CN207650384U - 分压电路参数的检测电路及电能计量芯片 - Google Patents

Abstract

一种分压电路参数的检测电路和电能计量芯片，检测电路包括与具有第一频率的第一信号源耦合的分压电路，所述分压电路包括串联的第一分压器和第二分压器，所述第二分压器上并联有电压测量模块，所述检测电路还包括开关接入的具有第二频率的第二信号源，所述第二信号源在所述第一分压器与所述第二分压器的连接端输入，所述电压测量模块用于在所述第二信号源接入的情况下，通过检测所述第二分压器上的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异常。在不影响电压测量的前提下，通过引入交流电流源产生检测信号，然后经过信号处理单元，完成对电压采样网络各元件的检测。检测精度高，可以检测出分压阻抗的微小变化。

Description

分压电路参数的检测电路及电能计量芯片

技术领域

本实用新型属于电压检测技术领域，尤其涉及一种分压电路参数的检测电路及电能计量芯片。

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ADC(Analog toDigital Converter，模数转换器)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。

在常规的电压测量中，一般都是经过电阻分压器或者是电压互感器来将待测量电压衰减到ADC的输入电压安全范围以内，经过ADC转换后的数字输出进入MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)进行电压幅度和相位的处理。在高精度测量中(如电力设施监控、用电统计)，对计量仪表的精度达到±0.5％。这要求电阻分压器和电压测量通路的精度需要有足够的稳定性。精确的电压测量要求选择具有良好温度系数和高精度的片外组件。选择不合适的片外组件会造成电阻分压比精度的改变或者电压测量通道的增益改变，这都将导致电压的测量误差。另外，一旦电阻分压器中的片外组件受到各种外力影响，如静电、过电压、浪涌等情况，可能会导致电阻分压比的改变，这也会造成电压测量误差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种分压电路参数的检测电路及电能计量芯片，旨在解决现有电压测量电路无法检测片外组件因外力影响而引起的分压比的改变导致测量误差和电压测量精度降低的问题。

本实用新型提供一种分压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分压电路，所述分压电路包括串联的第一分压器和第二分压器，所述第二分压器上并联有电压测量模块，所述检测电路还包括开关接入的具有第二频率的第二信号源，所述第二信号源在所述第一分压器与所述第二分压器的连接端输入，所述电压测量模块用于在所述第二信号源接入的情况下，通过检测所述第二分压器上的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异常。

进一步地，所述第二频率的信号分量的相位发生变化确定所述第二分压器异常，所述第二频率的信号分量的幅值发生变化确定所述第一分压器异常。

进一步地，所述第二信号源为交流电流源。

进一步地，所述第一分压器和所述第二分压器均为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。

进一步地，所述第二分压器包括一采样电阻和一与所述采样电阻并联的采样电容。

进一步地，所述第二频率的信号分量的相位和幅值同时发生变化确定所述采样电阻异常，所述第二频率的信号分量的相位发生变化、幅值不变确定所述采样电容异常。

进一步地，所述第二频率为所述第一频率的非整数倍。

本实用新型的另一目的还在于提供一种电能计量芯片，所述电能计量芯片包括上述的检测电路；所述分压电路设置于所述电能计量芯片外部。

本实用新型的另一目的还在于提供一种电能计量芯片，包括分压电路，所述电能计量芯片还包括上述的检测电路。

上述分压电路参数的检测电路和方法通过施加不干扰被测量电压的源信号，经过电压采样网络的分流，在电压测量模块的输入端产生含有电压采样网络各元件参数信息的检测信号，经过信号处理，借助信号源的已知信息来定位片外组件是否发生故障，以达到精确定位故障源的功能，完成对电压采样网络的检测，检测精度高，可以检测出分压阻抗的微小变化。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例提供的分压电路参数的检测电路的示意图；

图2为本实用新型实施例提供的分压电路参数的检测电路中第二电流源的示例原理图；

图3为本实用新型实施例提供的分压电路参数的检测电路中开关处于闭合状态时的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

请参阅图1，本实用新型实施例提供的分压电路参数的检测电路，包括与具有第一频率的第一信号源100(测量电压V_m)耦合的分压电路200，所述分压电路200包括串联的第一分压器202和第二分压器203，所述第二分压器203上并联有电压测量模块300，所述检测电路还包括开关S1接入的具有第二频率的第二信号源404，所述第二信号源404在所述第一分压器202与所述第二分压器203的连接端输入，所述电压测量模块300用于在所述第二信号源404接入的情况下，通过检测所述第二分压器203上的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200的电路参数是否异常。

所述第一分压器202和所述第二分压器203均为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。在一个实施例中，第一分压器202包括第一电阻R1，第二分压器203包括一采样电阻R0，可省略图中的采样电容C0。那么，所述第二频率的信号分量的相位发生变化确定所述第二分压器203异常，所述第二频率的信号分量的幅值发生变化确定所述第一分压器202异常。

在另一个实施例中，第一分压器202包括第一电阻R1，第二分压器203包括一采样电阻R0和一与所述采样电阻R0并联的采样电容C0。如此，更具体地，第二频率的信号分量的相位和幅值同时发生变化确定所述采样电阻R0异常，所述第二频率的信号分量的相位发生变化、幅值不变确定所述采样电容C0异常。

在本实施例中，第一信号源100提供被测量电压(线电压)Vs，第二信号源404为高精度的交流电流源Itest，被测量电压Vs与交流电流源Itest的频率不同，所述第二频率为所述第一频率的非整数倍。例如被测量电压Vs频率为50Hz时，交流电流源Itest频率可选为432Hz。在一个优选的实施例中，交流电流源Itest主要是用基准电压源与电阻组合产生的电流源。实际电流源内部电路可通过开关S1来控制此电流源的输出波形为交流信号。

