CN208432658U - 一种符合ir46标准的电能表及其模拟前端 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种符合IR46标准的电能表的模拟前端，包括：用于采集电压信号以及电流信号的采样电路；输入端与采样电路连接的抗混叠滤波器；输入端与抗混叠滤波器的输出端连接，输出端与电能表的控制单元连接，用于进行模数转换以及数字信号处理的计量芯片主体；输入端与计量芯片主体中的PGA连接，输出端与计量芯片主体中的ADC连接的巴特沃斯滤波器；其中，当电能表为单相表时，巴特沃斯滤波器为8‑10阶，当电能表为三相表时，巴特沃斯滤波器为9‑11阶。由于巴特滤波器的上述阶数设置，使得电能表的模拟前端符合IR46的标准。本申请的方案还提供了一种符合IR46标准的电能表，具有相应技术效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及电能计量技术领域，特别是涉及一种符合IR46标准的电能表及其模拟前端。
背景技术
国际法制计量组织于2012年公布了有功电能表推荐标准R46-1-2/3系列标准，本申请中简称为IR46标准，该标准对电能表的高次谐波计量能力提出了新的要求，对于单相表，要求电压和电流计量回路要能够通过15-40次谐波由低至高以及由高至低的电压和电流回路叠加试验，而此前使用的旧国标GB/T17215系列标准，仅要求通过5次谐波叠加试验。
电能表的模拟前端包含了电压和电流的信号采样，滤波，模数转换以及数字信号的处理等功能，模数转换以及数字信号的处理通常会集成在计量芯片中。图1所示的是现有技术中的计量芯片的基本结构示意图，该计量芯片的输入端用于接收电压和电流的采样信号，该计量芯片将ADC(Analog-to-Digital Converter，模/数转换器)以及DSP(DigitalSignal Processing，数字信号处理)等功能模块进行了集成，部分计量芯片中会设计基于ADC的梳状滤波器，计量芯片的输出端则用于连接电能表的控制单元，包括电能表的MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)以及显示电路等。要使得电能表符合IR46标准，则需要重新设计电能表的模拟前端，使得新的模拟前端符合该标准的要求。
综上所述，设计一种符合IR46标准的模拟前端，是目前本领域技术人员急需解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种符合IR46标准的电能表及其模拟前端。
为解决上述技术问题，本实用新型提供如下技术方案：
一种符合IR46标准的电能表的模拟前端，包括：
用于采集电压信号以及电流信号的采样电路；
输入端与所述采样电路连接的抗混叠滤波器；
输入端与所述抗混叠滤波器的输出端连接，输出端与电能表的控制单元连接，用于进行模数转换以及数字信号处理的计量芯片主体；
输入端与所述计量芯片主体中的可编程增益放大器PGA连接，输出端与所述计量芯片主体中的模数转换器ADC连接的巴特沃斯滤波器；
其中，当所述电能表为单相电能表时，所述巴特沃斯滤波器为8-10阶的巴特沃斯滤波器，当所述电能表为三相电能表时，所述巴特沃斯滤波器为9-11阶的巴特沃斯滤波器。
优选的，当所述电能表为单相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC的采样速率高于7.54ksps的计量芯片主体；
当所述电能表为三相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC的采样速率高于12ksps的计量芯片主体。
优选的，当所述电能表为单相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC的采样速率为7.6ksps-8.2ksps的计量芯片主体；
当所述电能表为三相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC的采样速率为12ksps-16ksps的计量芯片主体。
优选的，当所述电能表为单相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC为HC-49S型、工作频率为4.032MHz、采样速率为7875sps，或者为HC-49S型、工作频率为4.14MHz、采样速率为8086sps，或者为HC-49S型、工作频率为4.1952MHz、采样速率为8193sps的计量芯片主体；
