频率处理模块包括：
压频模块，将所述电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，输入所述时钟信号到分频器；
所述分频器，将所述时钟信号进行降频得到时钟降频信号，输入所述时钟降频信号到所述比较器。
进一步地，所述基准信号源的频率大于电网频率且不是所述电网频率的整数倍。
进一步地，所述采样电路包括第三电阻R0、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2。
进一步地，所述基准信号源包括基准电压源，其中，
所述第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2串联后与所述第一电容C1并联，并联后的电路与所述第三电阻R0串联采集电网N线和L线之间电压；所述基准电压源一端连接第一电阻R1、第二电阻R2的连接点，另一端连接到电源地。
进一步地，所述基准信号源包括基准电流源、检测模块，其中，
所述第三电阻R0连接在电网L线与电源地之间，所述第一电阻R1的一端连接在所述第三电阻R0与L线的连接点，所述第二电阻R2的一端连接在所述第三电阻R0连接所述电源地的一端，所述第一电阻R1、第二电阻R2的另一端分别经过所述第一电容C1、第二电容C2后连接所述电源地；
所述检测模块与所述第三电阻R0并联连接，所述基准电流源与所述检测模块连接，经所述检测模块输出电压信号到频率处理模块。
进一步地，所述模数转换器的一端连接在所述第一电阻R1、所述第一电容C1的连接端；所述模数转换器的另一端连接在所述第二电阻R2、所述第二电容C2的连接端。
本发明实施例还提供一种电能计量芯片，包括：
模数转换器，转换采样电压为数字电压信号，将所述数字电压信号输入到信号处理器；
基准信号源，接入采样电路，输出电压信号到频率处理模块；
所述频率处理模块，将所述电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，再进行降频得到时钟降频信号，输入所述时钟降频信号到比较器；
基准时钟，计量所述参数检测电路的时钟，将基准时钟信号输入到所述比较器；所述时钟包括外部晶体产生的OSC时钟或内部RC时钟；
所述比较器，将所述时钟降频信号和所述基准时钟信号进行比较，将比较结果输入所述信号处理器；
所述信号处理器，基于所述比较结果，对所述数字电压信号进行处理，实现电能计量及故障检测。
进一步地，所述频率处理模块包括：
压频模块，将所述电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，输入所述时钟信号到分频器；
所述分频器，将所述时钟信号进行降频得到时钟降频信号，输入所述时钟降频信号到所述比较器。
进一步地，所述基准信号源包括基准电压源或包括基准电流源与检测模块的组合。
本发明的技术方案，采样电路部分使用差分电路，能够有效抑制共模干扰，提高计量精度和抗干扰能力；通过检测采样电路上由基准源产生的电信号特征，来确定采样电路的参数是否发生了变化；同时，使用基准时钟和基准电压、电流源进行互检，增加了系统的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的采样电路的双基准互检参数检测电路组成示意图；
图2是本发明另一实施例提供的采样电路的双基准互检参数检测电路组成示意图；
图3是本发明一实施例提供的电能计量芯片组成示意图；
图4是本发明另一实施例提供的电能计量芯片组成示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本发明技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。其只是包含了本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本发明的各种变化获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明一实施例提供的采样电路的双基准互检参数检测电路组成示意图，所述电路包括采样电路11、模数转换器12、基准电压源13、频率处理模块14、基准时钟15、比较器16、信号处理器17。
采样电路11使用差分输入电路获得采样电压。模数转换器12转换所述采样电压为数字电压信号，将数字电压信号输入到信号处理器17。基准电压源13接入采样电路11，输出电压信号到频率处理模块14。频率处理模块14将电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，再进行降频得到时钟降频信号，输入时钟降频信号到比较器16。基准时钟15计量所述参数检测电路的时钟，将基准时钟信号输入到比较器16，所述时钟包括外部晶体产生的OSC时钟或内部RC时钟。比较器16将时钟降频信号和基准时钟信号进行比较，将比较结果输入信号处理器17。信号处理器17基于比较结果对数字电压信号进行处理，实现电能计量及故障检测。
频率处理模块14包括压频模块141、分频器142。
压频模块141将电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，输入时钟信号到分频器142。分频器142将时钟信号进行降频得到时钟降频信号，输入时钟降频信号到比较器16。
