EA001361B1 - Multiplier circuit for power measurement equipment and method for measuring momentary value of power - Google Patents
Multiplier circuit for power measurement equipment and method for measuring momentary value of power Download PDFInfo
- Publication number
- EA001361B1 EA001361B1 EA199900176A EA199900176A EA001361B1 EA 001361 B1 EA001361 B1 EA 001361B1 EA 199900176 A EA199900176 A EA 199900176A EA 199900176 A EA199900176 A EA 199900176A EA 001361 B1 EA001361 B1 EA 001361B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- analog
- signal
- frequency
- sigma
- output
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R21/00—Arrangements for measuring electric power or power factor
- G01R21/133—Arrangements for measuring electric power or power factor by using digital technique
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06J—HYBRID COMPUTING ARRANGEMENTS
- G06J1/00—Hybrid computing arrangements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R22/00—Arrangements for measuring time integral of electric power or current, e.g. electricity meters
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F2200/00—Indexing scheme relating to amplifiers
- H03F2200/261—Amplifier which being suitable for instrumentation applications
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Fuzzy Systems (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Compression, Expansion, Code Conversion, And Decoders (AREA)
- Analogue/Digital Conversion (AREA)
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике измерения мощности, с помощью которой вычисляют мгновенное значение фактически забираемой из сети мощности, при этом ток и напряжение сети являются изменяющимися величинами, напряжение в меньшей степени, однако, ощутимо, а ток - более заметно, так как его действующее значение в значительной мере определяет мощность, а именно, либо ток отбирается с определенной величиной (имеет место отбираемая мощность) или ток почти равен нулю (мощность не отбирается).The invention relates to a technique for measuring power, with which the instantaneous value of the power actually taken from the network is calculated, and the current and voltage of the network are variable values, the voltage is less, however, noticeable, and the current is more noticeable, since its effective value is Significantly determines the power, namely, either the current is taken with a certain value (there is a withdrawn power) or the current is almost zero (no power is taken).
Преобразователи сигма-дельта описаны в ЕР 90313050.8, они описаны там в связи с устройством измерения мощности, однако, в этом уровне техники используют аналого-цифровой преобразователь (ΑΌυ) (обозначенный там позицией 5), который неблагоприятно сказывается на стоимости изготавливаемого в большом количестве прибора.Sigma-delta converters are described in EP 90313050.8, they are described there in connection with a power measurement device, however, in this level of technology, an analog-to-digital converter (ΑΌυ) (indicated by the position 5 there) is used which adversely affects the cost of an instrument manufactured in large quantities .
Задачей изобретения является снижение стоимости такого прибора при сохранении точности или даже повышении ее. Задача решается с помощью схемы умножения для устройства измерения мощности или энергии.The objective of the invention is to reduce the cost of such an instrument while maintaining accuracy or even increasing it. The problem is solved using a multiplication circuit for a device measuring power or energy.
При этом используют выход преобразователя сигма-дельта (или модулятора) с его током в битах для переключения знака полярности второго аналогового сигнала пропорционально плотности тока в битах выходного сигнала первого модулятора (8ΌΜ). Переключение знака осуществляет устройство умножения, которое, однако, не является аналоговым умножителем в обычном схемотехническом смысле, а может быть выполнено в виде альтернативных решений (а) и (Ь) согласно п.6 формулы изобретения.The output of the sigma-delta converter (or modulator) with its current in bits is used to switch the polarity sign of the second analog signal proportional to the current density in the output bits of the first modulator (8ΌΜ). Switching the sign is performed by a multiplication device, which, however, is not an analog multiplier in the usual circuit design sense, but can be made in the form of alternative solutions (a) and (b) according to claim 6 of the claims.
При этом с помощью изобретения достигается то, что можно обойтись без аналогового умножителя для аналоговых измерительных сигналов тока и напряжения, без аналогоцифрового преобразователя с параллельным выходом и, как следствие, названного последним также без цифрового умножителя, если необходимо измерить мгновенное значение мощности.With the help of the invention, it is achieved that it is possible to dispense with an analog multiplier for analog current and voltage measuring signals, without an analog-digital converter with parallel output and, as a result, also called the latter without a digital multiplier, if it is necessary to measure the instantaneous power value.
В способе согласно п.10 формулы изобретения работают с первым током в битах высокой частоты, который является цифровым током в битах. Этот ток в битах модулирует (второй) аналоговый сигнал и создает тем самым базисный сигнал иу, на который влияет первый аналоговый сигнал, а также второй сигнал и, таким образом, выполняется предпосылка определения из него сигнала перемножения υζ. Если выбрать первый аналоговый сигнал, который определяет плотность тока в битах модулятора сигма-дельта, пропорциональным напряжению, а второй аналоговый сигнал выбрать пропорциональным току, то в сигнале перемножения образуется мощность, которая проявляется при оценке низкочастотной части базисного сигнала с переключаемой с высокой частотой полярностью.In the method according to claim 10 of the claims work with the first current in bits of high frequency, which is the digital current in bits. This current in bits modulates the (second) analog signal and thus creates a base signal and y , which is influenced by the first analog signal, as well as the second signal, and thus the premise of determining the υ ζ multiplication signal from it is fulfilled. If you select the first analog signal that determines the current density in the sigma-delta modulator bits proportional to the voltage, and choose the second analog signal proportional to the current, the multiplication signal produces power that appears when you evaluate the low-frequency part of the base signal with high-frequency switching polarity.
