CN207867017U - 分压电路参数的检测电路和电能计量芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于电压检测技术领域，提供了一种分压电路参数的检测电路和电能计量芯片，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、第二分压器和第三分压器，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：第二信号源、第三信号源；所述电压测量模块用于在仅所述第一开关接入的情况下检测所述第二分压器上的所述第二频率的第一信号分量，以及在仅所述第二开关接入的情况下检测所述第二分压器上的所述第三频率的第二信号分量，根据所述第一信号分量与所述第二信号分量确定所述分压电路的电路参数是否异常。

Description

分压电路参数的检测电路和电能计量芯片

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和电能计量芯片。

背景技术

在供电系统中，电压的测量一般都是经过采样网络将待测量电压衰减到模数变换器(Analog to Digital Converter，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数字处理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采样网络传输函数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。

然而，一旦采样网络中的片外组件(如电阻分压器)受到各种外力影响，如静电、过电压、浪涌等情况，可能会导致电压测量通道的传输函数变化，造成电压测量误差，更进一步与电流测量结合在一起造成电能计量的误差。另外，随着智能电表的发展，要求不仅仅具有电能计量具有准确测量功能，同时还要求具有故障检测、故障定位、上报电表异常情况等功能。

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和电能计量芯片，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、第二分压器和第三分压器，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：

在所述第一分压器与所述第二分压器的连接端输入的，由第一开关接入的具有第二频率的第二信号源；

在所述第二分压器与所述第三分压器的连接端输入的，由第二开关接入的具有第三频率的第三信号源；

所述电压测量模块用于在仅所述第一开关接入的情况下检测所述第二分压器上的所述第二频率的第一信号分量，以及在仅所述第二开关接入的情况下检测所述第二分压器上的所述第三频率的第二信号分量，根据所述第一信号分量与所述第二信号分量确定所述分压电路的电路参数是否异常。

进一步地，所述电压测量模块具体用于所述电压测量模块具体用于对所述第一信号分量和所述第二信号分量进行处理，分别得到第一信号分量的幅度值、相位值和第二信号分量的幅度值、相位值，并根据所述第一信号分量幅度值与所述第二信号幅度值的比值、所述第一信号分量的相位变化、所述第二信号分量的相位变化中的至少一种确定所述分压电路的电路参数是否异常。

进一步地，所述第一分压器、所述第二分压器及所述第三分压器均为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。

进一步地，所述第二信号源或者是第三信号源的产生电路中使用的反馈电阻与所述第一分压器的温度系数相同。

进一步地，所述第二信号源和第三信号源为交流电流源。

进一步地，所述第二信号源包括一运算放大器、第一电流镜像管、第二电流镜像管及所述反馈电阻，其中：

所述运算放大器的反相输入端接基准电压，输出端接所述第一电流镜像管和所述第二电流镜像管的控制端，同相输入端接所述第一电流镜像管的低电位端并通过所述反馈电阻接地，所述第一电流镜像管和所述第二电流镜像管的高电位端接电源电压，所述第二电流镜像管的低电位端作为所述第二信号源的输出端。

进一步地，所述第三信号源与所述第二信号源为同一信号源电路。

进一步地，所述第二频率和第三频率相同或不相同，且均与所述第一频率为非整数倍关系。

进一步地，所述第二分压器、第三分压器及电压测量模块为集成电路的片内器件，所述第一分压器和所述第二信号源或者是第三信号源的产生电路中使用的反馈电阻为集成电路的片外器件。

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、校准方法在常规电压测量通道中引入额外信号源，借助交流信号源的已知信息和一定的开关时序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。进一步地，通过此检测电路和方法，合理选择具有相同温度系数的片外电阻(第一分压器和信号源产生电路中使用的反馈电阻)，可使得测量电压系统带有温度补偿效果，可进一步提高电压测量精度，减小电压测量结果受温度漂移的影响。

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为本实用新型第二实施例提供的分压电路参数的检测电路的示意图；

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第二电流源的示例原理图；

图4为本实用新型实施例提供的分压电路参数的检测电路中分压电路的示例原理图；

图5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一开关处于闭合状态时和第二开关处于断开状态时的示意图；

图6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一开关处于断开状态时和第二开关处于闭合状态时的结构示意图。

图7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一开关和第二开关均处于断开状态时的示意图。

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201耦合的分压电路100，所述分压电路100包括串联的第一分压器202、第二分压器203和第三分压器204，所述第二分压器 203上并联有电压测量模块200。检测电路还包括具有第二频率的第二信号源 208a和第三信号源208b。

