CN1971291A - 一种电能计量芯片中的数频转换电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电能计量芯片中的数频转换电路，该电路包括能量桶、第一加法器和能量脉冲输出模块。本发明利用输入的有功功率，能量桶存储的能量值，预先设定发生能量溢出的门限值之间的组合，同时进行能量脉冲输出和正负溢出判断；输出能量脉冲后剩余能量存储在能量桶中用于与下一次输入的有功功率进行累加。本发明电能计量芯片中的数频转换电路，能准确输出脉冲，保证后续计算的精度，并且，电路结构简单，易于实现。

Description

一种电能计量芯片中的数频转换电路

技术领域

本发明涉及数频转换技术，具体涉及一种电能计量芯片中的数频转换电路。

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。

如图1所示，为电能计量芯片的系统结构图，包括模数转换单元、抽取滤波单元、乘法器和数频转换单元。电流模拟信号和电压模拟信号经数模转换单元后转换为1比特的数字信号；经抽取滤波单元后变为多个比特的并行数字信号；电压路和电流路的并行数字信号在乘法器中进行运算后，得出有功功率；有功功率输入数频转换单元后，以一定频率的脉冲形式输出，即能量脉冲；输出的能量脉冲送到芯片外的计数器进行计数，从而实现电能的计量。

数频转换单元从有功功率到能量脉冲的实现过程为：接收乘法器输入的有功功率，对有功功率的数值进行累加，即能量累加，当累加到门限值，发生能量溢出，输出能量脉冲。每块电子式电能表都有一定的脉冲常数，表示了每个脉冲代表的能量大小。例如，脉冲常数为3600，则表示每个脉冲代表的能量为1/3600千瓦小时。能量脉冲的频率，表征有功功率的大小，输入的有功功率越大，能量脉冲的频率越高，输入的有功功率越小，能量脉冲的频率低。

在使用电能计量芯片的过程中发现，现有的数频转换单元没有很好地解决输入正负有功功率造成的正反向溢出问题，从而导致最后由计数器输出的电能计量结果存在不同程度的误差。

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中的数频转换电路，较好地解决了现有技术的正反向溢出问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明公开了一种电能计量芯片中的数频转换电路，该电路包括能量桶、第一加法器和能量脉冲输出模块；

能量桶，用于存储从能量脉冲输出模块反馈的能量值，将能量值输出给第一加法器，将能量值的符号位输出给能量脉冲输出模块；

第一加法器，用于对输入的有功功率和由能量桶输入的能量值求和，将求和得到的第一能量值输出给能量脉冲输出模块；

能量脉冲输出模块，设置有一门限值，根据接收到的由能量桶输入的能量值的符号位和由第一加法器输入的第一能量值，将门限值和由第一加法器输入的第一能量值进行比较：

当第一能量值大于门限值时，输出正向溢出的能量脉冲，并将第三能量值反馈给能量桶，第三能量值为第一能量值与门限的差；

当第一能量值小于门限的负值时，输出负向溢出的能量脉冲，并将第二能量值反馈给能量桶，第二能量值为第一能量值与门限值的和；

当第一能量值的绝对值小于门限值时，不输出能量脉冲，将第一能量值反馈给能量桶。

所述能量脉冲输出模块包括第二加法器、第三加法器、门限、溢出判断单元和三选一开关；

第二加法器，用于将第一加法器输入的第一能量值与由门限输入的门限值相加，将相加得到的第二能量值输出给三选一开关，并将第二能量值的符号位输出给溢出判断单元；

第三加法器，用于将第一加法器输入的第一能量值与由门限输入的门限值相减，将相减得到的第三能量值输出给三选一开关，并将第三能量值的符号位输出给溢出判断单元；

门限，用于设置门限值，分别输出给第二加法器和第三加法器；

溢出判断单元，根据由能量桶输入的能量值符号位、第二能量值符号位和第三能量值符号位，联合判断是否输出能量脉冲：若能量值符号位、第三能量值符号位都为0，则输出正向溢出的能量脉冲；若能量值符号位、第二能量值符号位都为1，则输出负向溢出的能量脉冲；否则，不输出能量脉冲；并向三选一开关输出溢出判断结果；

三选一开关，接收第一加法器、第二加法器和第三加法器输入的第一能量值、第二能量值和第三能量值，根据溢出判断单元输出的溢出判断结果，从第一能量值、第二能量值和第三能量值中选择输出给能量桶的能量值。

所述三选一开关在溢出判断单元的输出为正向溢出的能量脉冲时，将第三能量值输出给能量桶；在溢出判断单元的输出为负向溢出的能量脉冲时，将第二能量值输出给能量桶；在溢出判断单元不输出能量脉冲时，将第一能量值输出给能量桶。

