CN109061293A - 一种电压测量电路参数的检测电路和电能计量芯片 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及集成电路技术领域，公开了一种电压测量电路参数的检测电路和电能计量芯片。本申请的电压检测电路包括基准信号源、并联的第一和第二分压电路、以及电压测量模块，且将基准信号源耦合到第一分压电路中，如此通过将加有基准信号源的电压信号减去未加有基准信号源的电压信号，就能够直接分离出基准信号源信号。那么，当基准信号源的频率发生改变时，对此基准信号源信号的提取不会造成影响，而且通过对芯片内部硬件地改进，可以简化后续处理，增强了系统的可靠性。
Description
技术领域
本申请属于集成电路技术领域，特别涉及一种电路参数检测电路和电能计量芯片。
背景技术
在供电系统中，电能测量通常包括对电压、电流、功率等测量，其中电压测量是电子系统中不可或缺的一项技术。目前在计量芯片中通过内置ADC或外部模数转换器(Analogto Digital Converter，简称ADC)来对环境中的电压信号进行测量，然而在测量交流信号时，外部环境的改变并不能被ADC有效识别，这会造成测量误差。因此需要采用电压自动校准的测量电路和测量方法。
在现有的技术中，如图1所示的一种典型的具有电压自校准功能的电压检测装置，该电压测量装置包含了第一信号源、第二信号源(基准电压源)、分压电路、模数转换模块、以及信号处理模块。通过第一分压器、第二分压器将第一信号源的电压进行分压，然后测量第一信号源的电压值。在此基础上，在分压回路底部串联叠加一个高频的第二信号源(基准电压源)，最终得到的被检电压是第一信号源和第二信号源的混合电压，需要通过模数转换模块将被检电压转换为数字信号，最终由信号处理模块将该数字信号分解，从而得到第一信号源和第二信号源(基准电压源)的信号，再进行处理。由于基准电压源是固定不变的，所以信号处理模块根据被检电压中分解出来的基准电压源信号，能够检测出外部分压回路是否发生了改变，可以对电压测量模块进行补偿以达到自校准的目的。
该方法的硬件结构简单，但是如何在被检电压中将第一信号源和基准电压源信号分离开来有一定的技术难度，并且在实际应用中，基准电压源的电压幅值和频率随着温度、气压、电磁场等环境因素影响，并不能完全保持不变，特别是基准电压源的频率，比较容易受到影响，从而影响校准和补偿。
因此，如何在基准信号源的频率发生微小变化时，依然能够准确地提取出基准信号源的电压信号，这就成为本领域急需解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种电压测量电路参数的检测电路和电能计量芯片，在基准信号源的频率发生微小变化时，依然能够准确地提取出基准信号源的信号，在基准信号源稳定性不变的前提下，增加了整个系统的可靠性。
为了解决上述问题，本申请公开了一种电压测量电路参数的检测电路，包括与具有第一频率的第一信号源耦合的第一分压电路，与该第一分压电路并联的第二分压电路，电压测量模块和具有第二频率的第二信号源；
该第一分压电路包括依次串联的第一、第二和第三分压器；该第二信号源耦合到该第二、第三分压器的连接点；
该第二分压电路包括串联的第四和第五分压器；
该第一和第二分压器的连接点耦合到该电压测量模块的第一输入端；该第四和第五分压器的连接点耦合到该电压测量模块的第二输入端；
该电压测量模块用于通过检测该第一和第二输入端上的电压差异以确定该第一分压电路的电路参数是否发生变化；
该第一频率不同于该第二频率。
在一优选例中，该|第一分压器的阻抗|/|(该第二分压器的阻抗+该第三分压器的阻抗)|＝|该第四分压器的阻抗|/|该第五分压器的阻抗|。
在一优选例中，该电压测量模块进一步包括模数转换模块和信号处理模块；该模数转换模块用于分别对该第一和第二输入端上检测到的电压进行模数转换，得到第一电压值和第二电压值，再计算该第一和第二电压值的差值；该信号处理模块用于根据该差值计算第二频率的信号分量的幅值变化和/或相位变化确定该分压电路的电路参数是否发生变化。
在一优选例中，在该第二信号源和该第二、第三分压器的连接点之间设置有第一开关部件。
在一优选例中，在该第五分压器和地之间设置有第二开关部件。
在一优选例中，该第二信号源是交流的基准电流源。
在一优选例中，该第一至第五分压器为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。
在一优选例中，该第二频率不等于该第一频率的任意整数倍。
在一优选例中，本申请还公开了一种电能计量芯片，该电能计量芯片包括上述的检测电路。
在一优选例中，本申请还公开了一种电能计量芯片，且上述检测电路中除第一和第二分压电路之外的其他部件设置在该电能计量芯片内部，第一和第二分压电路设置在该电能计量芯片外部。
与现有技术相比，本申请的技术方案的创新在于：(1)通过在分压电路中加入基准电流源，来检测电路参数是否发生变化；(2)增加一路分压电路，使用加有基准信号的电压减去未加基准信号的电压，能够直接分离出基准信号，而且基准信号的频率发生改变时，对iref的提取不会造成影响；(3)通过硬件的改进，简化了后续处理的复杂性和系统的可靠性。通过这些技术改进，当上述基准电流源的频率发生微小变化时，仍然能够准确地提取出基准源的信号。在基准信号源稳定性不变的前提下，增加了整个系统的可靠性。