Упомянутое выше умножение, которое в обычных приборах измерения мощности присутствует в виде аналогового перемножителя, ограничивается при указанных выше принципах тем, что является изменением знака или умножением на ±1, что можно достичь с помощью простой схемной техники с низкими затратами. Также можно отказаться от сложного цифрового умножителя, который хотя и можно создать без проблем смещения, присущих аналоговым умножителям, однако, связан со значительными схемными затратами и для достижения еще достаточной точности требует множества двоичных разрядов.The multiplication mentioned above, which in conventional power measurement instruments is present as an analog multiplier, is limited with the above principles to what is a sign change or multiplication by ± 1, which can be achieved using simple circuit technology at low cost. You can also opt out of a complex digital multiplier, which, although it can be created without the offset problems inherent in analog multipliers, however, is associated with significant circuit costs and requires many binary digits to achieve still sufficient accuracy.
Таким образом, входная величина второго преобразователя сигма-дельта соответствует мгновенной мощности, она преобразуется с помощью модулятора в цифровую плоскость и может быть с помощью реверсивного счетчика преобразована в отбираемую энергию (кВт/ч, так называемая работа). Интегратор может быть выполнен аналоговым или цифровым (п.4 формулы изобретения), предпочтительным является упомянутый реверсивный счетчик.Thus, the input value of the second sigma-delta converter corresponds to the instantaneous power, it is converted by the modulator into the digital plane and can be converted by using a reversible counter into the selected energy (kW / h, so-called work). The integrator can be made analog or digital (clause 4 of the claims), preferably mentioned is a reversible counter.
Важно отметить, что предложения согласно изобретению можно использовать не только для аналоговых сигналов переменного напряжения (напряжения сети, тока сети), но также для таких переменных напряжений, которые имеют очень низкую частоту, даже до нулевой частоты. Тем самым схема пригодна также для перемножения друг с другом сигналов постоянного напряжения без использования аналогового умножителя или аналого-цифрового преобразователя, который, исходя из блока запоминания выборки, предоставляет величину считывания заложенного в блоке запоминания выборки аналогового значения. Как раз указанные последними блоки являются дорогими и сложными и от них можно отказаться в решении согласно изобретению.It is important to note that the proposals according to the invention can be used not only for analog signals of alternating voltage (mains voltage, mains current), but also for such variable voltages that have a very low frequency, even to zero frequency. Thus, the circuit is also suitable for multiplying the DC voltage signals with each other without using an analog multiplier or analog-to-digital converter, which, based on the sampling memory block, provides the reading value of the analog value stored in the memory block. The latter-mentioned blocks are expensive and complex and can be abandoned in the solution according to the invention.
Перемножение знака можно достичь простым способом с помощью мостовой схемы из четырех аналоговых переключателей (п.6 формулы изобретения, первая альтернатива), при этом аналоговые переключатели отпираются и запираются перекрестно, так что подводимый аналоговый сигнал пропускается через очень низкоомное прямое сопротивление первой пары аналоговых переключателей, или же происходит замена входных проводников и сигнал передается инвертированным через другую пару низкоомных аналоговых переключателей как сигнал, умноженный на - 1 .The multiplication of the sign can be achieved in a simple way using a bridge circuit of four analog switches (claim 6, first alternative), while the analog switches are unlocked and locked crosswise, so that the input analog signal is passed through a very low impedance direct resistance of the first pair of analog switches, or the input conductors are replaced and the signal is transmitted inverted through another pair of low-impedance analog switches as a signal multiplied by -1.
Проблемы смещения и нелинейности аналоговых переключателей можно решить схемно-техническими способами и они не могут отрицательно воздействовать на схему согласно изобретению.The offset and nonlinearity problems of analog switches can be solved by circuit-technical methods and they cannot negatively affect the circuit according to the invention.
С помощью схемы согласно изобретению можно достичь высокого класса точности приборов измерения мощности.Using the circuit according to the invention, it is possible to achieve a high class of accuracy of power measurement instruments.
