CN210982709U - 分压电路参数的检测电路和电能计量芯片 - Google Patents

Abstract

本申请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，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；电压测量模块输入端设置用于配置输入阻抗、共模抑制以及线性度的缓冲器，电压测量模块用于检测所述第二分压器上的所述第二频率的第一信号分量，根据所述第一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

本申请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

电能计量系统智能化的发展要求建立智能电网，这样可有利于加强电网的自动化和信息化，增强电网自我防护能力，更好的维护电网的运营和安全。智能电能计量系统要求实现电能计量的数字化、标准化、网络化和智能化。其数字化是指采用新技术实现新型数字式电能计量装置，实现基础数据的精准性和可靠性；其智能化是指在准确的电能计量数据的基础上，能存储用户的用电信息、电能表的工作信息(比如计量精度是否发生改变)、电能表的异常情况(短路、开路、窃电等异常情况)。因此具有精准的自动故障检测的电能表是智能电能计量系统的重要构成部分。

目前，带故障检测的电压测量装置中，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；同时经过采样网络后将专门的检测信号送给ADC，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，通过观测检测信号的幅度和相位变化，可以知道片外采样网络中的片外组件故障，从而知道电压测量误差是多少。而由于电压测量装置的内阻不够大，和采样网络一起作用后，导致ADC输入端的检测信号幅度随ADC内阻变化而剧烈变化，因此ADC内阻随着工艺变化时会影响检测信号的测量精度；同时ADC输入端的检测信号为高共模/弱差分信号，要求ADC能够提供高共模抑制比，而一般的ADC不具有高共模抑制，会影响检测信号的测量精度。

发明内容

本申请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由于内阻不够大和ADC不具有高共模抑制而影响测量精度问题。

本申请实施例的第一方面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：

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，所述第二信号源具有第二频率；

所述电压测量模块输入端设置一按需求配置阻抗、共模抑制以及线性度的缓冲器，所述电压测量模块用于检测所述第二分压器上的所述第二频率的第一信号分量，根据所述第一信号分量确定所述分压电路的电路参数是否异常。

本申请实施例的第二方面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。

本申请实施例的第三方面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在输入侧增加了一个缓冲器，缓冲器能设置成具有高输入阻抗的特性，可以消除ADC内阻有限对故障检测信号精度的影响；缓冲器还能设置具有高共模抑制的特性，可以抑制检测信号的共模部分，保证了高共模缓冲器的输出(ADC的输入)处的故障检测信号不再具有高共模信号，从而减轻了ADC的共模抑制压力，提高了故障检测信号的测量精度；同时缓冲器能设置具有高线性度的特性，可以保证电压测量装置在对强幅度的被测量电压信号进行测量时的线性度要求。

附图说明

图1为传统的分压电路参数的检测电路的示意图；

图2为本申请第一实施例提供的分压电路参数的检测电路的模块示意图；

图3为图1示出的检测电路中电压测量模块的第一实施例的原理示意图；

图4为图1示出的检测电路中电压测量模块的第二实施例的原理示意图；

图5为图1示出的检测电路中电压测量模块的第三实施例的原理示意图；

图6为图5示出的检测电路中测量信号和检测信号的波形；

图7为本申请第二实施例提供的分压电路参数的检测电路的原理示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

请参阅图1，其中V_m(图1标号201)为被测量电压；虚线框100为电压采样网络，由R_ext1(图1标号202)、R_int1(图1标号203)、R_int2(图1标号204)构成，采样网络的存在主要是将待检测信号衰减至ADC的安全可输入范围内；虚线框200为信号处理单元，由模数转换单元(图1标号205)和数字信号处理单元(图1标号209、210)构成，在现有方案中，虚线框200既作为测量信号处理单元，又作为检测信号处理单元；虚线框300为检测信号源，由时序开关S₁、S₂(图1标号206、207)和交流电流源(图1标号208)构成，在现有方案中，检测信号经过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。

当开关S₂闭合，S₁断开，此时假设交流电流源频率为f_i，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，ADC输入阻抗定义为R_adc,in。