电压测量模块300包括模数转换单元305和数字信号处理单元306。在本实用新型中，检测信号经过分压电路200在模数转换单元305输入端产生检测信号，检测信号经过数字信号处理单元306产生检测值。

第一开关S1为MOS管，主要是用来控制交流电流源Itest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S1的状态。正常测量时可将第一开关S1断开，需要检测分压电路200参数是否出现故障时可考虑将第一开关S1闭合。

参考图2，作为一优选实施例，第二信号源404包括一运算放大器Amp、第一开关管Q1、第二开关管Q2及第三电阻R_ext2。

运算放大器Amp的反相输入端接基准电压V_REF，输出端接所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2的控制端，同相输入端接所述第一开关管Q1的低电位端并通过第三电阻R_ext2接地，所述第一开关管Q1和所述第二开关管Q2的高电位端接电源电压VCC，所述第二开关管Q2的低电位端作为所述第二信号源404的输出端。开关管Q1、Q2为电流镜像管，可采用如MOS管等器件。

引入交流电流源Itest不会给正常电压测量带来任何影响，交流电流源Itest需要是高精度的基准电压除以电阻来产生，而在电压测量模块300中模数转换单元305的存在本身就需要高精度电压源，所以这会大大减小电路设计复杂度，只需要共用此高精度电压源即可。

将分压电路参数的检测电路应用于电子仪表时，工作原理如下：

标定阶段：

电子仪表初次出厂时会进行校表，校表时闭合开关S1，先读出检测电压Vtest的原始值Vtest0，并标定存储起来。仪表正常工作时，可以断开开关S1，也可以不用断开，交流电流源Itest是高阻抗输出。

使用阶段：

每一次检测仪表精度是否变化时，闭合开关S1，读取新的检测电压Vtest的测试值Vtest1、Vtest2等，与标定值Vtest0进行对比，从而判断仪表精度是否发生变化。

下面从数学上更为详细更为严谨论述这个技术。

图3为简化后的计算电路。线电压Vs认为虚地，开关S1闭合。

交流电流源Itest到检测电压Vtest的传输函数是：

这个传输函数是以复变量的形式表达的。将其转化为幅值和相位的形式，为：

上式中，的单位已经从弧度转化为度。利用高等数学中的全微分原理，对上式中各个参数做微小扰动分析，可得：

其中：

如果将典型参数值代入(R0＝1KΩ，R1＝1MΩ，C0＝33nF，频率f＝432Hz，ω＝2πf)，则上式可以简化为：

公式(12)、(13)这两个式子即可用来做故障检测：只要任何一个参数发生变化，输出结果(幅值和相位)即会发生变化。具体来说：

1.采样电阻R0的变化，可通过或者检测出来；

2.第一电阻R1的变化，可通过检测出来(对检测精度有要求，例如变化1％，变化1×10^-5)；

3.采样电容C0的变化，可通过检测出来；

假设检测到故障的时刻，只有一个器件发生了故障(这个假设一般成立，同时发生两个故障的情形微乎其微)。在只发生一个故障的假设前提下，我们不仅可以检测出故障，而且还可以进一步定位到故障源，其机理如下表：

此外，公开了一种分压电路参数的检测方法，包括：

步骤一：在分压电路的两端加载具有第一频率的第一信号源；其中，所述分压电路包括串联的第一分压器和第二分压器；

步骤二：在所述第一分压器与所述第二分压器的连接端由开关接入具有第二频率的第二信号源；

步骤三：通过检测所述第二分压器上的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异常。

在一个优选的实施例中，所述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异常具体为：

所述第二频率的信号分量的相位发生变化确定所述第二分压器异常，所述第二频率的信号分量的幅值发生变化确定所述第一分压器异常。

分压电路参数的检测方法的具体实施方式请参照图1-3及其具体说明。

本实用新型实施例还提供了一种电能计量芯片，该电能计量芯片包括了前述的检测电路。在本实用新型实施例中，分压电路设置于电能计量芯片外部。具体地，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中设置后待启动后自行进行开关状态的切换。

本实用新型实施例还提出了另一种电能计量芯片，该电能计量芯片包括分压电路以及如前述所述的检测电路。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种分压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分压电路，所述分压电路包括串联的第一分压器和第二分压器，所述第二分压器上并联有电压测量模块，其特征在于，所述检测电路还包括开关接入的具有第二频率的第二信号源，所述第二信号源在所述第一分压器与所述第二分压器的连接端输入，所述电压测量模块用于在所述第二信号源接入的情况下，通过检测所述第二分压器上的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异常。

2.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第二频率的信号分量的相位发生变化确定所述第二分压器异常，所述第二频率的信号分量的幅值发生变化确定所述第一分压器异常。

3.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第二信号源为交流电流源。

4.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第一分压器和所述第二分压器均为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。

5.如权利要求1或4所述的检测电路，其特征在于，所述第二分压器包括一采样电阻和一与所述采样电阻并联的采样电容。

6.如权利要求5所述的检测电路，其特征在于，所述第二频率的信号分量的相位和幅值同时发生变化确定所述采样电阻异常，所述第二频率的信号分量的相位发生变化、幅值不变确定所述采样电容异常。

7.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第二频率为所述第一频率的非整数倍。

8.一种电能计量芯片，其特征在于，所述电能计量芯片包括如权利要求1至7任一项所述的检测电路；所述分压电路设置于所述电能计量芯片外部。

9.一种电能计量芯片，包括分压电路，其特征在于，所述电能计量芯片还包括如权利要求1至7任一项所述的检测电路。