CN1453591A - 功率计量的一种简单乘法计算电路 - Google Patents

Abstract

一种全电子式功率(能量)计量中进行功率计算而采用的简单结构，借助它可计算从电网实际获取功率的瞬时值。具体内容为：分别对电流和电压通路进行采样，内部放大后再分别经过∑Δ过采样转换器产生1位数据流输出；对电流通路的1位数据流输出进行降采样滤波和低通滤波，产生一个16位的数据流输出；电流通路的16位数据流输出和电压通路的1位数据流输出进行相乘，得到瞬时功率信号；瞬时功率信号经过低通滤波，得到有功功率分量(即直流分量)，再经过数字功率—频率转换器可得到驱动计度器的频率信号。

Description

功率计量的一种简单乘法计算电路

技术领域

本发明涉及电能计量领域，更详细地，涉及一种全电子式功率(能量)计量中进行功率计算而采用的一种简单结构，借助它可计算从电网实际获取功率的瞬时值。

背景技术

随着电子技术的不断发展，全电子功率计量技术已经进入到科技的各个领域，样式不断创新，运用范围愈趋广泛，发挥着其不可替代的作用。

以目前运用于单相电子式电度表中的电能计量芯片来说，最具有代表性的主流功率计算主要有以下几种方式：例如BL0932(上海贝岭微电子制造有限公司的产品)，AD(E)7755(美国模拟器件公司产品)，或美国专利US 4 980 634国际专利分类为G01R 007/12；G01R 021/06；G01R 021/133。但这些使用于功率计量中的乘法计算电路结构，却都未能尽如人意，而存在有待改进的缺点。

功率的基本计算原理如下：

根据对视在功率、有功功率和能量的定义，假设输入的电压信号为V(t)＝Vcos(ω·t)，输入的电流信号为I(t)＝Icos(ω·t)，则视在功率P(t)由以下公式求得：

P(t)＝V(t)·I(t)＝Vcos(ω·t)×Icos(ω·t)

即： $P\left(t\right)=\frac{V\×I}{2}[1+\cos (2\mathrm{\ω}\·t)]$

其中的直流分量 $P_0=\frac{V\×I}{2}$ 即为需要计量的有功功率分量，在实际的电路实现中通常通过一个低通滤波器(LPF)获得。

其中BL0932(上海贝岭微电子制造有限公司的产品)的实现原理如附图一所示。

虽然此类电路可以很精确计算功率(远优于1％)，但此类电路多采用BICMOS工艺来实现(其采用模拟乘法器)，在电磁兼容性(EMC)上却难以达到标准，现在正逐渐被AD(E)7755所取代。

其中AD(E)7755(美国模拟器件公司产品)的实现原理如附图二所示：

AD(E)7755在功率计算中存在着以下几个缺点：

1)两路ADC均为16位的输出，所以都包含降采样滤波器和LPF，结构比较复杂，芯片规模大。

2)两路ADC均为16位的输出，所以乘法器相应地为16乘16的乘法器，所用电路规模较大。

3)由于电流和电压两路中存在着失调，失调信号相乘后将产生一个直流分量，通过低通滤波后产生有功功率，故而失调将对有功功率产生一个固定的误差。为了消除失调的影响，AD(E)7755采用在电流通路中加入相位校正和高通滤波，从而消除这一路信号的失调，相乘后就不产生一个直流分量，不会对有功功率产生一个固定的误差。为达到消除失调的目的，引入了相位校正和高通滤波电路，增加了设计的复杂度和工艺控制的难度。

因此，鉴于上述缺点和不足，需要寻求一种低成本的简化电路，在精减元件降低功率测量装置的成本的同时，保持或甚至改善其精度。

发明内容

本发明对以上问题提供了这样一个解决方案。其旨在简化电路，精减元件，降低功率测量装置的成本并保持或甚至改善其精度，借助它可计算实际上从电网获取功率的瞬时值。

本发明采用的技术方案如附图三所示：

1.分别对电流I(t)和电压V(t)通路进行采样，经内部放大器放大后再经过各自的∑Δ过采样转换器产生两个1位数据流输出。

2.对电流通路的1位数据流输出进行降采样滤波和低通滤波，产生一个16位的数据流输出。

3.电流通路的16位数据流输出和电压通路的1位数据流输出进行相乘，得到瞬时功率信号P(t)。

4.瞬时功率信号P(t)经过第二个低通滤波器(LPF2)滤波，得到有功功率分量(即直流分量)，再经过数字功率—频率转换器(Power To FrequencyConverter)可得到驱动计度器的频率信号Fo。

电压通路的过采样∑Δ转换器输出其数据流，电流通路的ADC输出的数据流随电压通路的输出数据流的不同而改变其极性。其乘法仅限制在符号的改变或与±1相乘上，能以简单的电路来实现。

在附图三所示的原理框图中，电流和电压通路采样后分别送入相应的放大电路放大后送入∑Δ过采样转换器完成模拟—数字转换，电流通路再进行降采样滤波和低通滤波后和电压通路的数据相乘，求得P(t)＝V_P(t)×I_P(t)；P(t)经过LPF后得有效功率P_D，送入功率—频率转换器，得到可直接驱动计度器的频率信号Fo。

附图四乘法器详细结构图中，Id为电流通路的数据流，Vd为电压通路的数据流，Md为数据相乘后的数据流。相乘后的数据流是电流通路的数据流根据电压通路的数据流的不同极性而输出的正相数据流或反相数据流。电压通路的输出数据为逻辑”1”时，输出数据为电流通路的输出数据；电压通路的输出数据为逻辑”-1”时，输出数据为电流通路的输出数据的反相。