当所述电能表为三相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC为HC-49S型、工作频率为13.1072MHz、采样速率为12.8ksps，或者为HC-49S型、工作频率为16.3840MHz、采样速率为16ksps的计量芯片主体。
优选的，所述抗混叠滤波器为无源RC滤波器。
优选的，当所述电能表为单相电能表时，所述无源RC滤波器为截止频率大于31.2khz的滤波器；
当所述电能表为三相电能表时，所述无源RC滤波器为截止频率大于62.5khz的滤波器。
优选的，当所述电能表为单相电能表时，所述无源RC滤波器为其中的滤波电阻为1.0kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为4.7nF，或者其中的滤波电阻为1.1kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为4.7nF，或者其中的滤波电阻为100Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为47nF，或者其中的滤波电阻为110Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为47nF的滤波器；
当所述电能表为三相电能表时，所述无源RC滤波器为其中的滤波电阻为1.0kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为2.2nF，或者其中的滤波电阻为1.1kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为2.2nF，或者其中的滤波电阻为100Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为22nF，或者其中的滤波电阻为110Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为22nF的滤波器。
优选的，当所述电能表为单相电能表时，所述采样电路包括电压采样电路，火线电流的锰铜采样电路以及零线电流的互感器采样电路；
当所述电能表为三相电能表时，所述采样电路包括电压采样电路，电流的互感器采样电路。
优选的，当所述电能表为单相电能表时，所述锰铜采样电路包括锰铜分流器以及第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述锰铜分流器的第一输入端连接，所述第一电阻的第二端与所述锰铜分流器的第二输入端连接。
一种符合IR46标准的电能表，包括上述任一项所述的符合IR46标准的电能表的模拟前端。
应用本实用新型所提供的技术方案，包括：用于采集电压信号以及电流信号的采样电路；输入端与采样电路连接的抗混叠滤波器；输入端与抗混叠滤波器的输出端连接，输出端与电能表的控制单元连接，用于进行模数转换以及数字信号处理的计量芯片主体；输入端与计量芯片主体中的可编程增益放大器PGA连接，输出端与计量芯片主体中的模数转换器ADC连接的巴特沃斯滤波器；其中，当电能表为单相电能表时，巴特沃斯滤波器为8-10阶的巴特沃斯滤波器，当电能表为三相电能表时，巴特沃斯滤波器为9-11阶的巴特沃斯滤波器。
本申请的方案中，将巴特沃斯滤波器的输入端与计量芯片主体中的PGA连接，输出端与计量芯片主体中的ADC连接，以通过巴特沃斯滤波器进行滤波，由于当电能表为单相电能表时，巴特沃斯滤波器为8-10阶的巴特沃斯滤波器，可以使得电压和电流的15-40次谐波无衰减地通过，使得该模拟前端满足IR46的标准，相应的，当电能表为三相电能表时，巴特沃斯滤波器为9-11阶的巴特沃斯滤波器，使得该三相电能表的模拟前端符合IR46的标准。因此，本申请提供的电能表的模拟前端符合IR46标准。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的计量芯片的结构示意图；
图2为本实用新型中符合IR46标准的电能表的模拟前端的一种结构示意图；
图3为本实用新型一种具体实施方式中单相表的计量芯片主体与巴特沃斯滤波器的连接结构示意图；
图4为带通滤波器的信号带宽示意图；
图5为本实用新型中巴特沃斯滤波器的等效电路原理图；