Можно также дополнительно создать схему подавления смещения по типу усилителя постоянного тока с модуляцией и демодуляцией сигнала, если разместить две инвертирующих ступени на цифровом уровне перед устройством инвертирования знака и после второго модулятора сигма-дельта и включить их синхронно инвертирующими или не инвертирующими (пп.5 и 9 формулы изобретения).You can also create a bias suppression circuit by type DC amplifier with modulation and signal demodulation, if you place two inverting stages on the digital level before the sign inverting device and after the second sigma-delta modulator and turn them on synchronously inverting or not inverting (paragraph 5 and 9 claims).
Изобретение поясняется и дополняется ниже на нескольких примерах выполнения с помощью чертежей, на которых изображены фиг. 1 - блок-схема умножителя напряжения и тока применительно к умножителю переменного напряжения. Входные сигналы а' (1) и Ь' (1) могут быть также сигналами постоянного тока (переменное напряжение с частотой ноль);The invention is illustrated and supplemented below in several exemplary embodiments using the drawings, in which FIG. 1 is a block diagram of a voltage and current multiplier for an AC voltage multiplier. The input signals a '(1) and b' (1) can also be direct current signals (alternating voltage with frequency zero);
фиг. 2 - детальная схема по фиг. 1, в нижней части которой показан аналоговый переключатель (слева) и не накладывающийся друг на друга такт для аналогового переключателя (справа), в примере переключателя 20а;FIG. 2 is a detailed diagram of FIG. 1, in the lower part of which an analog switch is shown (left) and a non-overlapping clock cycle for an analog switch (right), in the example of switch 20a;
фиг. 2а - вид сигналов модуляции, измеренных в фиг. 1 ;FIG. 2a is a view of the modulation signals measured in FIG. one ;
фиг. 3 - схема с цифровой коррекцией смещения с помощью двух схем 50а, 50Ь функции исключающее ИЛИ и частоты 1с 6 Гц. Такты 11, 12 для логики схем с коммутируемыми конденсаторами и частота коррекции 1с показаны внизу;FIG. 3 is a circuit with digital offset correction using two exclusive OR circuits 50a, 50b and frequencies 1 sec. 6 Hz. Clocks 11, 1 2 for the logic circuit with switched capacitors and the correction frequency of 1 s are shown below;
фиг. 4 - альтернативный вариант выполнения умножителя 20, который выполняет изменение знака, управляемое с помощью сигнала плотности тока в битах их, первого преобразователя 1 0 сигма-дельта, причем альтернативный вариант выполнен с двумя мультиплексорами 21а, 21 Ь, которые управляются обеими частотами £ь 12 (в МГц диапазоне), которые управляют также схемой по фиг. 1 как схемой с коммутируемыми конденсаторами. Можно использовать единую концепцию схемы.FIG. 4 - an alternative embodiment of a multiplier 20 which performs a sign change, controlled by the signal current density in bits and x, a first inverter 1 0 sigma-delta, the alternate embodiment is provided with two multiplexers 21a, 21 b, which are controlled by both frequencies £ v 1 2 (in the MHz range), which also control the circuit of FIG. 1 as a circuit with switched capacitors. You can use a single schema concept.
Схема измерения мощности согласно фиг. 1 состоит из двух модуляторов 10, 30 сигмадельта, аналогового модулятора АМ, тактового генератора и аккумулятора импульсов, которые соединены согласно фиг. 1. Аналоговый входной сигнал и(1), который пропорционален измеряемому напряжению, преобразуют с помощью первого модулятора 10 в цифровой ток их(1) в битах. Снабженный одним аналоговым входом модулятор (АМ) управляется двумя сигналами. С аналоговой стороны это - пропорциональный току 1(1) сигнал и на цифровой управляющей стороне - сигнал их(1) тока в битах. Модулятор умножает знак их(1) с аналоговым входным сигналом. Таким образом, выходной сигнал модулятора в своем среднем значении пропорционален произведению 1(1) и и(1), так как их(1) в своем среднем значении соответствует и(1). Затем вы ходной сигнал модулятора подается на второй модулятор 30 сигма-дельта. Таким образом, выходной импульсный ток в своей оценке пропорционален также произведению 1(1) и и(1). Результирующий импульсный ток и2(1) на выходе второго модулятора сигма-дельта подводится к аккумулирующему входу сумматора 40 (например, реверсивного счетчика). Выходной сигнал аккумулятора представляет собой низкочастотный ток в битах, который соответствует средней мощности. Посредством интеграции в значительной мере подавляются высокочастотные шумы квантования модуляторов.The power measurement circuit of FIG. 1 consists of two modulators 10, 30 sigmadelta, an analog AM modulator, a clock generator and a battery of pulses, which are connected according to FIG. 1. The analog input signal and (1), which is proportional to the measured voltage, is converted using the first modulator 10 into a digital current and x (1) in bits. Equipped with one analog input modulator (AM) is controlled by two signals. On the analog side, it is proportional to the current 1 (1) signal and on the digital control side is the signal and x (1) current in bits. The modulator multiplies the sign and x (1) with an analog input signal. Thus, the modulator output signal in its average value is proportional to the product 1 (1) and and (1), since x (1) in its average value corresponds to (1). Then, the modulator output signal is fed to the second sigma-delta modulator 30. Thus, the output pulse current in its estimate is also proportional to the product 1 (1) and and (1). The resulting pulse current and 2 (1) at the output of the second modulator sigma-delta is supplied to the accumulator input of the adder 40 (for example, a reversible counter). The battery output is a low-frequency current in bits that corresponds to average power. Through integration, the high-frequency quantization noise of the modulators is largely suppressed.
