CN110471017A - 功率标准源、计量芯片及计量装置 - Google Patents

功率标准源、计量芯片及计量装置 Download PDF

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杨承宁
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Abstract

本发明公开了一种功率标准源、计量芯片及计量装置，所述功率标准源包括标准源模块、标准电流输出模块和标准电压输出模块；所述标准源模块用于产生标准电流信号或标准电压信号；所述标准电流信号用于输出所述标准电流信号；所述标准电压输出模块用于输出所述标准电压信号。本发明通过自动生成标准电流或标准电压来实现对计量芯片的自动校准，无需厂家的配置校准台体，降低了生产计量产品厂家的门槛；另外，在不法分子修改了采样电阻的情况下，依然可以实现自动校准，保证了计量系统的长期精确运行，避免了电能资源被窃取的情况发生。

Description

功率标准源、计量芯片及计量装置
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，特别涉及一种功率标准源、计量芯片及计量装置。
背景技术
目前，对计量模块进行校准时，是通过计量台体给出精确的电流值或者电压值，如AC 220V 50Hz、100mA、500mA、1A等不同量值的电压以及电流，再通过计量外围采样电阻进行电流电压采样，然后将采样信号发送给计量芯片，最终标定出计量模块和外围电阻组成的整个计量芯片是准确的，这一过程称之为校准过程，一般在电表等其他计量器具出厂前进行。
在计量模块出厂使用时，通过已校准完成后的计量芯片对负载进行测量，即可测量出该负载使用的电压、电流等重要指标，继而得到该负载的功率、电能等其他关键性能参数。但是，现有的上述校准方式存在如下不足之处：
(1)厂家必须配置有比较精准的标准台体作为校准源使用，因此增加了厂家生产成本；
(2)在计量芯片实际使用过程中，当不法分子通过修改计量芯片中的采样电阻进行窃电时，计量就会失准，而这种情况除了拆除电表重新检验才能发现，因此很难避免窃电行为的发生。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中计量芯片存在基于标准台体、不可避免窃电行为发生等缺陷，提供一种计量芯片及其功率标准源。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供一种功率标准源，所述功率标准源包括标准源模块、标准电流输出模块和标准电压输出模块；
所述标准源模块分别与所述标准电流输出模块和所述标准电压输出模块电连接；
所述标准源模块用于产生标准电流信号或标准电压信号；
当所述标准源模块产生标准电流信号时，所述标准电流信号用于输出所述标准电流信号；
当所述标准源模块产生标准电压信号时，所述标准电压输出模块用于输出所述标准电压信号。
较佳地，所述功率标准源还包括通信模块和使能控制模块；
所述通信模块分别与所述标准源模块和所述使能控制模块电连接；
所述使能控制模块分别与所述标准电流输出模块和所述标准电压输出模块电连接；
所述通信模块用于接收校准指令，并根据所述校准指令分别控制所述标准源模块和所述使能控制模块；
当所述校准指令包括电流校准指令时，所述标准源模块用于产生对应的所述标准电流信号；
所述使能控制模块用于控制所述标准电流输出模块输出所述标准电流信号；
当所述校准指令包括电压校准指令时，所述标准源模块用于产生对应的所述标准电压信号；
所述使能控制模块用于控制所述标准电压输出模块输出所述标准电压信号。
较佳地，所述功率标准源还包括第一常开模拟开关和第二常开模拟开关；
所述第一常开模拟开关与所述标准电流输出模块电连接；
所述第二常开模拟开关与所述标准电压输出模块电连接；
所述使能控制模块用于通过控制所述第一常开模拟开关闭合来控制所述标准电流输出模块开启工作；
所述使能控制模块用于通过控制所述第二常开模拟开关闭合来控制所述标准电压输出模块开启工作。
较佳地，所述标准电流信号为交流电流信号，所述标准电压信号为交流电压信号；
所述功率标准源还包括第一转换模块和第二转换模块；
所述第一转换模块分别与所述标准源模块和所述标准电流输出模块电连接；