图6为本实用新型中不同阶数的巴特沃斯滤波器的频率响应特征曲线；
图7为本实用新型一种具体实施方式中三相表的计量芯片主体与巴特沃斯滤波器的连接结构示意图；
图8为无源RC滤波器的频率响应特征曲线；
图9为本实用新型一种具体实施方式中电压采样电路的结构示意图；
图10为本实用新型一种具体实施方式中符合IR46标准的三相四线的电能表的模拟前端的结构示意图；
图11为本实用新型一种具体实施方式中符合IR46标准的三相三线的电能表的模拟前端的结构示意图；
图12为本实用新型一种具体实施方式中火线电流的锰铜采样电路的结构示意图；
图13为本实用新型一种具体实施方式中零线电流的互感器采样电路的结构示意图；
图14为本实用新型一种具体实施方式中符合IR46标准的单相电能表的模拟前端的结构示意图。
具体实施方式
本实用新型的核心是提供一种符合IR46标准的电能表的模拟前端。
为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
请参考图2，图2为本实用新型中一种符合IR46标准的电能表的模拟前端的结构示意图，该模拟前端包括：
用于采集电压信号以及电流信号的采样电路10。
该采样电路10内，可以包括电压采样电路以及电流采样电路，通过电压采样电路获得相应线路的电压信号，通过电流采样电路获得相应线路的电流信号，并最终将采集的电压信号以及电流信号传输至计量芯片主体30。需要说明的是，电压采样电路以及电流采样电路的设计，均可以根据实际情况进行相应的设定以及调整，并不影响本实用新型的实施，例如在具体实施时，根据线路中的电流大小的不同，电流采样电路可以包含有多种形式，例如针对单相电能表的零线电流以及单相电能表的火线电流，设计两种不同的电流采样电路。
输入端与采样电路10连接的抗混叠滤波器20。
抗混叠滤波器20通常用于过滤掉高频的干扰信号，具体的，通常可以用于过滤掉高于ADC采样频率2倍的干扰信号。抗混叠滤波器20通常设置在采样电路10以及计量芯片主体30之间。
输入端与抗混叠滤波器20的输出端连接，输出端与电能表的控制单元连接，用于进行模数转换以及数字信号处理的计量芯片主体30。
本申请中描述的计量芯片主体30可以参照现有技术中的计量芯片，即计量芯片主体30可以接收电压和电流的采样信号，实现ADC以及DSP等功能，可以向电能表的控制单元发送相应的数据，此处描述的电能表的控制单元可以包括电能表的MCU以及显示电路等部件。例如图3的结构图中，可以将除去3路巴特沃斯滤波器40的剩余部分视为该种实施方式中的计量芯片主体30，其中的V1P，V1N，V2P，V2N，V3P以及V3N作为计量芯片主体30的输入端，IRQ_N/ZX，PF以及QF作为计量芯片主体30的输出端。当然，需要指出的是，图2中示出的是巴特沃斯滤波器40与计量芯片主体30中的PGA(Pmgrammable Gain Amplifier，可编程增益放大器)以及ADC的连接关系，并未示出计量芯片主体30中的其他结构，图3中给出的是一种具体实施方式中的计量芯片主体30的结构，在实际应用中，可以根据实际情况对计量芯片主体30的结构进行相应的设定以及调整，例如根据实际需要在计量芯片主体30中增加部分功能模块，并不影响本实用新型的实施。
输入端与计量芯片主体30中的可编程增益放大器PGA连接，输出端与计量芯片主体30中的模数转换器ADC连接的巴特沃斯滤波器40；
其中，当电能表为单相电能表时，巴特沃斯滤波器40为8-10阶的巴特沃斯滤波器40，当电能表为三相电能表时，巴特沃斯滤波器40为9-11阶的巴特沃斯滤波器40。
有源带通滤波器的信号带宽，指的是信号从0dB衰减到-3dB时的信号的上下频率之间的差值，可参见图4，fH可以称为上限截止频率，fL可以称为下限截止频率。考虑到交流电能表的特点，选取的带通滤波器的下限截止频率应该为0Hz，即可以使得直流分量通过该有源带通滤波器。
申请人考虑到巴特沃斯滤波器40在通频带内外都有平稳的幅频特性，并且设计简单，易于制作，因此选取巴特沃斯滤波器40作为有源带通滤波器，以使得该模拟前端能够满足IR46标准的要求，获取到相应次数的谐波。
图5所示为巴特沃斯滤波器40的等效电路原理图，图中，电阻RS可以为1Ω，电容和电感的参数数值匹配关系可以为：
电容其中的k为奇数；
电感其中的k为偶数。
其中的n为巴特沃斯滤波器40的阶数。其截止频率为：此处的截止频率可以理解为前文中的上限截止频率。该巴特沃斯滤波器40的传递函数为：其中，ω为输入信号的频率，ωc为截止频率，n为巴特沃斯滤波器40的阶数。