Оба идентичных блока схемы состоят из синхронных модуляторов сигма-дельта первого порядка. Дополнительно к обоим модуляторам сигма-дельта почти не требуется других схемных элементов. Как раз это является преимуществом.Both identical circuit blocks are composed of first-order synchronous sigma-delta modulators. In addition to both sigma-delta modulators, almost no other circuit elements are required. This is an advantage.
Обычный модулятор сигма-дельта первого порядка содержит интегратор, 1 -битовый квантизатор (компаратор), один выход, который считывается с частотой считывания Рб. и 1битовый цифроаналоговый преобразователь, который выдает +/- Иге! в соответствии со знаком считанного сигнала компаратора. В каждой точке считывания интегратор интегрирует разницу (сигнал ошибки) между входом и(1) и выходом преобразователя. Знак разницы в течение периода считывания запоминается в квантизаторе. Если выход компаратора у(1) является логической 1 , то положительное напряжение +Иге£ подается обратно на вход интегратора. Подаваемый обратно сигнал в своей последовательности импульсов пропорционален входному сигналу, так как ошибка интегратора отрегулирована на ноль. В качестве Ζ-трансформированного сигнала функцию модулятора можно описать следующей формулой:A conventional first-order sigma-delta modulator contains an integrator, a 1-bit quantizer (comparator), one output that is read at a reading frequency of RB. and 1-bit digital-to-analog converter, which gives +/- to YGA! in accordance with the sign of the read signal of the comparator. At each reading point, the integrator integrates the difference (error signal) between the input and (1) and the output of the converter. The sign of the difference during the reading period is stored in the quantizer. If the output of the comparator at (1) is logical 1, then the positive voltage + Ie £ is fed back to the input of the integrator. The signal fed back in its pulse sequence is proportional to the input signal, since the integrator error is adjusted to zero. As a Ζ-transformed signal, the function of the modulator can be described by the following formula:
У(х) = χ(ζ) + (1-ζ-1) х Ο(ζ), где 0(ζ) является шумом квантования модулятора. Спектр второго члена уравнения находится в высокочастотном диапазоне немного ниже под базисным диапазоном и может быть поэтому легко подавлен с помощью цифрового фильтрования, а также, например, с помощью интегрирования.Y (x) = χ (ζ) + (1-ζ -1 ) x Ο (ζ), where 0 (ζ) is the quantization noise of the modulator. The spectrum of the second term of the equation is in the high-frequency range slightly below the base range and can therefore be easily suppressed using digital filtering, as well as, for example, using integration.
Большим преимуществом модуляторов сигма-дельта является их хорошая интегрируемость в обычные технологии интегральных схем. Типичные модуляторы сигма-дельта используют обычные интегральные схемы с интеграторами с коммутируемыми конденсаторами. Это представляет одну из самых эффективных технологий микроэлектроники, поскольку схемы с коммутируемыми конденсаторами можно легко изготовлять с высоким качеством с помощью технологии массового производства, как, например, КМОП.The big advantage of sigma-delta modulators is their good integrability in conventional integrated circuit technologies. Typical sigma-delta modulators use conventional integrated circuits with switched capacitor integrators. This represents one of the most efficient microelectronics technologies, since switching capacitor circuits can be easily manufactured with high quality using mass production technology, such as CMOS.
