DE19630605A1

DE19630605A1 - Multiplikationsschaltung für Leistungs-Meßgerät

Info

Publication number: DE19630605A1
Application number: DE1996130605
Authority: DE
Inventors: Krosnov Michail Nicolaevic; Kouzioukine Alexej Micajlovic
Original assignee: Tech Antriebstechnik und GmbH
Current assignee: EASYMETER GMBH, 21079 HAMBURG, DE
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 1998-02-05
Also published as: EP0916096A1; CN1226968A; WO1998004926A1; CN1213307C; EA001361B1; EA199900176A1

Description

Das technische Gebiet der Erfindung sind die Leistungs- Meßgeräte, mit denen ein Momentanwert für eine aktuell aus einem Netz entnommenen Leistung berechnet wird, wobei der Strom und die Spannung des Netzes beide variabel sind, die Spannung weniger, dennoch spürbar, der Strom deutlich, da er mit seinem Effektivwert wesentlich die Leistung bestimmt, namentlich ob Strom in einer bestimmten Höhe entnommen wird (entnommene Leistung liegt vor) oder der Strom nahezu Null ist (keine Leistung wird entnommen).

Sigma-Delta-Wandler werden in der EP 90 31 3050.8 beschrieben, sie werden dort auch im Zusammenhang mit einer Leistungs- Meßeinrichtung beschrieben, allerdings wird in dem genannten Stand der Technik noch ein (dort mit 5 benannter) Analog/Digital-Umsetzer (ADU) verwendet, der hinsichtlich der Kosten in einem in hohen Stückzahlen hergestellten Gerät nicht vorteilhaft ist.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, die Kosten in einem solchen Gerät zu senken und gleichzeitig die Genauigkeit beizubehalten oder sogar zu verbessern. Erreicht wird das mit Anspruch 1 oder Anspruch 10. Dabei wird der Ausgang eines Sigma- Delta-Wandlers (oder: Modulator) mit seinem Bitstrom eingesetzt, um das Vorzeichen eines zweiten Analogsignals in seiner Polarität umzuschalten, proportional zur Bitstromdichte des Ausgangssignals des ersten Modulators (SDM). Die Umschaltung des Vorzeichens wird von der "Multiplizier-Einrichtung" vorgenommen, die aber kein analoger Multiplizierer im üblichen schaltungstechnischen Sinn ist, sondern gemäß Anspruch 6, Alternativen (a) oder (b) ausgestaltet sein kann.

Die Erfindung erreicht es dabei, ohne einen analogen Multiplizierer für die analogen Meßsignale von Strom und Spannung auszukommen, ohne einen Analog/Digital-Umsetzer mit Parallel-Ausgang auszukommen und als Folge letzteren Verzichtes auch ohne einen digitalen Multiplizierer auszukommen, wenn die Leistung mit ihrem Momentanwert bestimmt werden soll.

Das Verfahren gemäß Anspruch 10 arbeitet mit einem ersten Bitstrom hoher Frequenz, der ein digitaler Bitstrom ist. Dieser Bitstrom moduliert ein (zweites) Analogsignal und schafft damit ein Basissignal u_y, das sowohl beeinflußt ist von dem ersten Analogsignal, als auch von dem zweiten Signal, und damit die Voraussetzung erfüllt, aus ihm ein Produktsignal u_z zu bestimmen. Wird das erste Analogsignal, das die Bitstromdichte des Sigma-Delta-Modulators bestimmt, spannungs-proportional gewählt und wird das zweite Analogsignal stromproportional gewählt, so ergibt sich in dem Produktsignal die Leistung, die bei Auswertung des Niederfrequenz-Anteiles des hochfrequent polaritäts-umschaltenden Basissignals zum Vorschein kommt.

Die oben erwähnte "Multiplikation", die in gängigen Leistungs- Meßgeräten als Analogmultiplizierer enthalten ist, beschränkt sich bei obigen Prinzipien darauf, eine Vorzeichenumkehr oder eine Multiplikation mit ±1 zu sein, was mit einfacher Schaltungstechnik kostengünstig aufzubauen ist. Ein komplexer digitaler Multiplizierer kann ebenfalls entfallen, der zwar ohne die Offset-Problematiken des Analogmultiplizierers aufzubauen wäre, der aber hinsichtlich seines Schaltungsaufwandes erheblich ist und bei Erreichen einer noch hinreichenden Genauigkeit eine Vielzahl von Binärstellen benötigt.