由传递函数可以看出，当ω＝0时，|H(ω)|2＝1，即说明输入信号的直流分量可以通过巴特沃斯滤波器40，当ω＝ωc时，|H(ω)|2＝0.5，即此时输入信号衰减至-3dB。巴特沃斯滤波器40的频率响应特征曲线可以参阅图6，图6中给出了2阶，5阶，10阶以及20阶的巴特沃斯滤波器40的频率响应特征曲线。可以看出频率响应|H(ω)|2为单调减函数，不会出现幅度响应的起伏，当n-→∞时，巴特沃斯滤波器40趋向理想的低通滤波器，即巴特沃斯滤波器40的阶数越高，频率增益近似为1的平直段越宽。
巴特沃斯滤波器40在不同阶数下的|H(ω)|的真值表可以参见表1。
表1：
考虑到当电能表为单相电能表时，要求考核到40次谐波的误差，即需要使得40次谐波无衰减地通过该单相电能表的模拟前端，针对50Hz的交流电，巴特沃斯滤波器40的截止频率应该设置在2kHz以上。并且，申请人考虑到，在实际应用中，交流电能表计量的交流电的额定频率在50～60Hz之间，再预留±10％的频率允差，同时，考虑到计量时交流电的频率波段范围为45～66Hz，那么，巴特沃斯滤波器40的截止频率应该设置在2.64kHz以上，使得实际应用中40次的谐波频率能够被准确计量。
此外，还考虑到计量通常要求的0.2％以内的动态增益误差为红线，即需要使得|H(ω)＞0.998，因此，将ω＝2.64kHz作为频率边界，可以选用的巴特沃斯滤波器40的截止频率ωc的真值表可参见表2。
表二：
表2中，从上至下，每一列的最后一个频率，表示的即为：在当前阶数的巴特沃斯滤波器40的情况下，并且满足ω＝2.64kHz作为频率边界，|H(ω)|＞0.998，该巴特沃斯滤波器40所需要的最小截止频率。也就是说，当选取5阶巴特沃斯滤波器40时，该5阶巴特沃斯滤波器40需要将截止频率至少设为5.28kHz。
申请人考虑到巴特沃斯滤波器40的截止频率设置地越高，则对后续的ADC的采样速率的要求则越高，也就使得计量芯片主体30的设计难度增加，功耗也变高。因此，在具体实施时，对于单相的符合IR46标准的电能表，本申请的模拟前端可以选取8-10阶的巴特沃斯滤波器40，并且将选取的巴特沃斯滤波器40的截止频率设置为3.77kHz。在实际应用中，对于精度要求不高的IR46普通单相电能表，其模拟前端可以采用8阶的巴特沃斯滤波器40，对于高精度的单相智能电能表，其模拟前端可以选取8-10阶的巴特沃斯滤波器40。
前文中以单相电能表为例对巴特沃斯滤波器40的选取过程做出了详尽的描述，对于三相电能表的模拟前端而言，也可以采用相应的巴特沃斯滤波器40的设计。可参阅图7，图7中，在7路PGA之后，增加了7路的巴特沃斯滤波器40。
三相电能表通常要求能够计量0-63次的谐波分量，基波和谐波的有功电能在0.1％误差以内时，动态范围不少于5000∶1。由单相电能表的相应描述可推知，需要准确计量0-63次的谐波，巴特沃斯滤波器40的截止频率应该设置在4.2kHz以上。相应的，以将ω＝4.2kHz作为频率边界，可以选用的巴特沃斯滤波器40的截止频率ωc的真值表可参见表3。
表三：
因此，对于三相的符合IR46标准的电能表，本申请的模拟前端可以选取8-11阶的巴特沃斯滤波器40，并且将选取的巴特沃斯滤波器40的截止频率设置为6.0kHz。考虑到在实际应用中，对于精度要求不高的IR46普通1级三相电能表，其模拟前端可以采用8阶的巴特沃斯滤波器40，对于常见的高精度的三相智能电表，模拟前端可以采用9-11阶的巴特沃斯滤波器40。相应的，应将巴特沃斯滤波器40的截止频率设为6.0kHz。
应用本实用新型所提供的技术方案，包括：用于采集电压信号以及电流信号的采样电路；输入端与采样电路连接的抗混叠滤波器；输入端与抗混叠滤波器的输出端连接，输出端与电能表的控制单元连接，用于进行模数转换以及数字信号处理的计量芯片主体；输入端与计量芯片主体中的可编程增益放大器PGA连接，输出端与计量芯片主体中的模数转换器ADC连接的巴特沃斯滤波器；其中，当电能表为单相电能表时，巴特沃斯滤波器为8-10阶的巴特沃斯滤波器，当电能表为三相电能表时，巴特沃斯滤波器为9-11阶的巴特沃斯滤波器。