采样电路11包括第三电阻R0、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2。其中，第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2串联后与第一电容C1并联，并联后的电路与第三电阻R0串联采集电网N线和L线之间电压；基准电压源13的一端连接第一电阻R1、第二电阻R2的连接点，另一端连接到电源地。模数转换器12的一端连接在第一电阻R1、第一电容C1的连接端；模数转换器12的另一端连接在第二电阻R2、第二电容C2的连接端。
模数转换器12将第一电阻R1、第二电阻R2两端的电压转换成数字信号输入到信号处理器17之中。从基准电压源13中引出能够反映基准电压大小的电压信号，输入到压频模块141。压频模块141将该电压信号按照已知的关系转换成包含频率信号的时钟信号输入到分频器142，分频器142将该时钟进行降频，输入到比较器16之中。同时，比较器16还接收来自芯片基准时钟的时钟信号，将两者的频率进行比较并将结果输入给信号处理器17。
基准电压源13一般为交流信号，频率f1大于电网频率f0且不为电网频率f0的整数倍。基准电压源13如图所示的方式接在差分采样电路11之中。
由图可知，基准电压源13用于在线监控，检测外部检测电路的参数是否发生变化。基准电压和电网电压共同叠加在采样电路11之上，信号处理器17得到的电压信号既包含了电网电压信号也包含了基准电压信号，信号处理器17将该电压信号中频率为f0的信号量提取出来以确定电网的电压，将频率为f1的信号量提取出来，与预设的标准信号进行比较，来确定采样电路11的参数是否发生了变化。
由于基准时钟和基准电压源13一般是稳定可靠的，一般情况下只会有一种基准源发生偏移导致计量出现误差，两者同时出现问题的概率极小。所以若比较器16判定一切正常，都没有发生偏移，那么进行正常的电能计量。若比较器16发现两者的关系发生了变化，则判定为有一种基准源发生了偏移，供信号处理器17进行进一步处理。
图2是本发明一实施例提供的采样电路的双基准互检参数检测电路组成示意图，所述电路包括采样电路21、模数转换器22、基准电流源28、检测模块29、频率处理模块24、基准时钟25、比较器26、信号处理器27。
采样电路21使用差分输入电路获得采样电压。模数转换器22转换所述采样电压为数字电压信号，将数字电压信号输入到信号处理器27。检测模块29接入采样电路21，基准电流源28与检测模块29连接，经检测模块29输出电压信号到频率处理模块24。频率处理模块24将电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，再进行降频得到时钟降频信号，输入时钟降频信号到比较器26。基准时钟25计量所述参数检测电路的时钟，将基准时钟信号输入到比较器26，时钟包括外部晶体产生的OSC时钟或内部RC时钟。比较器26将时钟降频信号和基准时钟信号进行比较，将比较结果输入信号处理器27。信号处理器27基于比较结果对数字电压信号进行处理，实现电能计量及故障检测。
频率处理模块24包括压频模块241、分频器242。
压频模块241将电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，输入时钟信号到分频器242。分频器242将时钟信号进行降频得到时钟降频信号，输入时钟降频信号到比较器26。
采样电路21包括第三电阻R0、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2。其中，第三电阻R0连接在电网L线与电源地之间，第一电阻R1的一端连接在第三电阻R0与L线的连接点，第二电阻R2的一端连接在第三电阻R0连接电源地的一端，第一电阻R1、第二电阻R2的另一端分别经过第一电容C1、第二电容C2后连接电源地。
模数转换器22的一端连接在第一电阻R1、第一电容C1的连接端；模数转换器22的另一端连接在第二电阻R2、第二电容C2的连接端。
模数转换器22将第一电阻R1、第二电阻R2两端的电压转换成数字信号输入到信号处理器27之中。基准电流源28产生基准电流信号，检测模块29将基准电流信号按照已知关系转换成电压信号输入到压频模块241。压频模块241将该电压信号按照已知的关系转换成包含频率信号的时钟信号输入到分频器242，分频器242将该时钟进行降频，输入到比较器26之中。同时，比较器26还接收来自芯片基准时钟的时钟信号，将两者的频率进行比较并将结果输入给信号处理器27。
基准电流源28频率f1大于电网频率f0且不为电网频率f0的整数倍。
如图2所示，基准电流源28用于在线监控，检测外部检测电路的参数是否发生变化。基准电流源28的电流经检测模块29转换成电压和电网电压共同叠加在采样电路21之上，信号处理器27得到的电流信号既包含了电网电压信号也包含了基准电压信号，信号处理器27将该电压信号中频率为f0的信号量提取出来以确定电网的电压，将频率为f1的信号量提取出来，与预设的标准信号进行比较，来确定采样电路21的参数是否发生了变化。
由于基准时钟和基准电流源28一般是稳定可靠的，一般情况下只会有一种基准源发生偏移导致计量出现误差，两者同时出现问题的概率极小。所以若比较器26判定一切正常，都没有发生偏移，那么进行正常的电能计量。若比较器26发现两者的关系发生了变化，则判定为有一种基准源发生了偏移，供信号处理器27进行进一步处理。