本申请的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本申请所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本申请上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征A+B+C，在另一个例子中公开了特征A+B+D+E，而特征C和D是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征E技术上可以与特征C相组合，则，A+B+C+D的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而A+B+C+E的方案应当视为已经被记载。
附图说明
图1是现有技术中一种典型的具有电压自校准功能的电压检测电路的电路框图
图2根据本申请第一实施方式中一种电压测量电路参数的检测电路的电路框图
图3根据本申请第一实施方式中一种电压测量电路参数的检测电路的具体电路图
其中，1-第一分压电路 2-第二分压电路
3-电压测量模块 4-第一输入端
5-第二输入端
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。
本申请的第一实施方式涉及一种电压测量电路参数的检测电路，其结构如图2所示，该检测电路包括与具有第一频率的第一信号源(例如交流电网)耦合的第一分压电路1，与该第一分压电路1并联的第二分压电路2，电压测量模块3和具有第二频率的第二信号源(例如交流的基准电流源)；
该第一分压电路1包括依次串联的第一、第二和第三分压器；该第二信号源耦合到该第二、第三分压器的连接点；
该第二分压电路2包括串联的第四和第五分压器；
该第一和第二分压器的连接点耦合到该电压测量模块3的第一输入端4；该第四和第五分压器的连接点耦合到该电压测量模块3的第二输入端5；
该电压测量模块3用于通过检测该第一输入端4和第二输入端5上的电压差异以确定该第一分压电路1的电路参数是否发生变化；
该电压测量模块3进一步包括模数转换模块和信号处理模块；该模数转换模块用于分别对该第一输入端4和第二输入端5上检测到的电压进行模数转换，得到第一电压值和第二电压值，再计算该第一和第二电压值的差值；该信号处理模块用于根据该差值计算第二频率的信号分量的幅值变化和/或相位变化确定该分压电路的电路参数是否发生变化。通过合理设置第一至第五分压器的阻抗，可以简化模数转换模块的处理，能够仅仅通过减法器来提取第二信号源的信号。
该第一频率不同于该第二频率，在一个优选例中，第二频率的数值大于第一频率的数值,该第二频率不等于该第一频率的任意整数倍,例如被测量电压Us频率为50Hz时，基准电流信号源iref频率可选为233Hz。具体的，本实施例中引入的第二信号源是一个不能被测量电压干扰的独立信号源，因此，第二信号源的第二频率与第一信号源的第一频率不能相同，也不能为整数倍。如果第二信号源的第二频率与第一信号源的第一频率相同或呈整数关系，第一频率与第二频率会出现信号共振或干扰信号，使得测量结果失真。
在一优选例中，|第一分压器的阻抗|/|(第二分压器的阻抗+第三分压器的阻抗)|＝|第四分压器的阻抗|/|第五分压器的阻抗|。
在另一个实施例中，|第一分压器的阻抗|/|(第二分压器的阻抗+第三分压器的阻抗)|也可以不等于|第四分压器的阻抗|/|第五分压器的阻抗|，此时，模数转换模块将不能通过直接相减来提取第二信号源的信号，需要增加一个乘法器，对第二输入端5的电压值乘以一个预定的系数，然后再与第一输入端4的电压值相减，从而得到第二信号源的信号，输出给信号处理模块。
可选地，在该第二信号源和该第二、第三分压器的连接点之间设置有第一开关部件。在该第五分压器和地之间设置有第二开关部件。通过这两个开关部件的闭合和断开，可以在选定的时机对分压电路的电路参数是否发生变化进行检测，而不是一直处于检测状态。在另一个实施例中，也可以不设置这两个开关部件。具体地，第一开关部件SW1和第二开关部件SW2可以是MOS管，第一开关部件SW1用来控制交流电流源iref的接入，通过开关信号发生器进行合理控制的时序来保证第一开关部件SW1和第二开关部件SW2的状态。正常测量时可将第一开关部件SW1和第二开关部件SW2断开，需要检测分压电路参数是否出现故障时可考虑将第一开关部件SW1和第二开关部件SW2同时闭合。
第一至第五分压器的实现方式可以是多种多样的。可选地，第一至第五分压器均为电阻。可选地，第一至第五分压器为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路；具体的，分压电路并不限定阻抗种类，也可以是任意多个的电阻、电容、电感等阻抗，也可以是它们的组合，例如电阻电容并联等阻抗。如果采样网络包含了电容、电感等元器件，可通过同时监测检测信号的幅度和相位改变量来定位故障源。
在一个实施例中，第二信号源使用直流电压源在时钟信号的控制下，通过开关器件将直流信号转换为交流信号。
为了更好理解上述技术方案，下面提供一个具体的例子。