本申请的方案中，将巴特沃斯滤波器的输入端与计量芯片主体中的PGA连接，输出端与计量芯片主体中的ADC连接，以通过巴特沃斯滤波器进行滤波，由于当电能表为单相电能表时，巴特沃斯滤波器为8-10阶的巴特沃斯滤波器，可以使得电压和电流的15-40次谐波无衰减地通过，使得该模拟前端满足IR46的标准，相应的，当电能表为三相电能表时，巴特沃斯滤波器为9-11阶的巴特沃斯滤波器，使得该三相电能表的模拟前端符合IR46的标准。因此，本申请提供的电能表的模拟前端符合IR46标准。
在本实用新型的一种具体实施方式中，当电能表为单相电能表时，计量芯片主体30为其中的ADC的采样速率高于7.54ksps的计量芯片主体30；
当电能表为三相电能表时，计量芯片主体30为其中的ADC的采样速率高于12ksps的计量芯片主体30。
考虑到ADC的采样速率通常应大于信号带宽的2倍。在前文描述中可以得知，当电能表为单相电能表时，巴特沃斯滤波器40的信号带宽为3.77kHz，当电能表为三相电能表时，巴特沃斯滤波器40的信号带宽为6.0kHz。因此，当电能表为单相电能表时，计量芯片主体30中的ADC的采样速率至少应该高于7.54ksps，当电能表为三相电能表时，计量芯片主体30中的ADC的采样速率至少应该高于12ksps。此外，在具体实施时，考虑到ADC的采样频率过高，计量芯片主体30的设计难度也会变高，相应的功耗也变高，因此，根据表2以及表3的计算结果，当电能表为单相电能表时，可以将ADC的采样速率设置为7.6ksps-8.2ksps，当电能表为三相电能表时，可以将ADC的采样速率设置为12ksps-16ksps。
在具体实施时，单相计量芯片通常采用49S型晶体振荡器，其主频真值表可以参见表4。
表4：
考虑到ADC采样外部晶体振荡器作为工作节拍时，如果避开与50Hz和60Hz的整数倍频率相同的采样速率，可以进一步降低电源噪声影响，则可以将ADC的优选工作主频设为4.032MHz、4.14MHz和4.1952MHz。即ADC可选取为HC-49S型、工作频率为4.032MHz、采样速率为7875sps，或者为HC-49S型、工作频率为4.14MHz、采样速率为8086sps，或者为HC-49S型、工作频率为4.1952MHz、采样速率为8193sps。
相应的，对于三相电能表而言，计量芯片主体30中的ADC可以为HC-49S型、工作频率为13.1072MHz、采样速率为12.8ksps，或者为HC-49S型、工作频率为16.3840MHz、采样速率为16ksps。
在本实用新型的一种具体实施方式中，抗混叠滤波器20为无源RC滤波器。
在对模拟信号进行离散化采集前，可以采用低通滤波器滤除高于1/2采样频率的频率成份，以解决频率混叠。在实际电表的设计过程中，抗混叠低通滤波器的截止频率通常为：采样速率/2.56。由前文可知，对于满足IR46要求的模拟前端，当电能表为单相电能表时，ADC的采样速率近似为8ksps，因此，抗混叠滤波器20的截止频率应为3.125kHz。
考虑到无源RC滤波器结构简单，制作方便，在具体实施时，抗混叠滤波器20可以为无源RC滤波器。
可参阅图8，为无源RC滤波器的频率响应特征曲线，可以得知，当选取无源RC滤波器作为抗混叠滤波器20时，要使得信号不失真，该无源RC滤波器的最低截止频率应为31.2kHz。基于相同的原理，当电能表为三相电能表时，无源RC滤波器应为截止频率大于62.5khz的滤波器。
在本实用新型的一种具体实施方式中，当电能表为单相电能表时，考虑到无源RC滤波器可以为截止频率为31.2kHz的滤波器，此时：并且考虑到常用的电阻以及电容的阻值，可以将无源RC滤波器中的滤波电阻设置为1.0kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为4.7nF，或者将其中的滤波电阻设置为1.1kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为4.7nF，或者将其中的滤波电阻设置为100Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为47nF，或者将其中的滤波电阻设置为110Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为47nF的滤波器。