Der Eingangswert des zweiten Sigma-Delta-Wandlers entspricht damit der momentanen Leistung, wird durch die Wirkung des Modulators auf ein digitales Niveau umgesetzt und kann über einen Aufwärts/Abwärts-Zähler in eine entnommene Energie (kWh, sogenannte "Arbeit") umgeformt werden. Der Integrator kann analog oder digital aufgebaut sein (Anspruch 4), bevorzugt wird der erwähnte Aufwärts/Abwärts-Zähler.

Es ist wichtig zu erwähnen, daß die erfindungsgemäßen Vorschläge nicht nur für Wechselspannungs-Analogsignale (Netzspannung, Netzstrom) eingesetzt werden können, sondern auch für solche "Wechselspannungen", die eine sehr geringe Frequenz haben, sogar bis zur Frequenz Null. Mithin ist die Schaltung auch geeignet, Gleichspannungssignale miteinander zu multiplizieren, ohne daß Analogmultiplizierer oder Analog/Digital-Umsetzer in Gestalt eines Wandlers verwendet werden, der ausgehend von einem Sample/Hold-Baustein eine digitale Abtastwert-Repräsentation des im Sample/Hold-Baustein gespeicherten Analogwertes zur Verfügung stellt. Gerade letztere Bausteine sind in der Schaltungstechnik teuer und aufwendig und sie werden erfindungsgemäß vermieden.

Die Multiplikation eines Vorzeichens läßt sich einfach durch eine Brückenschaltung von 4 Analogschaltern erreichen (Anspruch 6, erste Alternative), die Analogschalter werden kreuzweise angesteuert und gesperrt, so daß entweder das eingehende Analogsignal über den sehr niederohmigen Durchlaßwiderstand des ersten Paares von Analogschaltern unverändert durchgeschaltet wird oder aber eine Vertauschung der beiden Eingangsleitungen erfolgt und das Signal invertiert über das andere Paar von niederohmig leitenden Analogschaltern als ein solches Signal weitergegeben wird, das mit -1 multipliziert wurde.

Offset und Nichtlinearität von Analogschaltern sind schaltungstechnisch ausgezeichnet in den Griff zu bekommen und können keine Einflüsse auf die erfindungsgemäße Schaltung ausüben.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltung läßt sich mit kostengünstigem Aufwand eine hohe Klassengenauigkeit der Leistungs-Meßgeräte erreichen.

Es kann zusätzlich auch eine Offset-Unterdrückungsschaltung nach Art eine Chopper-Verstärkers erreicht werden, wenn zwei Inverterstufen auf digitalem Niveau vor der Vorzeichen- Invertiereinrichtung und nach dem zweiten Sigma-Delta-Modulator angeordnet werden und synchron invertierend oder nicht invertierend geschaltet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert und ergänzt.

Fig. 1 ist eine Blockschaltbild-Repräsentation eines Spannungs/Strom-Multiplizierers, in einer Anwendung als Wechselspannungs-Multiplizierer. Die Eingangssignale a′(t) und b′(t) können auch Gleichstrom-Signale sein (Wechselspannung mit der Frequenz Null).

Fig. 2 ist eine Detail-Schaltung von Fig. 1.

Fig. 3 ist eine Schaltung mit einer digitalen Offset-Korrektur durch zwei Exklusiv-Oder-Gater 50a, 50b und eine 6 Hz Frequenz f_c.

Fig. 4 ist eine alternative Gestaltung des "Multiplizierers" 20, der eine Vorzeichen-Umkehr gesteuert durch das Bitstrom-Dichtesignal u_x des ersten Sigma-Deta-Wandlers 10 ausführt, wobei die alternative Ausführungsform mit zwei Multiplexern 21a, 21b ausgeführt ist, die von den beiden Frequenzen f₁, f₂ (in MHz-Bereich) angesteuert werden, die auch die Schaltung der Fig. 1 als SC-Technik steuert. Ein einheitliches Schaltungskonzept kann verwendet werden.