所述第二转换模块分别与所述标准源模块和所述标准电压输出模块电连接；
所述第一转换模块用于将所述标准电流信号对应的交流电流信号转换为直流电流信号；
所述标准电流输出模块用于输出所述直流电流信号；
所述第二转换模块用于将所述标准电压信号对应的交流电压信号转换为直流电压信号；
所述标准电压输出模块用于输出所述直流电压信号。
较佳地，所述功率标准源还包括电源模块；
所述电源模块与电源端电连接；
所述电源模块用于给所述功率标准源供电。
本发明还提供一种计量芯片，所述计量芯片包括上述的功率标准源。
较佳地，所述计量芯片还包括计量模块和采样电路；
所述采样电路分别与所述功率标准源和所述计量模块电连接；
所述采样电路用于根据所述功率标准源输出的所述标准电流信号获取采样电流并发送时所述计量模块；
所述采样电路还用于根据所述功率标准源输出的所述标准电压信号获取采样电压并发送时所述计量模块；
所述计量模块用于获取所述采样电流和所述采样电压；
所述计量模块还用于计算所述采样电流与所述标准电流信号的第一差值，以及计算所述采样电压与所述标准电压信号的第二差值，若所述第一差值小于第一阈值且所述第二差值小于第二阈值时，则确定校准成功；否则，确定校准不成功。
较佳地，当所述采样电路上连接有负载时，所述计量模块用于根据所述采样电路获取所述负载对应的电压值和电流值，并根据所述电压值和所述电流值计算得到所述负载的性能参数。
较佳地，所述性能参数包括所述负载的功率和/或电能。
较佳地，所述采样电路包括采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容和第三电容；
所述采样电阻的一端分别与电源端以及所述第一电阻的一端电连接，所述采样电阻的另一端与所述第二电阻的一端电连接，所述第一电阻的另一端分别与所述第一电容的一端以及所述计量模块的第一输入端电连接，所述第二电阻的另一端分别与所述第二电容的一端以及所述计量模块的第二输入端电连接，所述第一电容的另一端所述第二电容的另一端均接地；
所述第三电阻的一端与电源端电连接，所述第三电阻的另一端分别与所述第四电阻的一端、第三电容的一端以及所述计量模块的第三输入端电连接，所述第四电阻的另一端以及第三电容的另一端均接地；
所述标准电流输出模块的输出端与所述采样电阻的另一端电连接；
所述标准电压输出模块的输出端与所述计量模块的第三输入端电连接。
本发明还提供一种计量装置，所述计量装置包括上述的计量芯片；
当所述功率标准源包括通信模块时，所述计量装置还包括控制模块；
所述控制模块与所述通信模块电连接；
所述控制模块用于生成校准指令并发送至所述通信模块。
本发明的积极进步效果在于：
本发明中，通过配置标准源模块以及标准电流、电压输出模块，通过自动生成标准电流或标准电压来实现对计量芯片的自动校准，无需厂家的配置校准台体，降低了生产计量产品厂家的门槛(尤其适用于生产计量插座、充电桩等厂家)，降低了生产厂家的配置成本，进而提升了校准效率；另外，在不法分子修改了采样电阻的情况下，依然可以实现自动校准，从而保证了计量系统的长期精确运行，避免了电能资源被窃取的情况发生。
附图说明
图1为本发明实施例1的功率标准源的模块示意图。
图2为本发明实施例2的功率标准源的第一模块示意图。
图3为本发明实施例2的功率标准源的第二模块示意图。
图4为本发明实施例3的计量芯片的模块示意图。
图5为本发明实施例3的计量芯片的电路结构示意图。
图6为本发明实施例4的计量装置的电路结构示意图。
图7为本发明实施例4的计量装置在校准及测量时的电路结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，本实施例的功率标准源包括标准源模块1、标准电流输出模块2和标准电压输出模块3。
标准源模块1分别与标准电流输出模块2和标准电压输出模块3电连接。
标准源模块1用于产生标准电流信号或标准电压信号；
例如，标准源模块输出的标准电流信号对应的输出范围为100mA-1A，即电流档位可以包括100mA、200mA、500mA、1A等，且精度范围为万分之五以内。
标准源模块输出的标准电压信号对应的输出范围为50mV～200mV，且精度范围为万分之五以内。
另外，标准源模块输出标准电流信号以及标准电压信号的输出范围可以根据实际情况进行适应性调整。
当标准源模块1产生标准电流信号时，标准电流输出模块2用于输出标准电流信号；