定义交流电流源经过电阻分压器在ADC输入端产生的电压信号为U_{0,fi_1}。

单独计算交流电流源经过电阻分压器产生的差分电压信号U_{0,fi_1_dm}：

由于电压测量中，一般都是经过采样网络将待测量电压衰减到ADC的输入电压安全范围以内，常用的R_ext1为1M ohms，R_int1/R_int2为1K ohms，如果ADC内阻R_adc,in在200K～220Kohms之间变化(工艺参数决定了ADC内阻变化范围)，则检测信号的差分电压部分U_{0,fi_1_dm}变化了大约为8％左右，因此严重影响了检测信号的测量精度。

单独计算交流电流源经过电阻分压器产生的共模电压信号U_{0,fi_1_cm}：

根据常用的R_ext1/R_int1/R_int2以及ADC内阻R_adc,in值，可以得到U_{0,fi_1}的共模信号比差分信号高300倍以上，因此的ADC本身存在随机失配会把U_{0,fi_1}的共模信号转化为差分信号，同样影响检测信号的测量精度。

电压测量装置在对故障检测信号进行测量的同时，也需要进行正常的电压测量，这个被测量的电压信号是强差分信号，要求电压测量装置具有高线性度的特征。

请参阅图2，本申请一实施例提供的分压电路参数的检测电路在上述传统方案的基础上，并省略R_ext1、R_int1之间接入的信号源，在ADC前面增加了一个高输入阻抗/高共模抑制/高线性度的缓冲器。

因此，本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10耦合的分压电路20，分压电路20包括串联的第一分压器21、第二分压器22以及第三分压器23，第二分压器22上并联有电压测量模块30，检测电路还包括第二信号源40，第二信号源40在第二分压器303与第三分压器的连接端输入，第二信号源40具有第二频率；电压测量模块30输入端设置用于配置输入阻抗、共模抑制以及线性度的缓冲器31，电压测量模块30用于检测第二分压器22上的第二频率的第一信号分量，根据第一信号分量确定分压电路20的电路参数是否异常。同时可以确定，第二信号源40的电路参数(信号源产生电路中使用的反馈电阻)是否异常。

在带故障检测的检测电路基础上，加了一个高输入阻抗/高共模抑制/高线性度的缓冲器31，可以消除了检测信号随着检测电路内阻变化而剧烈变化的现象，同时可以抑制检测信号的共模部分，而且满足检测电路的线性度要求。即保证了检测信号的测量精度，又可以满足进行电压测量时的线性度要求。

可以理解的是，第二信号源40也可以通过第一开关(图未示)接入，电压测量模块30在仅第一开关接入的情况下检测第一信号分量。第二信号源40为交流电流源。另外，被测量电压V_m的频率与第二信号源40的频率不同，第二频率为第一频率的非整数倍。例如被测量电压V_m频率为50Hz时，第二信号源40频率可选为432Hz。第二信号源40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。第一分压器21、第二分压器22及第三分压器23均为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。

作为一实施例，缓冲器31的内阻R_in在100M ohms以上，比如在200M～300M ohms之间。

请参阅图3，作为一实施例，电压测量模块30包括缓冲器31、模数转换单元(器)32和数字信号处理单元(器)33。电压测量模块30在对故障检测信号(第一信号分量)进行测量的同时，也需要检测第二分压器22上的第一频率的第二信号分量(电压测量信号)，还根据第一信号分量和第二信号分量校正分压电路20的电路参数，并根据第二信号分量和校正后的分压电路20的电路参数进行正常的电压测量。

结合图2和图3，假设第二信号源40频率为f_i，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，缓冲器31输入阻抗定义为R_in。

定义第二信号源40经过分压电路20在缓冲器31的输入端产生的电压信号为U_{0,fi_1}。

单独计算第二信号源40经过分压电路20产生的差分电压信号U_{0,fi_1_dm}：

由于电压测量中，一般都是经过采样网络(分压电路20)将待测量电压衰减到模数转换单元31的输入电压安全范围以内，常用的第一分压器21的阻值R_ext1为1M ohms，第二分压器22和第三分压器23的阻值R_int1、R_int2为1K ohms，如果缓冲器内阻R_in在200M～300Mohms之间变化(最恶劣的缓冲器内阻变化范围)，则检测信号的差分电压部分U_{0,fi_1_dm}变化了大约为0.1％左右，因此检测信号的测量精度基本不受缓冲器内阻变化的影响。

