CN1952678A - 一种电能计量芯片验证系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电能计量芯片验证系统，电流路和电压路差分放大模块分别接收取自被测电网的电流路和电压路取样差分信号，差分放大后分别输入电流路和电压路模数转换模块，生成数字量电流路和电压路取样信号，输入FPGA；FPGA对数字量电流路和电压路取样信号抽取滤波，将滤波结果相乘生成功率数据，并将功率数据转换成脉冲形式输出。本发明解决了通道间因耦合电容而引起的通道耦合问题。此外，本发明通过将电流路差分放大模块和模数转换模块接入一套独立的模拟电源和地，将电压路差分放大模块和模数转换模块接入另一套独立的模拟电源和地，还解决了通道间由于共用模拟电源和地而产生的耦合问题。
Description
技术领域
本发明涉及数字芯片验证技术，尤其涉及在电能计量芯片验证过程中，减小通道耦合的电能计量芯片验证系统。
背景技术
随着电力电子技术的发展，电子式电能表因其具有多功能、智能化的优点，得到了广泛的应用。电能计量芯片是电子式电能表的核心部件，担负着电能计量的任务，该芯片的精度直接影响到电能表的计量精度。
图1为电能计量芯片的原理示意图。如图1所示，V_I+和V_I-为电网电流经取样电阻生成电流路差分信号，V_V+和V_V-为电网电压经电压取样电阻生成电压路差分信号；电流路差分信号和电压路差分信号经差分放大后生成电流路差分放大信号和电压路差分放大信号；这两路差分放大信号经模数转换后生成电流路和电压路1比特(BIT)码流；这两路1BIT码流经抽取滤波器后变为电压路并行数据和电流路并行数据；两路并行数据相乘后生成功率数据；再将该功率数据经数频转换后，以一定频率的脉冲形式输出，脉冲频率高表示输出功率大，脉冲频率低表示输出功率小；输出的脉冲可以采用电能计量芯片外的计数器进行计数，从而实现电能的计量。其中，电能计量芯片中的差分放大、模数转换、抽取滤波在实现时采用一个芯片中的两路模块分别对电流路和电压路信号进行相应的处理。
以8倍表为例，当基本电流(IB)为5A时，在1000∶1的动态范围内，电网上的电流范围为40mA～40A，而电压的范围要小很多，通常在220V±20％左右，由于电流与电压相乘得到功率，可见电流的小误差会导致测量功率的较大误差。因此通常要求该电能计量芯片电流通路的电流在1000∶1的动态范围内实现小于0.1％的误差。为了保证所生产电能计量芯片的指标满足设计要求，尤其是精度要求，像电能计量芯片这类带有数字功能的芯片在投产前都要经过现场可编程逻辑阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)的验证，验证方式是采用搭建电路再现电能计量芯片的差分放大和模数转换部分，而电能计量芯片的抽取滤波、功率计算和数频转换这3部分由FPGA完成。
图2为现有电能计量芯片验证系统的组成框图。参见图2，双通道差分放大模块210中包含两个差分放大器，电流路取样差分信号V_I+和V_I-输入双通道差分放大模块中的一个差分放大器，经差分放大后，输入双通道模数转换模块201的一个通道；电压路取样差分信号V_V+和V_V-输入双通道差分放大模块210中的另一个差分放大器，经差分放大后，输入双通道模数转换模块201的另一个通道。双通道模数转换模块201将接收的模拟量电流路取样差分放大信号转换成电流路1BIT码流，将接收的模拟量电压路取样差分放大信号转换成电压路1BIT码流，并将电流和电压两路1BIT码流输出给FPGA230。FPGA230实现抽取滤波、乘法器和数频转换功能，送出频率脉冲给计数器105。其中，双通道差分放大模块210采用一个差分放大芯片实现，该差分放大芯片中至少有两个差分放大器；双通道模数转换模块201采用一个模数转换芯片实现，该模数转换芯片中至少有两路模数转换通道。另外，双通道差分放大模块210和双通道模数转换模块201都由模拟电源VDD202供电，这两个模块接地端都接入系统模拟地VSS203。模拟电源VDD202与模拟地VSS203共用一套模拟电源和地，模拟电源和地由外接直流电源提供。