当标准源模块产生标准电压信号时，标准电压输出模块3用于输出标准电压信号。
本实施例中，通过配置标准源模块以及标准电流、电压输出模块，通过自动生成标准电流或标准电压来实现对计量芯片的自动校准，无需厂家的配置校准台体，降低了生产计量产品厂家的门槛，降低了生产厂家的配置成本，进而提升了校准效率。
实施例2
如图2所示，本实施例的功率标准源是对实施例1的进一步改进，具体地：
功率标准源还包括通信模块4和使能控制模块5；
通信模块4分别与标准源模块1和使能控制模块5电连接；
使能控制模块5分别与标准电流输出模块2和标准电压输出模块3电连接；
通信模块4用于接收校准指令，并根据校准指令分别控制标准源模块1和使能控制模块5；
其中，校准指令由外部其他设备的主控模块如MCU(微控制器)发送；通信模块根据不同的校准指令识别得到与之对应的不同量值的电压或者电流，进而控制标准源模块产生对应量值的电流或者电压。
当校准指令包括电流校准指令时，标准源模块1用于产生对应的标准电流信号；
使能控制模块5用于控制标准电流输出模块2输出标准电流信号；
当校准指令包括电压校准指令时，标准源模块1用于产生对应的标准电压信号；
使能控制模块5用于控制标准电压输出模块3输出标准电压信号。
优选地，功率标准源还包括第一常开模拟开关6和第二常开模拟开关7；
第一常开模拟开关6与标准电流输出模块2电连接；
第二常开模拟开关7与标准电压输出模块3电连接；
其中，第一常开模拟开关设于标准电流输出模块的输出端，或者设于标准源模块与标准电流输出模块之间。
第二常开模拟开关设于标准电压流输出模块的输出端，或者设于标准源模块与标准电压输出模块之间。
使能控制模块5用于通过控制第一常开模拟开关6闭合来控制标准电流输出模块开启工作；
使能控制模块5用于通过控制第二常开模拟开关7闭合来控制标准电压输出模块开启工作。
功率标准源还包括电源模块8；
电源模块8与电源端电连接，电源模块8用于给功率标准源供电。
为了保证标准源模块1的精确特性，需要在功率标准源出厂前对其进行调试校准，该调试校准过程中产生的参数数据记录存储至功率标准源中的数据存储模块中，从而保证校准过程的可追溯性。
另外，标准电流信号为交流电流信号，标准电压信号为交流电压信号；
如图3所示，功率标准源还包括第一转换模块9和第二转换模块10；
第一转换模块9分别与标准源模块1和标准电流输出模块2电连接；
第二转换模块10分别与标准源模块1和标准电压输出模块3电连接；
第一转换模块9用于将标准电流信号对应的交流电流信号转换为直流电流信号；
标准电流输出模块2用于输出直流电流信号；
第二转换模块10用于将标准电压信号对应的交流电压信号转换为直流电压信号；
标准电压输出模块3用于输出直流电压信号。
即本实施例中的功率标准源既可以应用于交流自动校准，也可以应用于通过增加转换模块实现直流自动校准，从而提高了功率标准源的使用性能。
本实施例中，通过配置标准源模块以及标准电流、电压输出模块，通过自动生成标准电流或标准电压来实现对计量芯片的自动校准，无需厂家的配置校准台体，降低了生产计量产品厂家的门槛，降低了生产厂家的配置成本，进而提升了校准效率。
实施例3
本实施例的计量芯片包括实施例1或2中任意一个实施例的功率标准源。
如图4所示，本实施例的计量芯片还包括采样电路11和计量模块12。
采样电路11分别与功率标准源和计量模块12电连接；
采样电路11用于根据功率标准源输出的标准电流信号获取采样电流并发送时计量模块；
采样电路11还用于根据功率标准源输出的标准电压信号获取采样电压并发送时计量模块12；
计量模块12用于获取采样电流和采样电压；
计量模块12还用于计算采样电流与标准电流信号的第一差值，以及计算采样电压与标准电压信号的第二差值，若第一差值小于第一阈值且第二差值小于第二阈值时，则确定校准成功；否则，确定校准不成功。
具体地，如图5所示，采样电路包括采样电阻r(或互感器)、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C1和第三电容C3。
采样电阻r的一端分别与电源端以及第一电阻R1的一端电连接，采样电阻r的另一端与第二电阻R2的一端电连接，第一电阻R1的另一端分别与第一电容C1的一端以及计量模块的第一输入端IP电连接，第二电阻R2的另一端分别与第二电容C2的一端以及计量模块的第二输入端IN电连接，第一电容C1的另一端第二电容C2的另一端均接地；