相应的，当电能表为三相电能表时，可以将无源RC滤波器中的滤波电阻设置为1.0kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为2.2nF，或者将其中的滤波电阻设置为1.1kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为2.2nF，或者将其中的滤波电阻设置为100Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为22nF，或者将其中的滤波电阻设置为110Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为22nF的滤波器。
需要指出的是，上文中给出的是具体实施方式中优选的滤波电阻以及滤波电容的设置方式，在其他实施方式中，可以对滤波电阻和滤波电容进行相适应的调整，并不影响本实用新型的实施。例如，当电能表为单相电能表时，可以将无源RC滤波器中的滤波电阻设置为2.2kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为2.2nF。但需要指出的是，最为推荐的还是针对单相电能表的：滤波电阻设置为1.0kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为4.7nF，或者将滤波电阻设置为1.1kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为4.7nF。以及针对三相电能表的：滤波电阻设置为1.0kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为2.2nF，或者将滤波电阻设置为1.1kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为2.2nF。
在本实用新型的一种具体实施方式中，当电能表为单相电能表时，采样电路10包括电压采样电路，火线电流的锰铜采样电路以及零线电流的互感器采样电路；当电能表为三相电能表时，采样电路10包括电压采样电路，电流的互感器采样电路。
可参见图9，为本实用新型中电压采样电路的原理图，对于三相电能表以及单相电能表而言，均可以采用图9所示的电压采样电路。
当电能表为单相电能表时，可以将Ua接入单相电能表的零线中，R1～R6可以为封装的330kΩ±1％50ppm/℃的精密电阻，图9中的电阻R以及电阻C构成了无源RC滤波器，即图9中将与采样电路10连接的抗混叠滤波器20也示出，图12以及图13亦是如此。图9中的该无源RC滤波器的电阻以及电容按照前文的描述进行选取即可。需要指出的是，电压采样电路中，采用的是差分信号作为输入，且进入计量芯片主体30之前，分压网络的输入滤波电路与低电位的输入滤波电路必须完全一致。当来自电网的干扰导致地电位发生波动时，V3P和V3N将发生同等幅值的变化，也就使得波动量在计量芯片主体30的ADC输入端相互抵消，进而不会对计量结果产生不利影响。
三相电能表通常包括三相三线以及三相四线的接线方式，对于三相四线的电能表，有A/B/C三相3路分压测量电路，对于三相中的每一相，均可以采用图9所示的电压采样电路。对于三相三线的电能表，有AB/CB两线共2路分压测量电路，对于这两路，也可以采用图9的原理。可参见图10以及图11，分别为具体实施时，三相四线以及三相三线的电能表的模拟前端的结构示意图。
当电能表为单相电能表时，火线电流通常采用锰铜采样电路10，可参阅图12，其中，r0是锰铜的阻值，通常选择175～350μΩ，当然也可以根据实际应用中电能表的量程进行合理选择。在该种实施方式中，设置有第一电阻Rs，第一电阻的第一端与锰铜分流器的第一输入端连接，第一电阻的第二端与锰铜分流器的第二输入端连接，此处的锰铜分流器可以视为图12中除去第一电阻的剩余部分。在锰铜分流器的设计中，当锰铜输出引线在装配过程中碰断线后，由于V1P和V1N信号悬空，外界的任何干扰都可能导致计量芯片输入信号突变，经计量芯片主体30的放大后，会输出高频电量脉冲，俗称飞走。考虑到这种情况，本实用新型的该种实施方式中设置有第一电阻Rs，便可以防止锰铜输出引线碰断线后，V1P和V2N的信号悬空。第一电阻Rs可以采用低温度漂移、高耐压的精密电阻，阻值可以为510～1000Ω±1％50ppm/℃，即其阻值应远大于r0的金属膜电阻，防止影响计量的准确性。此外，当具体应用中，锰铜输出引脚直接与PCB焊接在一起时，可以不配置第一电阻Rs。
与电压采样电路相似，锰铜采样电路也采用了差分输入法，用来抵消由于电位干扰导致的地电位波动对计量结果的影响。在锰铜采样电路中，电阻R以及电容C即为无源RC滤波器。需要指出的是，在锰铜采样电路中，电阻R的阻值设置以及电容C的容值设置，应与电压采样电路中的相应设置保持完全一致。