Принцип действия схем с коммутируемыми конденсаторами использует перенос зарядов между конденсаторами, коммутируемыми с по мощью аналоговых переключателей. При этом частоту коммутации выбирают так, что она значительно выше частоты входных сигналов. В примере счетчика тока частота считывания находится в типичном случае в диапазоне МГц по сравнению с частотой 50 или 60 Гц входных сигналов. Аналоговый переключатель в схемах с коммутируемыми конденсаторами управляется с помощью не накладывающихся друг на друга прямоугольных сигналов с противоположной фазой (см., например, фиг. 2 внизу). Тактовый генератор схемы строят так, что переключающие фронты сигналов не накладываются друг на друга с достаточным запасом. Это предотвращает потери заряда при передаче. Во время одной фазы тактового сигнала одна часть конденсаторов подключается к источнику напряжения и заряжается до этого напряжения. Во время второй фазы тактового сигнала заряды с помощью аналоговых переключателей и операционных усилителей переносятся на другие конденсаторы. В результате выходной сигнал можно описать с помощью математической операции с входным сигналом, как, например, сложение, вычитание, умножение с неизменными коэффициентами, задержка или интеграция, для чего необходимы только конденсаторы с различными соотношениями, аналоговые переключатели и операционные усилители. Например, высокоомное сопротивление можно аппроксимировать с помощью небольшого конденсатора Сз, который переключается с частотой переключения Рз. Эквивалентное сопротивление соответствует 1/(Рз-Сз). Если этот сигнал соединяют с не переключаемым конденсатором Спи или с суммирующим узлом операционного усилителя с не переключаемым конденсатором в цепи обратной связи, то с помощью этого сопротивления можно установить постоянную времени К· С = [(СтГ(СзГз)], которая определяется только соотношением конденсаторов и частотой переключения. Это является большим преимуществом схем с коммутируемыми конденсаторами, так как с помощью обычных технологий изготовления интегральных схем как раз соотношение конденсаторов можно получать очень точным, в то время как абсолютные значения конденсаторов с помощью обычных технологий изготовления интегральных схем можно выполнять только не точно. Это является причиной того, что техника схем с коммутируемыми конденсаторами используется во многих принципах преобразования с большой степенью разрешения.The principle of operation of circuits with switched capacitors uses charge transfer between capacitors switched with analog switches. In this case, the switching frequency is chosen so that it is significantly higher than the frequency of the input signals. In the example of a current meter, the read frequency is typically in the MHz range compared to the 50 or 60 Hz frequency of the input signals. An analog switch in circuits with switched capacitors is controlled by non-overlapping rectangular signals with opposite phase (see, for example, Fig. 2 below). The clock generator circuit is constructed so that the switching fronts of the signals do not overlap with each other with an adequate margin. This prevents loss of charge during transmission. During one phase of the clock signal, one part of the capacitors is connected to a voltage source and charged to this voltage. During the second phase of the clock signal, charges are transferred by analog switches and operational amplifiers to other capacitors. As a result, the output signal can be described using a mathematical operation with the input signal, such as addition, subtraction, multiplication with constant coefficients, delay or integration, for which only capacitors with different ratios are needed, analog switches and operational amplifiers. For example, a high resistance can be approximated using a small capacitor C3, which switches with the switching frequency Pz. Equivalent resistance corresponds to 1 / (Pz-Cz). If this signal is connected to a non-switched capacitor Spi or to a summing node of an operational amplifier with a non-switched capacitor in the feedback circuit, then using this resistance you can set the time constant To · С = [(StG (СзГз)]), which is determined only by the ratio of capacitors and switching frequency. This is a big advantage of switched capacitor circuits, since using conventional integrated circuit technology, the ratio of capacitors can be very accurate. m, while the absolute values of capacitors using conventional integrated circuit fabrication techniques can only be performed not accurately, this is why switching circuit capacitor technology is used in many transformation principles with a high degree of resolution.
На фиг. 2 показано возможное выполнение схемы согласно изобретению. В типичных случаях такие схемы выполняют полностью дифференциальными в аналоговой ветви данных. Для упрощения изображения здесь показана только несимметричная схема с коммутируемыми конденсаторами. Аналоговый модулятор представлен четырьмя включенными перекрестно аналоговыми переключателями 20а - 20ά, которые позволяют инвертировать полярность входного сигнала ΐ(ΐ). Входной сигнал первого модулятора сигма-дельта 3ΌΜ1 выдает выходной сигнал их(1). Если сигнал равен логическому нулю, то выход модулятора иу(1) = -ΐ(ΐ). Если их(1) = -1, то выходной сигнал модулятора соответствует входному сигналу иу(1) = ΐ(ΐ). Схемы отдельных модуляторов сигма-дельта изображены внутри штриховых рамок. Модуляторы 3ΌΜ1 и 3ΌΜ2 используют известную технику схем с коммутируемыми конденсаторами с автоматическим нулем с двумя дифференциальными входами и состоят из операционных усилителей ОА2 и ОА1, входного коммутируемого конденсатора С1 , опорного коммутируемого конденсатора С2, интегрирующего конденсатора С3 и различных переключателей, которые управляются двумя не накладывающимися друг на друга тактовыми сигналами ί) и ί2. Знак интегрированного дифференциального сигнала