第三电阻R3的一端与电源端电连接，第三电阻R3的另一端分别与第四电阻R4的一端、第三电容C3的一端以及计量模块的第三输入端VP电连接，第四电阻R4的另一端以及第三电容C3的另一端均接地；
标准电流输出模块2的输出端与采样电阻r的另一端电连接；
标准电压输出模块3的输出端与计量模块的第三输入端VP电连接。
当采样电路上连接有负载时，计量模块12用于根据采样电路获取负载对应的电压值和电流值，并根据电压值和电流值计算得到负载的性能参数。
其中，性能参数包括但不限于负载的功率、电能。
本实施例的功率标准源既可以与计量模块一起合封成为一枚芯片，也可以单独独立封装成一枚芯片与计量模块共同使用，这样保证同样适用于配置有校准台体的厂家使用，保证了普适性。
另外，可以定期发送校准指令，通过功率标准源生成标准电流或电压实现对计量芯片的自动校准，当不法分子修改了采样电阻时，则可以及时发现并及时进行自动校准，从而保证计量系统的长期精确运行。
本实施例中，通过配置标准源模块以及标准电流、电压输出模块，通过自动生成标准电流或标准电压来实现对计量芯片的自动校准，无需厂家的配置校准台体，降低了生产计量产品厂家的门槛，降低了生产厂家的配置成本，进而提升了校准效率；另外，在不法分子修改了采样电阻的情况下，依然可以实现自动校准，保证了计量系统的长期精确运行，避免了电能资源被窃取的情况发生。
实施例4
如图6所示，本实施例的计量装置包括实施例3中的计量芯片。
计量装置还包括控制模块13；
控制模块13与通信模块4电连接；
控制模块13用于生成校准指令并发送至通信模块4。
其中，通信模块通过URAT/SPI通讯方式(URAT/SPI均为一种通讯方式)获取校准指令。
如图7所示，在对计量芯片进行校准时，标准源模块、计量模块以及控制模块均与电源端电连接，其中电源端为220V交流电压，通过电源转换模块转化为3.3V的直流电压，该直流电压分别给标准源模块、计量模块以及控制模块供电。
在厂家(如电表生产厂家)完成计量装置整机生产后，通过对计量装置只加系统电压，不加市电，即在计量模块电流通道空载，电压通道空载条件下，通过计量装置的主控MCU(即控制模块)发起校准指令，控制计量芯片的功率标准源自动输出标准电流信号或标准电压信号，对计量模块的电流以及电压进行，采样通道加载一个稳定的交流信号，计量模块开始采样信号，并发送至MCU即完成计量装置的校准过程，并将校准参数存储至外部存储器。校准完成后，MCU控制功率标准源关断。
当采样电路上连接有负载Load时，该负载Load的两端分别与电源端电连接，同时采样电阻r的一端与电源端的火线L电连接，第三电阻R3的一端与电源端的零线N电连接；此时，计量模块用于根据采样电路获取负载对应的电压值和电流值，并根据电压值和电流值计算得到负载的性能参数。
另外，考虑到计量装置在实际运行中采样元件会发生老化或者会遭到不法分子的恶意更改等，从而影响计量装置的计量精度，由于电流通道采样一般有内部增益，所以电流采样值的改变影响远大于电压，而本实施例的计量芯片可以用于用户在使用中对外围电流采样改变引起的计量误差的纠正。因为是在计量装置实际运行中进行校准，所以要求MCU触发校准前需要检测电流通道信号值在较小(例如比内部加载的功率源小一个数量级)或者空载的情况进行校准，此情况下电压通道不校准。
本实施例的计量装置实现自动校准，无需厂家的配置校准台体，降低了生产计量产品厂家的门槛，降低了生产厂家的配置成本，进而提升了校准效率；另外，在不法分子修改了采样电阻的情况下，依然可以实现自动校准，保证了计量系统的长期精确运行，避免了电能资源被窃取的情况发生。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种功率标准源，其特征在于，所述功率标准源包括标准源模块、标准电流输出模块和标准电压输出模块；
所述标准源模块分别与所述标准电流输出模块和所述标准电压输出模块电连接；
所述标准源模块用于产生标准电流信号或标准电压信号；
当所述标准源模块产生标准电流信号时，所述标准电流输出模块用于输出所述标准电流信号；
当所述标准源模块产生标准电压信号时，所述标准电压输出模块用于输出所述标准电压信号。
2.如权利要求1所述的功率标准源，其特征在于，所述功率标准源还包括通信模块和使能控制模块；