由上述技术方案可见，在电能计量芯片的验证系统中因为电流和电压信号在同一差分放大模块中进行差分放大，并且在同一模数转换模块中进行模数转换，同一模块中通道间的耦合电容导致信号通道耦合的产生；同时通道也会通过共用的模拟电源和地产生通道耦合。对于精度要求很高的电能计量来说，电压对电流通路的耦合会导致出现较大的计量误差，特别是在几十毫安小电流的情况下，电压通道对电流通道的耦合相当严重，致使测量结果不能满足电能计量芯片设计中0.1％的误差精度要求。当在FPGA230中将电流数据和电压数据相乘后，得到的功率数据与真实数据相差较大。因此现有电能计量芯片验证系统的不足就在于差分放大和模数转换模块中电压和电流通路之间存在耦合，导致电能计量芯片验证系统的测量结果精度不能达到设计要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种电能计量芯片验证系统，能够极大的减小通道间耦合。
为了达到所述发明目的，本发明提供了一种电能计量芯片验证系统，该系统包括电流路差分放大模块、电压路差分放大模块、电流路模数转换模块、电压路模数转换模块和现场可编程逻辑阵列FPGA；
所述电流路差分放大模块，用于接收取自被测电网的电流路取样差分信号，经差分放大后，生成电流路取样差分放大信号，输入电流路模数转换模块；
所述电流路模数转换模块，用于接收电流路差分放大模块输出的电流路取样差分放大信号，生成数字量电流路取样信号，输入FPGA；
所述电压路差分放大模块，用于接收取自被测电网的电压路取样差分信号，经差分放大后，生成电压路取样差分放大信号，输入电压路模数转换模块；
所述电压路模数转换模块，用于接收电压路差分放大模块输出的电压路取样差分放大信号，生成数字量电压路取样信号，输入FPGA；
所述FPGA，用于接收电流路模数转换模块输出的数字量电流路取样信号和电压路模数转换模块输出的数字量电压路取样信号，分别对这两路信号进行抽取滤波后，将滤波结果相乘，生成功率数据，并将功率数据转换成脉冲形式输出。
其中，所述电流路模数转换模块为单通道模数转换模块；所述电压路模数转换模块为单通道模数转换模块。
所述电流路差分放大模块为单通道差分放大模块；所述电压路差分放大模块为单通道差分放大模块。
所述电流路差分放大模块和电流路模数转换模块，由第一模拟电源供电，并由第一模拟地提供参考地电势；所述电压路差分放大模块和电压路模数转换模块，由第二模拟电源供电，并由第二模拟地提供参考地电势；
所述第一模拟地和所述第二模拟地之间为同一参考地电势。
较佳的，所述第一模拟电源接入外接第一直流电源的电源端，所述第一模拟地接入所述外接第一直流电源的接地端；
所述第二模拟电源接入外接第二直流电源的电源端，所述第二模拟地接入所述外接第二直流电源的接地端；
所述外接第一直流电源的接地端和所述外接第二直流电源的接地端共地。
较佳的，所述第一模拟电源和所述第二模拟电源接入同一外接直流电源的电源端；所述第一模拟地和所述第二模拟地接入所述同一外接直流电源的接地端。
其中，所述第一模拟电源和所述第二模拟电源分别通过磁珠接入同一外接直流电源的电源端；
所述第一模拟地和所述第二模拟地分别通过磁珠接入所述同一外接直流电源的接地端。
本发明在电能计量芯片的验证系统中采用两个单通道差分放大模块和两个单通道模数转换模块分别对电流和电压信号进行处理。由于耦合电容与通道间的距离成反比，因此电流和电压通道间距离的增大使得通道间耦合电容减小，可以减到几乎忽略不计的程度，解决了通道间因耦合电容而引起的通道耦合问题。此外，本发明将电流路的差分放大模块和模数转换模块接入一套独立的模拟电源和地，将电压路的差分放大模块和模数转换模块接入另一套独立的模拟电源和地，因此，同一模块中两通道通过电源和地产生的耦合可以降到忽略不计的程度，解决了通道间由于共用模拟电源和地而产生的耦合问题。本发明与现有电量计量芯片验证系统相比，仅增加了一个模数转换模块和一套模拟电源和地，实现起来较为简单，代价较小。
附图说明
图1为电能计量芯片的原理示意图。
图2为现有电能计量芯片验证系统的组成框图。
图3为本发明电能计量芯片验证系统的组成框图。
图4为本发明电能计量芯片验证系统第一种电源供电的原理示意图。