между входом модулятора и выходом ЦАП во время одного периода переключения определяется компаратором К1 или К2 и запоминается на один период тактовых импульсов в Ό-триггере. Выход компаратора, состоящий из двух схем И, управляет через ЦАП источником опорных напряжений (+Уге£ или -УТеГ), которые интегрируются в следующем периоде считывания. Дополнительно с помощью схем И модулятора 8ΌΜ2 30 выходные импульсные токи разделяются так, что один представляет мгновенную положительную измеряемую мощность и2(1) и второй выход представляет отрицательную измеряемую мощность. Два импульсных тока аккумулируются в η-битовом реверсивном счетчике. Выход счетчика выдает импульсный ток \у(!) с плотностью импульсов, которая соответствует среднему значению активной мощности.FIG. 2 shows the possible implementation of the scheme according to the invention. In typical cases, such circuits are completely differential in the analog data branch. To simplify the image, only an asymmetric circuit with switched capacitors is shown here. The analog modulator is represented by four cross-connected analog switches 20a - 20ά, which allow you to invert the polarity of the input signal (ΐ). The input signal of the first modulator sigma-delta 3ΌΜ1 produces the output signal and x (1). If the signal is logical zero, then the modulator output and y (1) =-у (ΐ). If x (1) = -1, the modulator output signal corresponds to the input signal and y (1) = ΐ (ΐ). Schemes of individual sigma-delta modulators are shown inside the dashed boxes. Modulators 3ΌΜ1 and 3ΌΜ2 use a well-known technique of circuits with switched capacitors with automatic zero with two differential inputs and consist of operational amplifiers OA2 and OA1, input switched capacitor C1, reference switched capacitor C2, integrating capacitor C3 and various switches that are controlled by two non-overlapping each on the other clock signals ί) and ί 2 . The sign of the integrated differential signal between the modulator input and the output of the DAC during one switching period is determined by a comparator K1 or K2 and stored for one period of clock pulses in the-trigger. The comparator output, consisting of two AND schemes, controls, via the DAC, a source of reference voltages (+ Uge £ or-UTEG), which are integrated in the next readout period. Additionally, using the 8 И2 modulator And 30 circuits, the output pulse currents are separated so that one represents the instantaneous positive measured power and 2 (1) and the second output represents the negative measured power. Two pulse currents are accumulated in a η-bit reversible counter. The output of the counter gives a pulse current \ y (!) With a density of pulses that corresponds to the average value of the active power.
и (’Ь) х 1 (С)and (’b) x 1 (C)
РД1) ~ ------------------------- х Рз .RD1) ~ ------------------------- x Ps.
ϋκθί2 ϋκθί 2
Вход модулятора сигма-дельта (например, и(1) или иу(1)) переключается на дифференциальные входные сигналы интегратора. Опорный вход интегратора переключается с выходом ЦАП (+Уге£ или -УгеР) с помощью общего переключателя, который соединяет интегратор и ЦАП. Интегратор с коммутируемыми конденсаторами содержит самостоятельную настройку на ноль (автоматическая установка нуля), которая сокращает напряжение смещения операционных усилителей и низкочастотный шум. Это достигается с помощью коррелированного двойного считывания. При коррелированном двойном считывании каждый период считывания разделяется на две подгруппы. Во время первой подгруппы считывается смещение и во время второй подгруппы смещение вычитается из входного сигнала. За счет этого можно достичь эф фективного подавления напряжений смещения, которые технологически являются неизбежными.The sigma-delta modulator input (for example, and (1) or y (1)) is switched to the differential inputs of the integrator. The integrator reference input is switched with the output of the DAC (+ Uge £ or Ugr) using a common switch that connects the integrator and the DAC. The switched capacitor integrator contains a self-tuning to zero (automatic zero setting), which reduces the bias voltage of the operational amplifiers and low-frequency noise. This is achieved by using a correlated double reading. With correlated double reading, each reading period is divided into two subgroups. During the first subgroup, the offset is read and during the second subgroup the offset is subtracted from the input signal. Due to this, it is possible to achieve effective suppression of bias voltages, which are technologically unavoidable.
Считывание смещения производится во время фазы Е1 за счет замыкания переключателя обратной связи между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя. Тем самым конденсаторы С1 и С2 заряжаются до входного напряжения смещения операционных усилителей (Уо§). Второй полюс конденсаторов заряжается с одной стороны до положительного входного напряжения У1п+(к) модулятора (где к является постоянно увеличивающимся номером периода считывания) и в другом конденсаторе до нулевого напряжения. Во время фазы Е1 конденсатор С3 отделяют от входа операционного усилителя и интегратор удерживает заряд, который перед этим был передан в конденсатор С3.The offset reading is performed during the E1 phase due to the closure of the feedback switch between the inverting input and the output of the operational amplifier. Thus, the capacitors C1 and C2 are charged to the input bias voltage of the operational amplifiers (Vo). The second pole of the capacitors is charged from one side to the positive input voltage V1n + (k) of the modulator (where k is the constantly increasing number of the readout period) and in the other capacitor to zero voltage. During phase E1, capacitor C3 is separated from the input of the operational amplifier and the integrator holds the charge that was previously transferred to capacitor C3.