如图3所示，是电压测量电路参数的检测电路的具体实例，此电路的第一信号源设置为电网，此电压检测电路包含具有基准信号源的第一分压电路1、第二分压电路2、基准电流源电路、电压测量模块3(包括数模转换模块和信号处理模块)。第一分压电路1由电阻器R1、R2、R3组成，基准电流源电路由基准电流源和与之串联的开关部件SW1组成，此基准电流源iref的频率为f1且与电网频率f0不相同，iref相当于与电阻器R3并联，同时，iref与电阻器R3并联后再依次与电阻器R2和R1串联。i0为交流电流，且i0＝i1+i2，电网流经电阻器R1、R2、R3的电流和i1共同作用，在电阻器R1和R2连接点产生包含有iref信息的电压Uo1。
第二分压电路2由电阻器R4、R5、R6和开关部件SW2串联组成，其中R1/(R2+R3)等于R4/(R5+R6)，电网电压经过第二分压电路2后变为Uo2。在模数转换模块中，对模拟形式的Uo1和Uo2进行模数转换，得到数字形式的Uo1和Uo2，然后Uo1减去Uo2，得到只包含iref信息的电压信号Uref，最后将Uref转换为数字信号送入信号处理模块。信号处理模块根据Uref的幅值、相位等信息，来判断电压测量电路的参数是否发生变化，并可以将电压测量值进行补偿校准。信号处理模块的处理方式是现有技术，这里不再详细说明了。
本申请的第二实施方式涉及一种电能计量芯片，该电能计量芯片包括了前述的检测电路。在本发明实施例中，检测电路集成在芯片内部，此时，芯片内部的检测电路不受外部环境的影响，进一步地，开关状态可以预先在电压测量模块3中设置后待启动后自行进行开关状态的切换。
本申请的第三实施方式涉及另一种电能计量芯片，如图2所示，该电能计量芯片包括前面所述的第一分压电路1和第二分压电路2以及检测电路。可选地，第一分压电路1和第二分压电路2集成在此集成电路的片外，此检测电路的其他器件集成在此集成电路的片内。
需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
在本申请提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本申请的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。
Claims (10)
1.一种电压测量电路参数的检测电路，其特征在于，包括与具有第一频率的第一信号源耦合的第一分压电路(1)，与所述第一分压电路(1)并联的第二分压电路(2)，电压测量模块(3)和具有第二频率的第二信号源；
所述第一分压电路(1)包括依次串联的第一、第二和第三分压器；所述第二信号源耦合到所述第二、第三分压器的连接点；
所述第二分压电路(2)包括串联的第四和第五分压器；
所述第一和第二分压器的连接点耦合到所述电压测量模块(3)的第一输入端；
所述第四和第五分压器的连接点耦合到所述电压测量模块(3)的第二输入端；
所述电压测量模块(3)用于通过检测所述第一和第二输入端上的电压差异以确定所述第一分压电路(1)的电路参数是否发生变化；
所述第一频率不同于所述第二频率。
2.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，
|所述第一分压器的阻抗|/|(所述第二分压器的阻抗+所述第三分压器的阻抗)|＝|所述第四分压器的阻抗|/|所述第五分压器的阻抗|。
3.根据权利要求2所述的检测电路，其特征在于，所述电压测量模块(3)进一步包括模数转换模块和信号处理模块；
所述模数转换模块用于分别对所述第一和第二输入端上检测到的电压进行模数转换，得到第一电压值和第二电压值，再计算所述第一和第二电压值的差值；
所述信号处理模块用于根据所述差值计算第二频率的信号分量的幅值变化和/或相位变化确定所述分压电路的电路参数是否发生变化。
4.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，在所述第二信号源和所述第二、第三分压器的连接点之间设置有第一开关部件。
5.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，在所述第五分压器和地之间设置有第二开关部件。
6.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第二信号源是交流的基准电流源。
7.根据权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第一至第五分压器为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的检测电路，其特征在于，所述第二频率不等于所述第一频率的任意整数倍。
9.一种电能计量芯片，其特征在于，所述电能计量芯片包括如权利要求1至8任一项所述的检测电路。
10.一种电能计量芯片，其特征在于，如权利要求1至8任一项所述的检测电路中除所述第一分压电路(1)和第二分压电路(2)之外的其他部件设置在所述电能计量芯片中，所述第一分压电路(1)和第二分压电路(2)设置在所述电能计量芯片之外。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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