图5为本发明电能计量芯片验证系统第二种电源供电的原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。
本发明的核心思想是在电能计量芯片验证系统中采用两个差分放大模块，分别对电流、电压取样信号进行差分放大；同时，采用两个模数转换模块，分别对电流、电压取样信号进行模数转换，解决了通道间因耦合电容而引起的通道耦合问题。
其中，两个差分放大模块分别采用两个能够实现差分放大的芯片实现，两个模数转换模块分别采用两个能够实现模数转换的芯片实现。
如图3所示，图3为本发明电能计量芯片验证系统的组成框图。与图2所示的现有电能计量芯片验证系统的不同之处在于，图3的电能计量芯片验证系统300采用两个独立的单通道差分放大模块分别对电流和电压进行差分放大；另外还采用两个独立的单通道模数转换模块分别对电流和电压进行模数转换。电压和电流通道的距离增加，通道间耦合电容减小，可以减到几乎忽略不计的程度。
其中，电能计量芯片验证系统300包括单通道差分放大模块321、单通道差分放大模块322、单通道模数转换模块301、单通道模数转换模块311和FPGA330。
单通道差分放大模块321、322与单通道模数转换模块301、311是对电网电流路和电压路取样信号进入FPGA330前进行处理的电路。单通道差分放大模块采用含有一个差分放大器的差分放大芯片实现，单通道模数转换模块采用含有一路模数转换通道的模数转换芯片实现。当然，上述单通道芯片也可以采用多通道芯片，但是需要采用两个多通道芯片分别对电流路和电压路的信号进行处理。
单通道差分放大模块321的两个输入端分别连接在串入电网零线102上的取样电阻103的两端，接收电网电流经取样电阻103生成的电流路取样差分信号V_I+和V_I-，V_I+和V_I-经差分放大后，输出电流路取样差分放大信号给单通道模数转换模块301。
单通道模数转换模块301用于将模拟量电流路取样信号转换为数字量。该模块接收单通道差分放大模块321输出的电流路取样差分放大信号，将其转换成电流路1BIT码流，即数字量电流路取样信号，输出给FPGA330。
单通道差分放大模块322的两个输入端分别连接在连入电网的分压电阻104的分压输出端，接收电网电压经分压电阻104分压后的电压路取样差分信号V_V+和V_V-。V_V+和V_V-经单通道差分放大模块322的差分放大后，输出电压路取样差分放大信号给单通道模数转换模块311。
单通道模数转换模块311接收单通道差分放大模块322输出的电压路取样差分放大信号，将其转换成电压路1BIT码流，即数字量电压路取样信号，输出给FPGA330。
FPGA330用于实现电流计量芯片中抽取滤波、乘法器和数频转换的功能。FPGA330接收单通道模数转换模块301和311送来的电流路和电压路1BIT码流，对这两路1BIT码流信号抽取滤波后，将其结果相乘，并将乘积转换为脉冲形式的频率信号。最后将表示功率的脉冲信号从电能计量芯片验证系统300输出，由外接的计数器105进行计数，从而实现电能的计量。
为了进一步减小通道间的耦合，本发明将单通道差分放大模块322和单通道模数转换模块311接入一套独立的模拟电源和地；将单通道差分放大模块321和单通道模数转换模块301接入另一套独立的模拟电源和地。因此，无论差分放大时或者模数转换时，电流和电压通路通过模拟电源和地的耦合就可以降到忽略不计的程度。如图3所示，单通道差分放大模块321和单通道模数转换模块301由模拟电源VDD302供电，两模块的接地端接入电能计量芯片验证系统300的模拟地VSS303。单通道差分放大模块322和单通道模数转换模块311采用另一套独立的模拟电源和地，这两个模块由模拟电源VDD312供电，模块的接地端接入电能计量芯片验证系统300的模拟地VSS313。模拟地VSS303和VSS313之间为同一参考地电势，即需要在电能计量芯片验证系统300外共地。