图3是本发明一实施例提供的电能计量芯片组成示意图，所述电能计量芯片包括模数转换器32、基准电压源33、频率处理模块34、基准时钟35、比较器36、信号处理器37。
模数转换器32转换采样电压为数字电压信号，将数字电压信号输入到信号处理器37。基准电压源33接入采样电路，输出电压信号到频率处理模块34。频率处理模块34将电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，再进行降频得到时钟降频信号，输入时钟降频信号到比较器36。基准时钟35计量所述参数检测电路的时钟，将基准时钟信号输入到比较器36，时钟包括外部晶体产生的OSC时钟或内部RC时钟。比较器36将时钟降频信号和基准时钟信号进行比较，将比较结果输入信号处理器37。信号处理器37基于比较结果对数字电压信号进行处理，实现电能计量及故障检测。
频率处理模块34包括压频模块341、分频器342。压频模块341将电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，输入时钟信号到分频器342。分频器342将时钟信号进行降频得到时钟降频信号，输入时钟降频信号到比较器36。
基准电压源33的一端连接第一电阻R1、第二电阻R2的连接点，另一端连接到电源地。模数转换器32的一端连接在第一电阻R1、第一电容C1的连接端；模数转换器32的另一端连接在第二电阻R2、第二电容C2的连接端。
采样电路包括第三电阻R0、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2。模数转换器32将第一电阻R1、第二电阻R2两端的电压转换成数字信号输入到信号处理器37之中。从基准电压源33中引出能够反映基准电压大小的电压信号，输入到压频模块341。压频模块341将该电压信号按照已知的关系转换成包含频率信号的时钟信号输入到分频器342，分频器342将该时钟进行降频，输入到比较器36之中。同时，比较器36还接收来自芯片基准时钟的时钟信号，将两者的频率进行比较并将结果输入给信号处理器37。
基准电压源33用于在线监控，检测外部检测电路的参数是否发生变化。基准电压源33的信号一般为交流信号，频率f1大于电网频率f0且不为电网频率f0的整数倍。基准电压源33如图3所示的方式接在差分采样电路之中。
由图3可知，基准电压和电网电压共同叠加在采样电路之上，信号处理器37得到的电压信号既包含了电网电压信号也包含了基准电压信号，信号处理器37将该电压信号中频率为f0的信号量提取出来以确定电网的电压，将频率为f1的信号量提取出来，与预设的标准信号进行比较，来确定采样电路的参数是否发生了变化。
由于基准时钟和基准电压源33一般是稳定可靠的，一般情况下只会有一种基准源发生偏移导致计量出现误差，两者同时出现问题的概率极小。所以若比较器36判定一切正常，都没有发生偏移，那么进行正常的电能计量。若比较器36发现两者的关系发生了变化，则判定为有一种基准源发生了偏移，供信号处理器37进行进一步处理。
图4是本发明另一实施例提供的电能计量芯片组成示意图。所述电能计量芯片包括模数转换器42、基准电流源48、检测模块49、频率处理模块44、基准时钟45、比较器46、信号处理器47。
模数转换器42转换采样电压为数字电压信号，将数字电压信号输入到信号处理器47。检测模块49接入采样电路，基准电流源48与检测模块49连接，经检测模块49输出电压信号到频率处理模块44。频率处理模块44将电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，再进行降频得到时钟降频信号，输入时钟降频信号到比较器46。基准时钟45计量所述参数检测电路的时钟，将基准时钟信号输入到比较器46，时钟包括外部晶体产生的OSC时钟或内部RC时钟。比较器46将时钟降频信号和基准时钟信号进行比较，将比较结果输入信号处理器47。信号处理器47基于比较结果对数字电压信号进行处理，实现电能计量及故障检测。
频率处理模块44包括压频模块441、分频器442。压频模块441将电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，输入时钟信号到分频器442。分频器442将时钟信号进行降频得到时钟降频信号，输入时钟降频信号到比较器46。
采样电路包括第三电阻R0、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二电容C2。第三电阻R0连接在电网L线与电源地之间，第一电阻R1的一端连接在第三电阻R0与L线的连接点，第二电阻R2的一端连接在第三电阻R0连接电源地的一端，第一电阻R1、第二电阻R2的另一端分别经过第一电容C1、第二电容C2后连接电源地。检测模块29与第三电阻R0并联连接，基准电流源28与检测模块29连接，经检测模块29输出电压信号到频率处理模块24。模数转换器42将第一电阻R1、第二电阻R2两端的电压转换成数字信号输入到信号处理器47之中。
检测模块49接入采样电路，基准电流源48产生基准电流信号，经检测模块49将基准电流信号按照已知关系转换成电压信号输入到压频模块441。压频模块441将该电压信号按照已知的关系转换成包含频率信号的时钟信号输入到分频器442，分频器442将该时钟进行降频，输入到比较器46之中。同时，比较器46还接收来自芯片基准时钟的时钟信号，将两者的频率进行比较并将结果输入给信号处理器47。