第二信号源208a在所述第一分压器202与所述第二分压器203的连接端输入的，由第一开关206接入；第三信号源208b在所述第二分压器203与所述第三分压器204的连接端输入的，由第二开关207接入。电压测量模块200用于在仅所述第一开关206接入的情况下检测所述第二分压器203上的所述第二频率的第一信号分量，以及在仅所述第二开关207接入的情况下检测所述第二分压器203上的所述第二频率的第二信号分量，根据所述第一信号分量与所述第二信号分量确定所述分压电路100和所述第二信号源208a的电路参数是否异常；同时可以确定，所述第二信号源208a的电路参数(信号源产生电路中使用的反馈电阻)是否异常。

另外，参考图1，第二信号源208a和第三信号源208b频率可以相同，也可以不同，幅度可以相同，也可以不同；参考图2，第二信号源和第三信号源可以是同一个信号源208提供。第一分压器202、所述第二分压器203及所述第三分压器204均为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路

请参阅图2，更具体的实施方式中，分压电路参数的检测电路包括被测量电压Vm(第一信号源201)；分压电路100为电压采样网络，由第一电阻R_ext1(第一分压器202)、第二电阻R_int1(第二分压器203)、第三电阻R_int2(第三分压器204)构成，采样网络的存在主要是将待检测信号衰减至模数转换单元205 的安全可输入范围内；电压测量模块200包括模数转换单元205和数字信号处理单元209、210，电压测量模块200既作为测量信号处理单元，又作为检测信号处理单元；检测信号源300由时序开关s₁(第一开关206)、s₂((第二开关 207)和交流电流源V_REF/R_ext2(第二信号源208)构成，电阻R_ext2为第二信号源 208的信号源产生电路中使用的反馈电阻，在本实用新型中，检测信号经过电压采样网络在模数单元输入端产生检测信号，检测信号经过信号处理单元产生检测值。

在本实用新型中，被测量电压Vm的频率与交流电流源V_REF/R_ext2的频率不同，所述第二频率和第三频率均为所述第一频率的非整数倍。例如被测量电压V_m频率为50Hz时，交流电流源V_REF/R_ext2频率可选为432Hz。交流电流源V_REF/R_ext2主要是由基准电压源、运算放大器、电流镜像管与反馈电阻组合产生的电流源。实际电流源内部电路可通过开关来控制此电流源的输出波形为交流信号。

第一开关206和第二开关207为MOS管，主要是用来控制交流电流源的接入点，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206和第二开关207并不同时闭合。正常测量时可将第一开关206和第二开关207均断开，需要检测片分压电路参数是否出现故障时可考虑将第一开关206和第二开关 207分别独立闭合。

作为一优选实施例，所述第二信号源208的信号源产生电路中使用的反馈电阻R_ext2内阻与所述第一分压器202的温度系数相同。同时可借助反馈电阻R_ext2的温度系数来抵消测量通道第一分压器202的温度系数。如此，第二信号源208的反馈电阻R_ext2可以放在片外，主要原因是通过选择任意温度系数的片外电阻可得到任意温度系数的交流电流源。

作为一优选实施例，电压测量模块200具体用于所述电压测量模块200具体用于对所述第一信号分量和所述第二信号分量进行处理，分别得到第一信号分量的幅度值、相位值和第二信号分量的幅度值、相位值，并根据所述第一信号分量幅度值与所述第二信号幅度值的比值、所述第一信号分量的相位变化、所述第二信号分量的相位变化中的至少一种确定所述分压电路100的电路参数是否异常。

参考图3，作为一优选实施例，第二信号源208包括一运算放大器Amp、第一电流镜像管Q1、第二电流镜像管Q1及反馈电阻R_ext2。结合图1，第二信号源208a和第三信号源208b为同一信号源电路，即可以跟图3中第二信号源 208相同。

运算放大器Amp的反相输入端接基准电压V_REF，输出端接所述第一电流镜像管Q1和所述第二电流镜像管Q1的控制端，同相输入端接所述第一电流镜像管Q1的低电位端并通过所述反馈电阻R_ext2接地，所述第一电流镜像管Q1和所述第二电流镜像管Q1的高电位端接电源电压VCC，所述第二电流镜像管Q1 的低电位端作为所述第二信号源208的输出端。引入交流电流源不会给正常电压测量带来任何影响，电流源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200中模数转换单元205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。电流源的电流大小要适中以确保模数转换单元205输入端口的信号幅度在模数转换单元 205的安全输入范围。

所述第二分压器203、第三分压器204及电压测量模块200为集成电路的片内器件，所述第一分压器202和所述第二信号源208的反馈电阻R_ext2为集成电路的片外器件。选择将第二信号源208的反馈电阻R_ext2放在片外的主要原因是通过选择任意温度系数的片外电阻可得到任意温度系数的电流源。同时可借助反馈电阻R_ext2的温度系数来抵消测量通道第一电阻R_ext1的温度系数。