单独计算第二信号源40经过分压电路20产生的共模电压信号U_{0,fi_1_cm}：

根据常用的第一分压器21、第二分压器22及第三分压器23以及缓冲器31的内阻R_in值，可以得到U_{0,fi_1}的共模信号比差分信号高2000倍以上，因此缓冲器31要求本身的共模抑制能力很强，既可以消除检测信号的共模值，保证模数转换单元31输入端的检测信号只有差分部分，从而减轻模数转换单元31的共模抑制要求；同时缓冲器本身的不会把检测信号的共模部分转化为差分信号。缓冲器上述特征保证了检测信号的测量精度不受检测信号共模部分的影响。

同时缓冲器31要求本身的线性度高，因为被测量电压V_m是强输入信号，信号幅度很大，要求测量装置本身的线性度足够，才能满足被测量电压V_m的测量精度。

请参阅图4，作为另一实施例，电压测量模块30包括第一缓冲器301、第二缓冲器302、测量校正单元303以及电压测量单元304。

第一缓冲器301用于配置输入阻抗和共模抑制，第一缓冲器301与第二分压器并联，测量校正单元303与第一缓冲器301连接；可以理解的是，测量校正单元303包括模数转换器和数字信号处理器。测量校正单元303用于检测第二分压器上的第二频率的第一信号分量，根据第一信号分量确定分压电路的电路参数是否异常，当电路参数异常时校正分压电路参数。第二缓冲器302用于配置线性度，第二缓冲器302与第二分压器并联，电压测量单元304与第二缓冲器302连接；可以理解的是，电压测量单元304包括模数转换器和数字信号处理器。电压测量单元304用于检测第二分压器上的第一频率的第二信号分量，测量校正单元303是根据第一信号分量与第二信号分量校正所述分压电路参数。电压测量单元304根据第二信号分量以及校正后的分压电路参数进行电压测量。

本实施例中，电压测量信号和故障检测信号分别用不同的通道进行测量，在实现对故障检测信号进行校正的同时，不影响测量信号的正常测量；避免了在电压测量通道同时引入检测信号和测量信号，检测信号的校正会影响到电压测量装置的正常测量。

请参阅图5，电压测量模块30还包括误差校正开关305，误差校正开关305与第二分压器22并联，误差校正开关305与第一缓冲器301串联，误差校正开关305用于将接入到测量校正单元304的模数转换器的信号进行正负翻转。请参阅图6，当带测量校正单元303开启校正功能时，误差校正开关305在T1时间段和T2时间端交换测量校正单元303的正负输入端，在测量校正单元303的输入端的检测信号命名为V_edt，图6显示了测量校正单元303的V_edt波形和电压测量模块30的V_m波形，从图6可以看出，当测量校正单元303对V_edt信号进行校正时，电压测量模块30的V_m信号完全不受影响，可以正常工作，因此也不影响最终电能表的电能计量。

请参阅图7，检测电路还包括具有第三频率的第三信号源50。第三信号源50在第一分压器21与第二分压器22的连接端输入；电压测量模块30还用于检测第二分压器22上的第三频率的第三信号分量，根据第三信号分量确定分压电路的电路参数是否异常。作为另一种实施例，第三信号源50和第二信号源40为同一个信号源，通过另一支路在第一分压器21与第二分压器22的连接端输入。

作为一优选实施例，电压测量模块30中的测量校正单元303具体用于对第一信号分量和第三信号分量进行处理，分别得到第一信号分量的幅度值、相位值和第三信号分量的幅度值、相位值，并根据第一信号分量的幅度值变化、第三信号的幅度值变化、第一信号分量的相位变化、第三信号分量的相位变化中的至少一种确定分压电路20的电路参数是否异常。