Во время фазы Е2 конденсатор С1 разряжают до отрицательного входного напряжения У1п-(к), в то время как правая сторона конденсатора С1 удерживается примерно на напряжении смещения операционного усилителя, потому что вход операционного усилителя остается неизменным за счет обратной связи через конденсатор С3. Это означает, что во время фазы Е2 накопленный в конденсаторе С1 заряд (У1п(к) * С1) перезаряжается на конденсатор С3, независимо от напряжения смещения операционного усилителя. Одновременно напряжение ± ИгеТ* С2 независимо от смещения перезаряжается с С2 на С3, причем это происходит в зависимости от знака выходного сигнала интегратора в предшествующий период считывания. Поэтому напряжение смещения не влияет на передачу от входа интегратора к выходу.During phase E2, capacitor C1 is discharged to negative input voltage V1n- (k), while the right side of capacitor C1 is held approximately at the bias voltage of the operational amplifier, because the input of the operational amplifier remains unchanged due to feedback through capacitor C3. This means that during phase E2, the charge accumulated in capacitor C1 (C1p (k) * C1) is recharged to capacitor C3, regardless of the bias voltage of the operational amplifier. At the same time, the voltage ± T2 * C2, regardless of the offset, is recharged from C2 to C3, and this happens depending on the sign of the integrator's output signal in the preceding reading period. Therefore, the bias voltage does not affect the transfer from the integrator input to the output.
С учетом вышесказанного в каждый цикл считывания во время фазы Е2 передается часть заряда от входа сигнала и опорного напряжения и интегрируется в конденсаторе С3, и затем актуализируется выходное напряжение интегратора. Выходное напряжение интегратора Ут1(к) в конце фазы интегрирования Е2 после к-того цикла изменяется на величину дельта к и может быть описано следующим уравнениемWith this in mind, in each read cycle during the E2 phase, part of the charge is transferred from the signal input and the reference voltage and integrated in capacitor C3, and then the integrator output voltage is updated. The output voltage of the integrator U1 (k) at the end of the integration phase E2 after the k-th cycle changes by the value of delta k and can be described by the following equation
А(к) = Ут1(к)-Упй(к-1) = [Уш(к)х(С1/СЗ)+8О(к-1)хиКегх(С2/СЗ)], кA (k) = Ut1 (k) -Upy (k-1) = [Ush (k) x (C1 / Sz) + 8O (k-1) xi Ke gx (S2 / Sz)], k
Уш1(к)=£ [Δ(η)]+ Уо8, где 8И(к-1) = знаку [Усотр(к-1)] = ±1 - знаку выхода интегратора, который во время отрицательного фронта Е2 в к-1-том цикле считывания соответствует фазе Е2.Us1 (k) = £ [Δ (η)] + Vo8, where 8I (k-1) = sign [Usotr (k-1)] = ± 1 - the sign of the integrator's output, which during the negative front E2 is in k-1 The reading cycle corresponds to phase E2.
Компараторы К1 и К2 детектируют одновременно знак выхода компаратора, причем значение в конце каждой фазы интеграции Е2 используется только как сигнал обратной связи для следующего периода. Поэтому выходное напряжение компаратора считывается только на отрицательном фронте Е2 и его знак в этот мо мент времени запоминается в Ό-триггере, за счет чего создается 8И(к). На практике можно комбинировать Ό-триггер, компаратор и логическую схему считывания в одной схеме.Comparators K1 and K2 simultaneously detect the sign of the comparator output, and the value at the end of each integration phase E2 is used only as a feedback signal for the next period. Therefore, the comparator output voltage is read only on the negative front E2 and its sign is stored in the три-flip-flop at this instant of time, thereby creating 8I (k). In practice, it is possible to combine an три-trigger, a comparator, and a read logic circuit in one circuit.
Выходы Ό-триггера, которые запоминают предыдущее состояние триггера, определяют знак выхода источника ЦАП во время фазы Е2 в тактовом цикле. На фиг. 2а показаны типичные характеристики сигналов модулятора для положительного входного напряжения. Выход Όтриггера 8Ό(ΐ) соответствует выходному сигналу модулятора. Существенные погрешности возникают из-за шума квантования в диапазоне высоких частот, которые можно эффективно подавлять с помощью цифрового фильтрования. С помощью соответствующих фильтров в настоящее время достигают в модуляторах сигмадельта разрешение в 20 бит и более.Outputs Ό-flip-flop, which remember the previous state of the trigger, determine the sign of the output of the source of the DAC during phase E2 in the clock cycle. FIG. 2a shows typical modulator signal characteristics for a positive input voltage. Trigger output 8Ό (ΐ) corresponds to the modulator output signal. Significant errors arise from quantization noise in the high frequency range, which can be effectively suppressed using digital filtering. With the help of appropriate filters, a resolution of 20 bits or more is currently achieved in sigma delta modulators.
Рои1(1) ~ (С1/С2) х (Ρδ/υΗ6ί) х Уш(1).Poi1 (1) ~ (C1 / C2) x (Ρδ / υ Η6ί ) x Ush (1).