参考图4，分压电路100并不限定阻抗种类，如图中的Z0、Z1、Z2可以是电阻、电容、电感等阻抗，也可以是它们的组合，例如电阻电容并联等阻抗。如果采样网络包含了电容、电感等元器件，可通过同时监测检测信号的幅度和相位改变量来定位故障源。

交流电流源需要借助高精度带隙基准电压V_REF与片外电阻R_ext2来实现，而高精度带隙基准电压V_REF又是ADC所必需的，因此高精度带隙基准电压可直接共用。交流电流源电路可通过开关来控制电流源电路的开关状态，而开关的控制信号由数字控制，这样可以方便产生交流电流源。

片内电阻R_int1与R_int2选择放置片内的原因是减小片外组件，同时片内电阻比较稳定可靠，不易出现故障。虽然片内电阻精度受制造工艺出现偏差，但是出厂时可以标定阻值大小，以便于后续精确计算片外电阻阻值。

分压电路参数的检测电路工作过程：为了推导简单可假设第二分压器203 和第三分压器204的阻值R_int1＝R_int2，工作过程其实可以根据开关S₁、S₂的状态来划分：

Step1：请参阅图5，开关S₁闭合，S₂断开，此时假设第二信号源208频率为fi，假设待测电压信号V_m是交流信号且频率为f_u，且f_i≠f_u同时满足f_i、f_u两频率不能存在整数倍关系，此处的假设主要是保证后续的模数转换单元205和数字信号处理单元209、210过程能正确区分出不能频率点的信号幅度和相位。

定义第二信号源208经过分压电路100在模数转换单元205输入端产生的电压信号为U_{0，fi_1}。

单独计算第二信号源208经过分压电路100产生的电压信号(第一信号分量)U_{0，fi_1}，

(假设R_int1＝R_int2)

Step2：请参阅图6，开关S₁断开闭合，S₂闭合，此时第二信号源208依然是交流信号且频率为fi，定义高精度交流电流源经过分压电路100在模数转换单元205输入端产生的电压信号为U_{0，fi_2}。

单独计算第二信号源208经过分压电路100产生的电压信号(第二信号分量)U_{0，fi_2}。

通过公式1、公式2的操作，可分别得到开关S₁、S₂分别单独开启时的交流电流源信号测量结果，令两次测量结果相除：

由于电路设计中第二电阻R_int1是片内已知阻值的电阻，且可通过出厂标定知道精确阻值，通过公式3可得出第一电阻R_ext1的精确值R_{ext1_real}，且很容易通过与第一电阻实际标定值比较得出此片外电阻是否受各种外力影响而发生故障。

将第一电阻R_ext1的精确值R_{ext1_real}代入公式1或者公式2可求出反馈电阻 (第二信号源产生电路中使用的反馈电阻R_ext2)的精确值R_{ext2_real}，因此可判断反馈电阻R_ext2是否出现故障。如此，两个片外器件均可检测是否出现故障，且能精确定位故障源。

在常规电压测量通道中引入额外交流电流源，借助交流电流源的已知信息和一定的开关时序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。同时，通过此电压测量装置和电压测量方法，合理选择具有相同温度系数的片外电阻(R_ext1、R_ext2)，可使得测量电压系统带有温度补偿效果，可进一步提高电压测量精度，减小电压测量结果受温度漂移的影响。

其中，施加的交流电流源信号，可以是各种周期性信号，例如，正弦波信号、方波信号、三角波信号等。

此外，公开了一种分压电路参数的检测方法，包括以下步骤：

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、第二分压器和第三分压器

步骤二：在所述第二分压器的第一端由第一开关接入具有第二频率的第二信号源，在所述第二分压器的第二端由第二开关接入具有第三频率的第三信号源；

步骤三：在仅所述第一开关接入的情况下检测所述第二分压器上的所述第二频率的第一信号分量，以及在仅所述第二开关接入的情况下检测所述第二分压器上的所述第三频率的第二信号分量；

步骤四：根据所述第一信号分量与所述第二信号分量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，步骤四具体为：

对所述第一信号分量和所述第二信号分量进行处理，分别得到第一信号分量的幅度值、相位值和第二信号分量的幅度值、相位值，并根据所述第一信号分量幅度值与所述第二信号幅度值的比值、所述第一信号分量的相位变化、所述第二信号分量的相位变化中的至少一种确定所述分压电路的电路参数是否异常。