基准电流源48频率f1大于电网频率f0且不为电网频率f0的整数倍。
如图4所示，基准电流源48用于在线监控，检测外部检测电路的参数是否发生变化。基准电流源48的电流经检测模块49转换成电压和电网电压共同叠加在采样电路之上，信号处理器47得到的电压信号既包含了电网电压信号也包含了基准电压信号，信号处理器47将该电压信号中频率为f0的信号量提取出来以确定电网的电压，将频率为f1的信号量提取出来，与预设的标准信号进行比较，来确定采样电路的参数是否发生了变化。
由于基准时钟和基准电流源48一般是稳定可靠的，一般情况下只会有一种基准源发生偏移导致计量出现误差，两者同时出现问题的概率极小。所以若比较器46判定一切正常，都没有发生偏移，那么进行正常的电能计量。若比较器46发现两者的关系发生了变化，则判定为有一种基准源发生了偏移，供信号处理器47进行进一步处理。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种采样电路的双基准互检参数检测电路，包括：
采样电路，使用差分输入电路获得采样电压；
模数转换器，转换所述采样电压为数字电压信号，将所述数字电压信号输入到信号处理器；
基准信号源，接入所述采样电路，输出电压信号到频率处理模块；
所述频率处理模块，将所述电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，再进行降频得到时钟降频信号，输入所述时钟降频信号到比较器；
基准时钟，计量所述参数检测电路的时钟，将基准时钟信号输入到所述比较器；所述时钟包括外部晶体产生的OSC时钟或内部RC时钟；
所述比较器，将所述时钟降频信号和所述基准时钟信号进行比较，将比较结果输入所述信号处理器；
所述信号处理器，基于所述比较结果对所述数字电压信号进行处理，实现电能计量及故障检测。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述频率处理模块包括：
压频模块，将所述电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，输入所述时钟信号到分频器；
所述分频器，将所述时钟信号进行降频得到时钟降频信号，输入所述时钟降频信号到所述比较器。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述基准信号源的频率大于电网频率且不是所述电网频率的整数倍。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述采样电路包括第三电阻R0、第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第二C2。
5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述基准信号源包括基准电压源，其中，
所述第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2串联后与所述第一电容C1并联，并联后的电路与所述第三电阻R0串联采集电网N线和L线之间电压；
所述基准电压源一端连接第一电阻R1、第二电阻R2的连接点，另一端连接到电源地。
6.根据权利要求4所述的电路，其中，所述基准信号源包括基准电流源、检测模块，其中，
所述第三电阻R0连接在电网L线与电源地之间，所述第一电阻R1的一端连接在所述第三电阻R0与L线的连接点，所述第二电阻R2的一端连接在所述第三电阻R0连接所述电源地的一端，所述第一电阻R1、第二电阻R2的另一端分别经过所述第一电容C1、第二电容C2后连接所述电源地；
所述检测模块与所述第三电阻R0并联连接，所述基准电流源与所述检测模块连接，经所述检测模块输出电压信号到频率处理模块。
7.根据权利要求5或6所述的电路，其中，所述模数转换器的一端连接在所述第一电阻R1、所述第一电容C1的连接端；所述模数转换器的另一端连接在所述第二电阻R2、所述第二电容C2的连接端。
8.一种电能计量芯片，包括：
模数转换器，转换采样电压为数字电压信号，将所述数字电压信号输入到信号处理器；
基准信号源，接入采样电路，输出电压信号到频率处理模块；
所述频率处理模块，将所述电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，再进行降频得到时钟降频信号，输入所述时钟降频信号到比较器；
基准时钟，计量所述参数检测电路的时钟，将基准时钟信号输入到所述比较器；所述时钟包括外部晶体产生的OSC时钟或内部RC时钟；
所述比较器，将所述时钟降频信号和所述基准时钟信号进行比较，将比较结果输入所述信号处理器；
所述信号处理器，基于所述比较结果，对所述数字电压信号进行处理，实现电能计量及故障检测。
9.根据权利要求8所述的电能计量芯片，其特征在于，所述频率处理模块包括：
压频模块，将所述电压信号转换成包含频率信号的时钟信号，输入所述时钟信号到分频器；
所述分频器，将所述时钟信号进行降频得到时钟降频信号，输入所述时钟降频信号到所述比较器。
10.根据权利要求8所述的电能计量芯片，其特征在于，所述基准信号源包括基准电压源或包括基准电流源与检测模块的组合。
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