所述溢出判断单元包括第一或门、与门、非门、第二或门；

第一或门，对能量值的符号位和第三能量值的符号位进行或运算，输出给非门；

非门，对第一或门输入的或运算结果进行非运算，一路输出正向溢出的能量脉冲，一路输出给第二或门；

与门，对能量值的符号位和第二能量值的符号位进行与运算，一路输出负向溢出的能量脉冲，一路输出给第二或门；

第二或门，对非门和与门的输入进行或运算，输出为未溢出。

所述门限的门限值为正数。

所述的第一或门和非门可以合并为一个或非门。

所述能量桶存储的能量值与所述输入第一加法器的有功功率，在系统同步脉冲控制下同时更新。

由本发明的技术方案可见，本发明提供的一种将有功功率转换成一定频率能量脉冲的数频转换电路，具有以下优点：通过能量值符号位、第二能量值符号位、第三能量值符号位的联合判断，一方面准确输出能量脉冲，另一方面在发生不同溢出的情况下，从第一能量值、第二能量值、第三能量值中选择反馈的剩余能量，用于后续累加，较好解决有功功率的正反向溢出问题，保证了后续计算的精度；电路结构简单，易于实现。

附图说明

图1为电能计量芯片的系统结构图；

图2为本发明电能计量芯片中的数频转换电路的结构示意图；

图3为图2中溢出判断单元的结构示意图。

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。

本发明的基本思想是：利用输入的有功功率，能量桶存储的能量值，预先设定发生能量溢出的门限值之间的组合，同时进行能量脉冲输出和正负溢出判断；输出能量脉冲后，剩余能量存储在能量桶中用于与下一次输入的有功功率进行累加。

下面对本发明的电能计量芯片中的数频转换电路进行详细描述。

参见图2，为本发明电能计量芯片中的数频转换电路的结构示意图，包括能量脉冲输出模块200、能量桶201和第一加法器202。

能量桶201，用于存储从能量脉冲输出模块200反馈的能量值E，将能量值E输出给加法器202，并将能量值E的符号位输出给能量脉冲输出模块200。

第一加法器202，用于对输入的有功功率P和由能量桶201输入的能量值E求和，得到第一能量值E1，E1＝P+E；第一能量值E1的符号位输出给溢出判断单元206，将第一能量值E1输出给能量脉冲输出模块200。

能量脉冲输出模块200，设置有一门限值G，根据接收到的由能量桶201输入的能量值E的符号位和由加法器202输入的第一能量值E1，将门限值G和由加法器202输入的第一能量值E1进行比较：当E1＞G时，为正向溢出，输出正向溢出的能量脉冲，并反馈E1-G值到能量桶201；当E1＜-G时，为负向溢出，输出负向溢出的能量脉冲，并反馈E1+G值到能量桶201；当-G＜E1＜G时，没有溢出，不输出能量脉冲，反馈E1值到能量桶201。

本领域内技术人员应当得知，所述能量脉冲输出模块200可以有多种具体实施的方式。

作为本发明的一种具体实施例，如图2所示，所述能量脉冲输出模块200包括第二加法器203、第三加法器204、门限205、溢出判断单元206和三选一开关207。第二加法器203，用于将第一加法器202输入的第一能量值E1与由门限205输入的门限值G相加，得到第二能量值E2，E2＝E1+G；将第二能量值E2的符号位输出给溢出判断单元206，并将第二能量值E2输出给三选一开关207。

第三加法器204，用于将第一加法器202输入的第一能量值E1与由门限205输入的门限值G相减，得到第三能量值E3，E3＝E1-G；将第三能量值E3的符号位输出给溢出判断单元206，并将第三能量值E3输出给三选一开关207。

门限205，用于设置门限值G，分别输出给第二加法器203和第三加法器204，门限值G为正数。

溢出判断单元206，根据能量值E的符号位、第二能量值E2的符号位和第三能量值E3的符号位，联合判断是否输出能量脉冲：若能量值E符号位、第三能量值E3符号位都为0，则输出正向溢出的能量脉冲；若能量值E符号位、第二能量值E2符号位都为1，则输出负向溢出的能量脉冲；否则，不输出能量脉冲；并向三选一开关207输出溢出判断结果。

三选一开关207，接收第一加法器202、第二加法器203、第三加法器204输入的第一能量值E1、第二能量值E2和第三能量值E3，根据溢出判断单元206输出的溢出判断结果，从输入的第一能量值E1、第二能量值E2和第三能量值E3中选择一个能量值反馈给能量桶201。

如图2所示，输入第一加法器202的有功功率P与能量桶20 1的能量值E，在电能计量芯片系统的同步脉冲控制下同时更新。输入数频转换电路的有功功率P和三选一开关反馈的能量值E的数值有正有负，能量桶201存储的能量值E，在电能计量芯片同步脉冲的控制下，与输入的有功功率P求和，得到第一能量值E1。