电能计量芯片验证系统300的两套独立的模拟电源和模拟地是由外接直流电源提供的。在实际应用中，这两套模拟电源和地可以由两套外接直流电源分别提供。如图4所示，外接直流电源400中包括两套直流电源和地，分别为电源VDD402和参考地VSS403，以及电源VDD412和参考地VSS413。这两套直流电源和地分别为电能计量芯片验证系统300提供电流通路和电压通路的模拟电源和地。其中，VDD402接入电能计量芯片验证系统300的VDD302，VSS403接入VSS303；VDD412接入电能计量芯片验证系统300的VDD312，VSS413接入VSS313；VSS403和VSS413相连，并接入同一参考地电势，因此VSS303和VSS313就获得了相同的参考地电势。
为了节省资源，也可以采用一套外接直流电源为电能计量芯片验证系统300供电。如图5所示，外接直流电源500中包括一套直流电源和地，为电源VDD502和参考地VSS503。VDD502通过磁珠接入电能计量芯片验证系统300的VDD302，同时VDD502通过另一磁珠接入电能计量芯片验证系统300的VDD312；VSS503通过磁珠接入电能计量芯片验证系统300的VSS303，同时VSS503通过另一磁珠接入电能计量芯片验证系统300的VSS313。VSS503接入一个参考地电势，因此VSS303和VSS313就获得了相同的参考地电势。
由以上所述可以看出，采用本发明的电能计量芯片验证系统，解决了电压和电流通道间因耦合电容而引起的通道耦合问题，同时解决了由于共用模拟电源和地而产生的通道耦合问题。并且，与现有电能计量芯片验证系统相比只增加了一个差分放大模块、一个模数转换模块和一套模拟电源和地，实现较为简单，代价较小。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1、一种电能计量芯片验证系统，其特征在于，该系统包括电流路差分放大模块、电压路差分放大模块、电流路模数转换模块、电压路模数转换模块和现场可编程逻辑阵列FPGA；
所述电流路差分放大模块，用于接收取自被测电网的电流路取样差分信号，经差分放大后，生成电流路取样差分放大信号，输入电流路模数转换模块；
所述电流路模数转换模块，用于接收电流路差分放大模块输出的电流路取样差分放大信号，生成数字量电流路取样信号，输入FPGA；
所述电压路差分放大模块，用于接收取自被测电网的电压路取样差分信号，经差分放大后，生成电压路取样差分放大信号，输入电压路模数转换模块；
所述电压路模数转换模块，用于接收电压路差分放大模块输出的电压路取样差分放大信号，生成数字量电压路取样信号，输入FPGA；
所述FPGA，用于接收电流路模数转换模块输出的数字量电流路取样信号和电压路模数转换模块输出的数字量电压路取样信号，分别对这两路信号进行抽取滤波后，将滤波结果相乘，生成功率数据，并将功率数据转换成脉冲形式输出。
2、根据权利要求1所述的验证系统，其特征在于，所述电流路模数转换模块为单通道模数转换模块；所述电压路模数转换模块为单通道模数转换模块；
所述电流路差分放大模块为单通道差分放大模块；所述电压路差分放大模块为单通道差分放大模块。
3、根据权利要求1所述的验证系统，其特征在于，
所述电流路差分放大模块和电流路模数转换模块，由第一模拟电源供电，并由第一模拟地提供参考地电势；所述电压路差分放大模块和电压路模数转换模块，由第二模拟电源供电，并由第二模拟地提供参考地电势；
所述第一模拟地和所述第二模拟地之间为同一参考地电势。
4、根据权利要求3所述的验证系统，其特征在于，所述第一模拟电源接入外接第一直流电源的电源端，所述第一模拟地接入所述外接第一直流电源的接地端；
所述第二模拟电源接入外接第二直流电源的电源端，所述第二模拟地接入所述外接第二直流电源的接地端；
所述外接第一直流电源的接地端和所述外接第二直流电源的接地端共地。
5、根据权利要求3所述的验证系统，其特征在于，所述第一模拟电源和所述第二模拟电源接入同一外接直流电源的电源端；所述第一模拟地和所述第二模拟地接入所述同一外接直流电源的接地端。
6、根据权利要求5所述的验证系统，其特征在于，所述第一模拟电源和所述第二模拟电源分别通过磁珠接入同一外接直流电源的电源端；
所述第一模拟地和所述第二模拟地分别通过磁珠接入所述同一外接直流电源的接地端。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20100210 Termination date: 20121130 |