Claims

1. Multiplikationsschaltung für eine Leistungs- oder Energie-Meßeinrichtung (P, W, 30, 40), bei der

(a) ein erstes gemessenes (9) Analogsignal (u) einem ersten Sigma-Delta-Wandler (SDM1; 10) zugeführt ist, dessen Ausgang eine Multiplizier-Einrichtung (20; 20a, 20b, 20c, 20d; 21a, 21b, 22a, 22b) steuert;
(b) der Multiplizier-Einrichtung (20) ein zweites gemessenes (19) Analogsignal (i) zugeführt ist;
(c) der Ausgang der Multiplizier-Einrichtung (20) einem zweiten Sigma-Delta-Wandler (SDM2; 30) zugeführt ist, an dessen Ausgang ein Ausgangssignal (p(t)) zur Verfügung gestellt wird, das den Momentanwert eines Produktes aus erstem und zweitem Analogsignal (u, i) repräsentiert.

2. Schaltung nach Anspruch 1, bei der

(a) das erste Signal ein in seinem Effektivwert weniger schwankendes Wechselsignal, insbesondere ein die Netzspannung (u_Netz(t)) repräsentierendes Signal ist;
(b) das zweite Signal eine in seinem Effektivwert deutlich stärker schwankendes Wechselsignal, insbesondere ein den Netzstrom (i_Netz(t)) repräsentierendes Signal ist.

3. Schaltung nach Anspruch 2, bei dem Netzspannung und Netzstrom von einer 110 V-, 220 V- oder 380 V-Ebene gemessen (9, 19) werden.

4. Schaltung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der das Ausgangssignal (p(t)) einem Analog- oder Digital- Integrator (40) zugeführt ist, insbesondere einem Aufwärts/Abwärts-Zähler, dessen Zählstufen in der Lage sind, für zumindest eine, vorzugsweise aber zwei und mehr Periode(n) der Wechsel-Analogsignale (u, i) das Binär- Ausgangssignal des zweiten Sigma-Delta-Wandlers (30) ohne Überlauf zu zählen, so daß der Ausgang des Integrators (40) fortlaufend die geleistete Arbeit (w(t)) der beiden Analogsignale repräsentiert.

5. Schaltung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der eine erste und zweite digitale Inverterstufe (50a, 50b), insbesondere je ein Exclusiv-Oder-Gatter, vor der Multiplizier-Einrichtung (20) bzw. nach dem zweiten Sigma- Delta-Modulator (30) angeordnet ist, welche Inverter mit einer niedrigen Frequenz (f_c) synchron angesteuert werden, um den Offset in der Multiplizierschaltung langfristig zu kompensieren.

6. Schaltung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Multiplizier-Einrichtung (20) aufgebaut ist:

(a) als vier Analogschalter (20a, 20b, 20c, 20d) in einer Brückenschaltung, wobei der Brückenzweig der Ausgang und das obere bzw. untere Brückenende der erste Eingang der Multiplizier-Einrichtung (20) ist und wobei der zweite Eingang der Multiplizier-Einrichtung (20) ein digitaler Eingang ist, der jeweils zwei Analogschalter (20a, 20d; 20b, 20c) gleichzeitig durchschaltet und gleichzeitig sperrt, wobei die gleichzeitig durchgeschalteten und gleichzeitig gesperrten Analogschalter je ein oberer Analogschalter der einen Brückenhälfte und ein unterer Analogschalter der anderen Brückenhälfte sind, um abhängig vom Ausgangssignal (u_x) des ersten Sigma-Delta- Modulators (10) die Analogschalter zu betätigen und das zweite Analogsignal (i) gemäß der Schaltstellung der Analogschalter direkt oder polaritäts-invertiert zu übertragen;
(b) als zwei Multiplexer (21a, 21b), deren Multiplexer- Eingänge zusammengeschaltet sind und den zweiten Eingang der Multiplizier-Einrichtung (20) bilden, dem das Ausgangssignal des ersten Sigma-Delta-Modulators (10) zugeführt wird, wobei der erste Eingang der Multiplizier-Einrichtung (20) je einen Analogschalter (22a, 22b) aufweist, die entweder das zweite Analogsignal (i) oder das analog-invertierte zweite Analogsignal (-i) abhängig von dem Ausgangssignal der Multiplexer (21a, 21b) als Ausgangssignal der Multiplizier- Einrichtung (20) durchlassen, und wobei den beiden Multiplexern an ihren jeweils zwei Eingängen, die vom Multiplexersignal ausgewählt werden, gegensinnige Frequenzsignale (f₁, f₂; f₂, f₁) fest zugeordnet sind, die nicht überlappende Taktsignale für die Analogschalter- Steuerung der in SC-Schaltung (switched capacitor circuity) aufgebauten Sigma-Delta-Wandler (10, 30) sind.