门限205，对于多功能电能表，门限值可以写入，对于普通的单相电能表，门限值可以固化在芯片的内部，门限值G为正数，远大于输入数频转换电路的有功功率P的绝对值。该门限值G用于和第一能量值E1进行比较。

由于第一能量值E1的值可正可负，对其取绝对值。

当第一能量值E1的绝对值大于门限值G时，此时进一步分为两种情况：

第一能量值E1的数值若为正，能量桶201在同步脉冲的控制下，发生正向溢出，应输出能量脉冲，同时在第三加法器204中将第一能量值E1与门限值G相减，得到溢出后的第三能量值E3，E3＝E1-G作为溢出后的剩余能量，也就是反馈给能量桶201存储的能量值，用于下一个同步脉冲到来时和输入有功功率的累加。

第一能量值E1的数值若为负，能量桶201在同步脉冲的控制下，发生负向溢出，也应输出能量脉冲，同时在第二加法器203中将第一能量值E1与门限值G相加，得到溢出后的第二能量值E2，E2＝E1+G作为溢出后的剩余能量，也就是反馈给能量桶201存储的能量值，用于下一个同步脉冲到来时和输入有功功率的累加。

当第一能量值E1的绝对值小于门限值G时，即能量桶201在同步脉冲的控制下，没有发生溢出，不应输出能量脉冲，此时经第一加法器202得到的第一能量值E1，E1＝P+E作为没有溢出反馈给能量桶201存储的能量值，用于下一个同步脉冲到来时和输入有功功率的累加。

得到的第一能量值E1，第二能量值E2，第三能量值E3分别输入三选一开关，三选一开关的输出选择决定于反馈给能量桶201的能量值E的符号位分别和第二能量值E2的符号位和第三能量值E3的符号位的联合判断。

如上所述：发生正向溢出时，意味着第一能量值E1为正，而门限值G为正数，此时反馈第二能量值E3＝E1-G，E3为正；发生负向溢出时，意味着第一能量值E1为负，此时反馈第三能量值E2＝E1+G，E2为负。也就是说，可以以第二能量值E2的符号位和第三能量值E3的符号位与第一能量值E1的符号位的相同与不相同，来向三选一开关207输出选择反馈能量桶201能量值的溢出判断结果。

门限205设定的门限值G远大于输入的有功功率P的绝对值，能量桶201存储的能量值E经过与多次输入有用功率P的累加后，发生溢出，此时，能量桶201存储的能量值E的绝对值远大于输入的有功功率P的绝对值，则经过加法器201后，输出的第一能量值E1的符号与能量桶201的能量值E的符号位相同。那么，就可以以第二能量值E2的符号位和第三能量值E3的符号位与能量桶201输出的能量值E的符号位来确定选择反馈能量桶201的能量值。

在溢出判断单元206中，能量桶201中能量值E的符号位为0，表示正能量，若第三能量值E3的符号位为0，则溢出判断单元206判断为正向溢出，输出正向溢出的能量脉冲，并反馈第二能量值E3给能量桶201。能量桶201中能量值E的符号位为1，表示负能量，若第二能量值E2的符号位为1，则溢出判断单元206判断为负向溢出，输出负向溢出的能量脉冲，并反馈第三能量值E3给能量桶201。否则，判断为不发生溢出，溢出判断单元206不输出能量脉冲。

参见图3，图3为图2中溢出判断单元206的结构示意图，在图3中，给出的是以第二能量值E2的符号位和第三能量值E3的符号位与能量桶201中存储能量值E的符号位的相同与不相同，来向三选一开关207输入选择反馈能量桶201能量值的溢出判断结果。溢出判断单元206包括：第一或门301、非门302、与门303和第二或门304。第三能量值E3的符号位和能量值E的符号位，经过第一或门301和非门302后，输出判断值A；能量值E的符号位和第二能量值E2的符号位，经过与门303后，输出判断值B；判断值A和判断值B输入或门304，得到判断值C。

表1为能量值E的符号位、第二能量值E2的符号位和第三能量值E3的符号位经逻辑运算后，输出的判断值A、判断值B和判断值C可能出现的各种情况。

E	E2	E3	A	B	C
						0	0	0	1	0	1
0	0	1	0	0	0
						1	0	1	0	0	0
1	1	1	0	1	1

表一

能量值E的符号位、第二能量值E2的符号位和第三能量值E3的符号位只有四种可能出现的输入情况，相应地，判断值A、判断值B和判断值C有四种可能的输出情况。

由表一可见，只有能量值E的符号位、第三能量值E3的符号位都为0，即E和E3同时为正值，判断值A才为1。因E和E1的符号位相同，则E1为正值。E3＝E1-G＝P+E-G＞0，即输入的有功功率P与能量桶201输出的能量值E相加后，其结果第一能量值E1为正，绝对值大于门限值G，此时，发生正向溢出，溢出判断单元206输出正向溢出的能量脉冲。同时，三选一开关207将溢出后的剩余能量E3＝E1-G反馈给能量桶201。