当电能表为单相电能表时，可参阅图13，其零线电流采用的是互感器采样电路，图13中的r1为取样电阻，可以选择高耐压的5.1Ω±1％50ppm/℃的精密电阻。在零线电流采用的互感器采样电路中，电流信号经r1变换为电压信号后，输入到计量芯片主体30，也必须采用差分输入(V2P和V2N)，以将电网干扰的影响直接抵消。并且，图中也示出了滤波电路，其滤波电阻R以及滤波电阻C的设置，也应与锰铜采样电路以及电压采样电路中的相应设置保持完全一致。可参见图14，为一种具体实施方式中符合IR46标准的单相电能表的模拟前端的结构示意图，该种实施方式中，无源RC滤波电路的滤波电阻为1kΩ，滤波电容为4.7nF。
当电能表为三相电能表时，针对三相四线电能表，其A/B/C三相均使用电流互感器采样的方式，即对于三相中的任意一相，接线原理图可以均为图13所示，有一些特殊测量场合中，需要采样零线电流，此时，零线需要安装电流互感器，接线原理也与A/B/C相同。针对三相三线电能表，通常只需要测量A相和C相电流，所以，只有两路电流测量元件，每一相电流的接线方式也可以与图13相同。
本实用新型还提供了一种符合IR46标准的电能表，该电能表可以包括上述任一实施例中的符合IR46标准的电能表的模拟前端，此处不重复说明。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的技术方案及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种符合IR46标准的电能表的模拟前端，其特征在于，包括：
用于采集电压信号以及电流信号的采样电路；
输入端与所述采样电路连接的抗混叠滤波器；
输入端与所述抗混叠滤波器的输出端连接，输出端与电能表的控制单元连接，用于进行模数转换以及数字信号处理的计量芯片主体；
输入端与所述计量芯片主体中的可编程增益放大器PGA连接，输出端与所述计量芯片主体中的模数转换器ADC连接的巴特沃斯滤波器；
其中，当所述电能表为单相电能表时，所述巴特沃斯滤波器为8-10阶的巴特沃斯滤波器，当所述电能表为三相电能表时，所述巴特沃斯滤波器为9-11阶的巴特沃斯滤波器。
2.根据权利要求1所述的符合IR46标准的电能表的模拟前端，其特征在于，当所述电能表为单相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC的采样速率高于7.54ksps的计量芯片主体；
当所述电能表为三相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC的采样速率高于12ksps的计量芯片主体。
3.根据权利要求2所述的符合IR46标准的电能表的模拟前端，其特征在于，当所述电能表为单相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC的采样速率为7.6ksps-8.2ksps的计量芯片主体；
当所述电能表为三相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC的采样速率为12ksps-16ksps的计量芯片主体。
4.根据权利要求3所述的符合IR46标准的电能表的模拟前端，其特征在于，当所述电能表为单相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC为HC-49S型、工作频率为4.032MHz、采样速率为7875sps，或者为HC-49S型、工作频率为4.14MHz、采样速率为8086sps，或者为HC-49S型、工作频率为4.1952MHz、采样速率为8193sps的计量芯片主体；
当所述电能表为三相电能表时，所述计量芯片主体为其中的所述ADC为HC-49S型、工作频率为13.1072MHz、采样速率为12.8ksps，或者为HC-49S型、工作频率为16.3840MHz、采样速率为16ksps的计量芯片主体。
5.根据权利要求1所述的符合IR46标准的电能表的模拟前端，其特征在于，所述抗混叠滤波器为无源RC滤波器。
6.根据权利要求5所述的符合IR46标准的电能表的模拟前端，其特征在于，当所述电能表为单相电能表时，所述无源RC滤波器为截止频率大于31.2khz的滤波器；