其基本推导原理如下：

假设输入的电压信号为V(t)＝Vsin(ω·t)，输入的电流信号为I(t)＝Isin(ω·t+)，则视在功率P(t)由以下公式求得：

一段时间T内的电能W为：

乘法器输出的第一项是直流成分

它与视在功率

和功率因数cos成正比，即与有功功率成正比。而第二项是2倍于被测频率的交流成分

在本电路内部，乘法器的运算结果输出给低通滤波器，把第一项直流成分

取出，而滤掉第二项的交流成分

此功率测量装置可用于计算从电网获取功率的瞬时值，电网中电流和电压均是可变的，电压变化很小但可觉察，电流变化明显，因此它的有效值实质上代表功率，即如果从电网上获得的电流有一定的强度，则获得了功率。

对比目前所采用的一般技术，该方法的优点在于，通过简单的乘法结构，能有效地完成瞬时功率的计算。省去了一路降采样滤波器和低通滤波器，省去了相位校正和高通滤波器，省去了复杂的16乘16的数字乘法器，大大降低了芯片设计的复杂度和工艺控制的难度，有利于提高成品率。

附图说明

图一是BL0932的原理图。

图二是AD(E)7755原理图。

图三是本实用新型的原理图。

图四是所用乘法器详细结构图。

图五是过采样∑-Δ模拟数字转换器的频率响应图。

图六是低通滤波器的频率响应图。

图七是电压电流相乘后的频率响应图示。

具体实施方式

下面参照并非限定的实施例和附图对本发明作更详尽的说明。

本发明在具体实施时，可采取多种不同的电路方式，以下所述的是在考虑系统设计的复杂度和成本最小化时的一种最佳方案。

1.电压V(t)和电流I(t)经外部采样电路采样后采用差分对输入，内部采用斩波平衡输入的运算放大器进行放大。

2.放大后的信号分别经过一个二阶∑Δ过采样转换器转换为数字信号，本方案的∑Δ过采样转换器采用开关电流方式。

3.电流通路的降采样滤波器和低通滤波器均为标准的数字处理系统中的数字滤波器。

4.乘法器采用如附图四中所示的结构来完成。

5.相乘后的LPF集成了降采样滤波器、低通滤波器和累加器，由于降采样滤波器和低通滤波器均为滤得近似为直流的信号，所以可以简单的由加1或减1的累加器实现滤波累加功能

6.功率—频率转换电路由一些简单的向上/向下计数器来完成乘和除的功能，来实现频率的转换，再由简单的分频电路来产生可直接驱动计度器和步进电机的频率信号。

上面的有关本发明的特定描述是用于对本发明的形象说明，它并不限制本发明的应用方式和范围。虽然本发明通过上面特定描述来阐述，但显然对于本领域的一般技术人员而言可容易地实现另外的优点和进行修改。因此在不背离附权利要求及等同范围所限定的一般的概念的精神和范围的情况下，在最广泛的方面本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。

Claims (8)

1、一种全电子式功率(能量)计量中进行功率计算而采用的简单结构，其特征在于：

包含两个放大电路，两个∑Δ过采样转换器，一个降采样滤波电路，两个低通滤波器，一个乘法器电路和一个数字功率—频率转换器；且

分别对电流和电压通路进行采样，经内部放大器放大后再经过各自的∑Δ过采样转换器产生两个1位数据流输出；对电流通路的1位数据流输出进行降采样滤波和低通滤波，产生一个16位的数据流输出；然后电流通路的16位数据流输出和电压通路的1位数据流输出通过乘法器电路进行相乘，得到瞬时功率信号；瞬时功率信号经过第二个低通滤波器滤波，得到有功功率分量(即直流分量)，再经过数字功率—频率转换器可得到驱动计度器的频率信号。

2、根据权利要求1所述的结构，其特征在于，电压V(t)和电流I(t)经外部采样电路采样后采用差分对输入，内部采用斩波平衡输入的运算放大器进行放大。

3、根据权利要求1所述的结构，其特征在于，放大后的电流和电压信号分别经过一个二阶∑Δ过采样转换器转换为数字信号，本方案的∑Δ过采样转换器采用开关电流方式。

4、根据权利要求1所述的结构，其特征在于，电流通路的降采样滤波器和低通滤波器均为标准的数字处理系统中的数字滤波器。

5、根据权利要求1所述的结构，其特征在于，相乘后的第二个低通滤波器LPF集成了降采样滤波器、低通滤波器和累加器，由于降采样滤波器和低通滤波器均为滤得近似为直流的信号，所以可以简单的由加1或减1的累加器实现滤波累加功能。

6、根据权利要求1所述的结构，其特征在于，功率—频率转换电路由一些简单的向上/向下计数器来完成乘和除的功能，进而实现频率的转换，再由简单的分频电路来产生可直接驱动计度器和步进电机的频率信号。

7、根据权利要求1所述的结构，其特征在于，电压通路的过采样∑Δ转换器输出其数据流，电流通路的ADC输出的数据流随电压通路的输出数据流的不同而改变其极性，可以用简单的电路来使其乘法仅限制在符号的改变或与±1相乘上。

8、根据权利要求1所述的结构，其特征在于，本发明中的乘法器运用了简单的逻辑结构使相乘后的数据流是电流通路的数据流根据电压通路的数据流的不同极性而输出的正相数据流或反相数据流，电压通路的输出数据为逻辑”1”时，输出数据为电流通路的输出数据；电压通路的输出数据为逻辑”-1”时，输出数据为电流通路的输出数据的反相。

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