只有能量值E的符号位、第二能量值E2的符号位都为1，即E和E2同时为负值，判断值B才为1。因E和E 1的符号位相同，则E1为负值。E2＝E1+G＝P+E+G＜0，即输入的有功功率P与能量桶201输出的能量值E相加后，其结果第一能量值E1为负，绝对值大于门限值G，此时，发生负向溢出，溢出判断单元206输出负向溢出的能量脉冲。此时，三选一开关107将溢出后的剩余能量E2＝E1+G反馈给能量桶201。

判断值A为1或判断值B为1时，判断值C为1，除这两种溢出情况外，判断值C为0。判断值C为0，即不发生溢出，溢出判断单元206不输出能量脉冲。此时，三选一开关207将第一能量值E1反馈给能量桶201。

当然，溢出判断单元206可以是实现本发明所述的溢出判断功能的其他任何电路，如，图3中或门301和非门302可用一个或非门替换。

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 (7)

1、一种电能计量芯片中的数频转换电路，其特征在于，该电路包括能量桶、第一加法器和能量脉冲输出模块；

能量桶，用于存储从能量脉冲输出模块反馈的能量值，将能量值输出给第一加法器，将能量值的符号位输出给能量脉冲输出模块；

第一加法器，用于对输入的有功功率和由能量桶输入的能量值求和，将求和得到的第一能量值输出给能量脉冲输出模块；

能量脉冲输出模块，设置有一门限值，根据接收到的由能量桶输入的能量值的符号位和由第一加法器输入的第一能量值，将门限值和第一能量值进行比较：

当第一能量值大于门限值时，输出正向溢出的能量脉冲，并将第三能量值反馈给能量桶，第三能量值为第一能量值与门限的差；

当第一能量值小于门限的负值时，输出负向溢出的能量脉冲，并将第二能量值反馈给能量桶，第二能量值为第一能量值与门限值的和；

当第一能量值的绝对值小于门限值时，不输出能量脉冲，将第一能量值反馈给能量桶。

2、如权利要求1所述的数频转换电路，其特征在于，所述能量脉冲输出模块包括第二加法器、第三加法器、门限、溢出判断单元和三选一开关；

第二加法器，用于将第一加法器输入的第一能量值与由门限输入的门限值相加，将相加得到的第二能量值输出给三选一开关，并将第二能量值的符号位输出给溢出判断单元；

第三加法器，用于将第一加法器输入的第一能量值与由门限输入的门限值相减，将相减得到的第三能量值输出给三选一开关，并将第三能量值的符号位输出给溢出判断单元；

门限，用于设置门限值，分别输出给第二加法器和第三加法器；

溢出判断单元，根据由能量桶输入的能量值符号位、第二能量值符号位和第三能量值符号位，联合判断是否输出能量脉冲：若能量值符号位、第三能量值符号位都为0，则输出正向溢出的能量脉冲；若能量值符号位、第二能量值符号位都为1，则输出负向溢出的能量脉冲；否则，不输出能量脉冲；并向三选一开关输出溢出判断结果；

三选一开关，接收第一加法器、第二加法器、第三加法器输入的第一能量值、第二能量值和第三能量值，根据溢出判断单元输出的溢出判断结果，从输入的第一能量值、第二能量值、第三能量值中选择输出给能量桶的能量值。

3、如权利要求2所述的数频转换电路，其特征在于，所述三选一开关在溢出判断单元的输出为正向溢出的能量脉冲时，将第三能量值输出给能量桶；在溢出判断单元的输出为负向溢出的能量脉冲时，将第二能量值输出给能量桶；在溢出判断单元不输出能量脉冲时，将第一能量值输出给能量桶。

4、根据权利要求2所述的数频转换电路，其特征在于，所述溢出判断单元包括第一或门、与门、非门、第二或门；

第一或门，对能量值的符号位和第三能量值的符号位进行或运算，输出给非门；

非门，对第一或门输入的或运算结果进行非运算，一路输出正向溢出的能量脉冲，一路输出给第二或门；

与门，对能量值的符号位和第二能量值的符号位进行与运算，一路输出负向溢出的能量脉冲，一路输出给第二或门；

第二或门，对非门和与门的输入进行或运算，输出为未溢出。

5、如权利要求2所述的数频电路，其特征在于，所述门限的门限值为正数。

6、如权利要求4所述的数频电路，其特征在于，所述的第一或门和非门合并为一个或非门。

7、如权利要求1至6所述任一数频电路，其特征在于，所述能量桶存储的能量值与所述输入第一加法器的有功功率，在系统同步脉冲控制下同时更新。