所述通信模块分别与所述标准源模块和所述使能控制模块电连接；
所述使能控制模块分别与所述标准电流输出模块和所述标准电压输出模块电连接；
所述通信模块用于接收校准指令，并根据所述校准指令分别控制所述标准源模块和所述使能控制模块；
当所述校准指令包括电流校准指令时，所述标准源模块用于产生对应的所述标准电流信号；
所述使能控制模块用于控制所述标准电流输出模块输出所述标准电流信号；
当所述校准指令包括电压校准指令时，所述标准源模块用于产生对应的所述标准电压信号；
所述使能控制模块用于控制所述标准电压输出模块输出所述标准电压信号。
3.如权利要求2所述的功率标准源，其特征在于，所述功率标准源还包括第一常开模拟开关和第二常开模拟开关；
所述第一常开模拟开关与所述标准电流输出模块电连接；
所述第二常开模拟开关与所述标准电压输出模块电连接；
所述使能控制模块用于通过控制所述第一常开模拟开关闭合来控制所述标准电流输出模块开启工作；
所述使能控制模块用于通过控制所述第二常开模拟开关闭合来控制所述标准电压输出模块开启工作。
4.如权利要求1所述的功率标准源，其特征在于，所述标准电流信号为交流电流信号，所述标准电压信号为交流电压信号；
所述功率标准源还包括第一转换模块和第二转换模块；
所述第一转换模块分别与所述标准源模块和所述标准电流输出模块电连接；
所述第二转换模块分别与所述标准源模块和所述标准电压输出模块电连接；
所述第一转换模块用于将所述标准电流信号对应的交流电流信号转换为直流电流信号；
所述标准电流输出模块用于输出所述直流电流信号；
所述第二转换模块用于将所述标准电压信号对应的交流电压信号转换为直流电压信号；
所述标准电压输出模块用于输出所述直流电压信号。
5.如权利要求1所述的功率标准源，其特征在于，所述功率标准源还包括电源模块；
所述电源模块与电源端电连接；
所述电源模块用于给所述功率标准源供电。
6.一种计量芯片，其特征在于，所述计量芯片包括权利要求1至5中任意一项所述的功率标准源。
7.如权利要求6所述的计量芯片，其特征在于，所述计量芯片还包括计量模块和采样电路；
所述采样电路分别与所述功率标准源和所述计量模块电连接；
所述采样电路用于根据所述功率标准源输出的所述标准电流信号获取采样电流并发送时所述计量模块；
所述采样电路还用于根据所述功率标准源输出的所述标准电压信号获取采样电压并发送时所述计量模块；
所述计量模块用于获取所述采样电流和所述采样电压；
所述计量模块还用于计算所述采样电流与所述标准电流信号的第一差值，以及计算所述采样电压与所述标准电压信号的第二差值，若所述第一差值小于第一阈值且所述第二差值小于第二阈值时，则确定校准成功；否则，确定校准不成功。
8.如权利要求7所述的计量芯片，其特征在于，当所述采样电路上连接有负载时，所述计量模块用于根据所述采样电路获取所述负载对应的电压值和电流值，并根据所述电压值和所述电流值计算得到所述负载的性能参数。
9.如权利要求8所述的计量芯片，其特征在于，所述性能参数包括所述负载的功率和/或电能。
10.如权利要求7所述的计量芯片，其特征在于，所述采样电路包括采样电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容和第三电容；
所述采样电阻的一端分别与电源端以及所述第一电阻的一端电连接，所述采样电阻的另一端与所述第二电阻的一端电连接，所述第一电阻的另一端分别与所述第一电容的一端以及所述计量模块的第一输入端电连接，所述第二电阻的另一端分别与所述第二电容的一端以及所述计量模块的第二输入端电连接，所述第一电容的另一端所述第二电容的另一端均接地；
所述第三电阻的一端与电源端电连接，所述第三电阻的另一端分别与所述第四电阻的一端、第三电容的一端以及所述计量模块的第三输入端电连接，所述第四电阻的另一端以及第三电容的另一端均接地；
所述标准电流输出模块的输出端与所述采样电阻的另一端电连接；
所述标准电压输出模块的输出端与所述计量模块的第三输入端电连接。
11.一种计量装置，其特征在于，所述计量装置包括权利要求6至10中任意一项所述的计量芯片；
当所述功率标准源包括通信模块时，所述计量装置还包括控制模块；
所述控制模块与所述通信模块电连接；
所述控制模块用于生成校准指令并发送至所述通信模块。
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