分压电路参数的检测方法的具体实施方式请参照图5和图6及其具体说明。

在一个优选的实施例中，还包括：

在所述第一开关和所述第二开关断开接入的情况下检测所述第二分压器上的所述第一频率的第三信号分量；

根据所述第一信号分量与所述第三信号分量校准所述分压电路参数，具体是根据所述第一信号分量与所述第三信号分量的比值校准所述分压电路参数。

请参阅图7，开关S₁、S₂均断开，则经分压电路100得到的ADC输入电压信号(第三信号分量)为：

(假设R_int1＝R_int2)

对于开关S₁、S₂的闭合、断开状态并不改变待检测信号V_m在其交流频点经过分压电路100后得到的电压信号。此特性表明在借助交流电流源进行片外组件故障检测时并不会干扰待测信号的测量。

通过公式1和公式4相除可得下式：为开关S₁闭合、S₂断开时ADC 量化的交流电流信号频点的电压值，为ADC量化的待测电压信号频点的电压值。

根据公式5可知，基准电压V_REF可认为是零温度系数，如果选择具有同等温度系数的片外电阻R_ext1、R_ext2，这样根据公式5可以得出如下结论：即待测电压V_m的测量结果与引入交流电流信号测量的结果的比值是与温度无关的量。这也就是说通过交流电流源信号测量结果可以补偿待测量电压信号的温度系数。这能更进一步提高电压检测的精度，同时也无需具有极低温度系数的高精度电阻，只需要具有同等温度系数的电阻对即可。从公式5可以看到，选择具有相同温度系数的片外电阻(R_ext1、R_ext2)，可使得整个电压测量装置的电压测量结果带有温度补偿效果。如果将之前求解得到的片外电阻R_ext1、R_ext2精确值 R_{ext1_real}、R_{ext2_real}带入公式5，则可以根据Y校准分压电路参数。

上述检测方法，不仅能够检测片外组件是否出现故障，还能够稳定可靠地定位故障源，将之前求解得到的片外电阻(R_ext1、R_ext2)的精确值R_{ext1_real}、 R_{ext2_real}结合校准方法的公式(5)可以直接得到准确的检测信号(线电压)V_m的大小，如此根据Y校准分压电路参数。同时，通过选择合适的片外电阻(R_ext1、 R_ext2)(具有相同的温度系数)，可使得整个测量系统具有温度补偿功能。

该电压测量装置实施简单，仅需要两个片外电阻，交流电流源可借助片内的高精度基准来实现，这样会大大降低设计复杂度。

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，第一开关和第二开关的开关状态可以预先在电压测量模块中设置为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 (11)

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、第二分压器和第三分压器，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：

在所述第一分压器与所述第二分压器的连接端输入的，由第一开关接入的具有第二频率的第二信号源；

在所述第二分压器与所述第三分压器的连接端输入的，由第二开关接入的具有第三频率的第三信号源；

所述电压测量模块用于在仅所述第一开关接入的情况下检测所述第二分压器上的所述第二频率的第一信号分量，以及在仅所述第二开关接入的情况下检测所述第二分压器上的所述第三频率的第二信号分量，根据所述第一信号分量与所述第二信号分量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，所述电压测量模块具体用于所述电压测量模块具体用于对所述第一信号分量和所述第二信号分量进行处理，分别得到第一信号分量的幅度值、相位值和第二信号分量的幅度值、相位值，并根据所述第一信号分量幅度值与所述第二信号幅度值的比值、所述第一信号分量的相位变化、所述第二信号分量的相位变化中的至少一种确定所述分压电路的电路参数是否异常。

3.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、所述第二分压器及所述第三分压器均为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。

4.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第二信号源或者是第三信号源的产生电路中使用的反馈电阻与所述第一分压器的温度系数相同。

5.如权利要求1或4所述的检测电路，其特征在于，所述第二信号源和第三信号源为交流电流源。

6.如权利要求4所述的检测电路，其特征在于，所述第二信号源包括一运算放大器、第一电流镜像管、第二电流镜像管及所述反馈电阻，其中：

所述运算放大器的反相输入端接基准电压，输出端接所述第一电流镜像管和所述第二电流镜像管的控制端，同相输入端接所述第一电流镜像管的低电位端并通过所述反馈电阻接地，所述第一电流镜像管和所述第二电流镜像管的高电位端接电源电压，所述第二电流镜像管的低电位端作为所述第二信号源的输出端。

7.如权利要求6所述的检测电路，其特征在于，所述第三信号源与所述第二信号源为同一信号源电路。

8.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第二频率和第三频率相同或不相同，且均与所述第一频率为非整数倍关系。

9.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、第三分压器及电压测量模块为集成电路的片内器件，所述第一分压器、所述第二信号源和第三信号源的产生电路中使用的反馈电阻为集成电路的片外器件。

10.一种电能计量芯片，其特征在于，所述电能计量芯片包括如权利要求1至9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。

11.一种电能计量芯片，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9任一项所述的检测电路。