第三信号源50也为交流电流源，第二信号源40和第三信号源50频率可以相同，也可以不同，幅度可以相同，也可以不同。

第三信号源50/第二信号源40也可以通过第二开关(图未示)接入，测量校正单元303在仅第二开关接入的情况下检测第二信号分量。第三信号源50为交流电流源，被测量电压V_m的频率与第三信号源50的频率不同，第三频率为第一频率的非整数倍。例如被测量电压V_m频率为50Hz时，第三信号源50频率可选为432Hz。第三信号源50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。

作为一实施例，第二信号源40、第三信号源50的信号源电路中使用的内阻反馈电阻与第一分压器21的温度系数相同。同时可借助反馈电阻的温度系数来抵消测量通道第一分压器21的温度系数。如此，第二信号源40、第三信号源50的反馈电阻可以放在片外，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。

第二分压器22、第三分压器23以及电压测量模块30为集成电路的片内器件，第一分压器21、第二信号源40以及第三信号源50的产生电路中使用的反馈电阻为集成电路的片外器件。选择将第二信号源40、第三信号源50的反馈电阻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的温度系数来抵消测量通道第一电阻R_ext1的温度系数。

分压电路20并不限定阻抗种类，如下图中的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。

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，合理选择具有相同温度系数的片外电阻，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。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。

本申请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。在本申请实施例中，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。

本申请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的检测电路。

上述分压电路参数的检测电路在输入侧增加了一个缓冲器，缓冲器能设置成具有高输入阻抗的特性，可以消除ADC内阻有限对故障检测信号精度的影响；缓冲器还能设置具有高共模抑制的特性，可以抑制检测信号的共模部分，保证了高共模缓冲器的输出(ADC的输入)处的故障检测信号不再具有高共模信号，从而减轻了ADC的共模抑制压力，提高了故障检测信号的测量精度；同时缓冲器能设置具有高线性度的特性，可以保证电压测量装置在对强幅度的被测量电压信号进行测量时的线性度要求。

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

Claims (10)

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：

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，所述第二信号源具有第二频率；

所述电压测量模块输入端设置用于配置输入阻抗、共模抑制以及线性度的缓冲器，所述电压测量模块用于检测所述第二分压器上的所述第二频率的第一信号分量，根据所述第一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，所述缓冲器的输入阻抗为100M ohms以上。

3.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述电压测量模块包括第一缓冲器、第二缓冲器、电压测量单元以及测量校正单元，其中:

所述第一缓冲器用于配置输入阻抗和共模抑制，所述第一缓冲器与所述第二分压器并联，所述测量校正单元与所述第一缓冲器连接；所述测量校正单元用于检测所述第二分压器上的所述第二频率的第一信号分量，根据所述第一信号分量确定所述分压电路的电路参数是否异常，当电路参数异常时校正所述分压电路参数；

所述第二缓冲器用于配置线性度，所述第二缓冲器与所述第二分压器并联，所述电压测量单元与所述第二缓冲器连接；所述电压测量单元用于检测所述第二分压器上的所述第一频率的第二信号分量，根据所述第二信号分量以及校正后的所述分压电路参数进行电压测量。

4.如权利要求3所述的检测电路，其特征在于，所述电压测量模块还包括误差校正开关，所述误差校正开关与所述第二分压器并联，所述误差校正开关与所述第一缓冲器串联，所述误差校正开关用于将接入到所述测量校正单元的信号进行正负翻转。

5.如权利要求3或4所述的检测电路，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，具有第三频率的第三信号源；

所述电压测量模块还用于检测所述第二分压器上的所述第三频率的第三信号分量，根据所述第三信号分量确定所述分压电路的电路参数是否异常。

6.如权利要求5所述的检测电路，其特征在于，所述测量校正单元具体用于对所述第一信号分量和所述第三信号分量进行处理，分别得到第一信号分量的幅度值、相位值和第三信号分量的幅度值、相位值，并根据所述第一信号分量的幅度值变化、所述第三信号的幅度值变化、所述第一信号分量的相位变化、所述第三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。

7.如权利要求5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；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。

8.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第二分压器、第三分压器以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产生电路中使用的反馈电阻为集成电路的片外器件。

9.一种电能计量芯片，其特征在于，所述电能计量芯片包括如权利要求1至8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。

10.一种电能计量芯片，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8任一项所述的检测电路。

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