当所述电能表为三相电能表时，所述无源RC滤波器为截止频率大于62.5khz的滤波器。
7.根据权利要求6所述的符合IR46标准的电能表的模拟前端，其特征在于，当所述电能表为单相电能表时，所述无源RC滤波器为其中的滤波电阻为1.0kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为4.7nF，或者其中的滤波电阻为1.1kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为4.7nF，或者其中的滤波电阻为100Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为47nF，或者其中的滤波电阻为110Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为47nF的滤波器；
当所述电能表为三相电能表时，所述无源RC滤波器为其中的滤波电阻为1.0kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为2.2nF，或者其中的滤波电阻为1.1kΩ±1％50ppm/℃、滤波电容为2.2nF，或者其中的滤波电阻为100Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为22nF，或者其中的滤波电阻为110Ω±1％50ppm/℃、滤波电容为22nF的滤波器。
8.根据权利要求1至7任一项所述的符合IR46标准的电能表的模拟前端，其特征在于，当所述电能表为单相电能表时，所述采样电路包括电压采样电路，火线电流的锰铜采样电路以及零线电流的互感器采样电路；
当所述电能表为三相电能表时，所述采样电路包括电压采样电路，电流的互感器采样电路。
9.根据权利要求8所述的符合IR46标准的电能表的模拟前端，其特征在于，当所述电能表为单相电能表时，所述锰铜采样电路包括锰铜分流器以及第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述锰铜分流器的第一输入端连接，所述第一电阻的第二端与所述锰铜分流器的第二输入端连接。
10.一种符合IR46标准的电能表，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的符合IR46标准的电能表的模拟前端。
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|---|---|---|---|
| CN201821076468.9U CN208432658U (zh) | 2018-07-06 | 2018-07-06 | 一种符合ir46标准的电能表及其模拟前端 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN201821076468.9U CN208432658U (zh) | 2018-07-06 | 2018-07-06 | 一种符合ir46标准的电能表及其模拟前端 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN208432658U true CN208432658U (zh) | 2019-01-25 |
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ID=65099553
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|---|---|
| CN (1) | CN208432658U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108535539A (zh) * | 2018-07-06 | 2018-09-14 | 南方电网科学研究院有限责任公司 | 一种符合ir46标准的电能表及其模拟前端 |
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2018
- 2018-07-06 CN CN201821076468.9U patent/CN208432658U/zh active Active
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