7. Schaltung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Sigma-Delta-Wandler (30, 10) eine zum analogen Eingangs signal (u, ±i) proportionale Bitstromdichte an ihrem Ausgang abgeben, in der das Verhältnis der Logisch-Eins-Pegel zu den Logisch-Null-Pegeln dem Momentanwert des Eingangssignals proportional ist (SD-Modulator erster Ordnung).

8. Schaltung nach einem der vorigen Ansprüche, bei der eine erste Frequenz (f₁, f₂), mit der die Sigma-Delta-Modulatoren (10, 30) betrieben werden, wesentlich höher ist, als die Frequenz der Wechsel-Analogsignale (u, i); und/oder die Schaltfrequenz der niedrigen Frequenz (f_c) gemäß Anspruch 5 deutlich unter der Frequenz (f_u, f_i) der Wechsel- Analogsignale (u, i) liegt, soweit Wechselsignale als Eingangssignale verwendet werden.

9. Schaltung nach Anspruch 8, bei der die Betriebsfrequenz der Sigma-Delta-Modulatoren (10, 30) im MHz-Bereich, die Frequenz (f_u, f_i) der Wechsel-Analogsignale im Bereich von 20 bis 1000 Hz und die Schaltfrequenz der digitalen Inverterstufen (50a, 50b) unter 10 Hz liegt.

10. Verfahren zum Erfassen des Momentanwerts der Leistung (p(t)) in einer Meßeinrichtung, insbesondere für Netzspannung und Netzstrom, bei welchem Verfahren

(a) ein digitaler Bitstrom hoher Frequenz (u_x) in der Dichte der beiden logischen Pegel proportional zu einem ersten Analogsignal (u) gesteuert wird, dessen Frequenz (f_u) wesentlich geringer ist als die Frequenz des Bitstroms;
(b) der erste digitale Bitstrom (u_x) das Vorzeichen oder die Polung (10) eines zweiten Analogsignals (i), dessen Frequenz (f_i) in der Größenordnung des ersten Analogsignals liegt, umschaltet, um ein hochfrequent polaritäts-umschaltendes Basissignal (u_y) zu erhalten, das für eine Produktsignal-Bestimmung (u_z) geeignet ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Basissignal (u_y) ohne AD-Wandlung mit Parallel-Ausgang oder (analoge/digitale) Produktbildung auf seinen Niederfrequenz- Anteil hin ausgewertet wird, insbesondere durch einen zweiten Sigma-Delta-Modulator (30), dessen Ausgang das Produktsignal (u_z) abgibt.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem das erste Analogsignal eine gemessene Spannung (u), insbesondere die Netzspannung des Haushaltsnetzes ist, und das zweite Analogsignal der gemessene Strom (i) der vorgenannten Netzversorgung ist, um als Produktsignal (u_z) die dem Netz entnommene Leistung (p(t)) als Momentanwert zu bestimmen.

13. Verfahren nach einem der erwähnten Verfahrensansprüche, bei dem die Betriebsfrequenzen (f₁, f₂) der Sigma-Delta- Modulatoren (10, 30) etwa um den Faktor 10⁵ bis 10⁶ gegenüber den Frequenzen (f_u, f_i) der Wechsel-Analogsignale größer sind, jedoch soweit analoge Gleichsignale verwendet werden, die Betriebsfrequenzen oberhalb von 1 MHz liegen.

14. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, bei dem die Analogsignale analoge Wechselsignale sind.

15. Vorrichtung oder Verfahren nach einem der erwähnten Ansprüche, bei der die Multiplizier-Einrichtung (20) eine Vorzeichen- Invertiereinrichtung ist.