В реальном применении точность модуляторов сигма-дельта ограничивается не идеальными компонентами. Сюда относится, например, не бесконечно большое усиление операционных усилителей, инъекция зарядов от аналоговых переключателей, тепловой шум, шумы фликер-эффекта, перекрестная модуляция компонентов цифровых схем за счет эффектов подложки и т.д. За счет этих источников помех разрешение реального модулятора в типичном случае ограничивается примерно 15 битами. Есть ряд попыток улучшить не идеальные компоненты. С помощью полностью дифференциальных аналоговых схем, компенсированных по усилению интеграторов, сложной генерации фазы и т.д. можно достичь значительных улучшений. Чтобы изготовлять счетчики тока класса 1 и выше, требуется разрешение более 17 бит, т.е. для этого входной шум и входное напряжение смещения должны находиться в микровольтовом диапазоне. Для этого обычно используют сложные фильтры более высокого порядка для модуляторов сигма-дельта более высокого порядка. Это приводит в нормальном случае к тому, что значительно повышаются аппаратные требования к высокоточным модуляторам сигма-дельта. В выполнении согласно изобретению можно отказаться от таких мер.In actual use, the accuracy of sigma-delta modulators is limited to non-ideal components. This includes, for example, not infinitely large amplification of operational amplifiers, injection of charges from analog switches, thermal noise, flicker noise, cross modulation of digital circuit components due to substrate effects, etc. Due to these interference sources, the resolution of a real modulator is typically limited to about 15 bits. There are a number of attempts to improve non-ideal components. Using fully differential analog circuits, compensated for integrator gain, complex phase generation, etc. significant improvements can be achieved. To make current class 1 and higher meters, a resolution of more than 17 bits is required, i.e. for this, input noise and input bias voltage must be in the microvolt range. To do this, usually use complex filters of a higher order for modulators of sigma-delta of a higher order. This leads in the normal case to the fact that significantly increased hardware requirements for high-precision sigma-delta modulators. In the embodiment according to the invention, such measures can be waived.
На фиг. 3 показана дополненная версия устройства измерения мощности. В нем используется повышение точности с помощью стабилизатора с усилителем постоянного тока типа модулятор-демодулятор, причем знак входа второго модулятора сигма-дельта 8ΌΜ2 и выходной сигнал одновременно модулируются низкочастотной прямоугольной функцией. Модуляция осуществляется с помощью схемы функции исключающее ИЛИ с входной частотой £с и выходными сигналами 8Ό1, 8Ό2 обоих модуляторов. За счет этого напряжение смещения Уо§2 модулятора 8ΌΜ2 во время одного периода сигала £с считается вверх, например, положительно в цифровом интеграторе, в то время как в другой части периода интегрируется с отрицательным знаком. При точной симметрии тактового периода £с, что легко достигается с помощью цифровых делителей, очень эффективно подавляются смещения. За счет этого можно значительно повысить точность схемы с несколькими дополнительными логическими схемами в отношении смещения и шума.FIG. 3 shows an augmented version of a power measurement device. It uses increased accuracy with a stabilizer with a DC amplifier of the modulator-demodulator type, with the input sign of the second sigma-delta 8ΌΜ2 modulator and the output signal simultaneously modulated by a low-frequency rectangular function. Modulation is carried out using an exclusive OR function circuit with an input frequency £ c and output signals 8-1, 8Ό2 of both modulators. Due to this, the offset voltage Wo2 of the modulator 8ΌΜ2 during one period of the signal £ s is considered up, for example, positively in the digital integrator, while in the other part of the period it is integrated with a negative sign. With an exact symmetry of the clock period £ c , which is easily achieved with the help of digital dividers, offsets are very effectively suppressed. Due to this, it is possible to significantly improve the accuracy of the circuit with several additional logic circuits in terms of bias and noise.
С учетом того, что целесообразно выполнять аналоговую схему как можно проще для уменьшения влияния перекрестной модуляции и шума подложки, предлагается следующая модификация. Блок измерения мощности по фиг. 4 отличается преобразованием аналоговой модуляции 20. Замена управляющих входов во входном переключателе 8ΌΜ2 на два цифровых мультиплексора 22а, 22Ь вместо перекрестно связанных аналоговых переключателей 20а 206 уменьшает аналоговую погрешность, которая может возникать при переключении. При этом за счет смены управляющих фаз Р1 и Р2 входных переключателей 22а, 22Ь в интеграторе с коммутируемыми конденсаторами инвертируют полярность входного сигнала. За счет этого достигается дальнейшее повышение точности схемы без усложнения аппаратных средств.Considering that it is advisable to make the analog circuit as simple as possible to reduce the effects of cross-modulation and substrate noise, the following modification is proposed. The power measurement unit of FIG. 4 is distinguished by the conversion of analog modulation 20. Replacing the control inputs in the input switch 8-2 by two digital multiplexers 22a, 22b instead of the cross-linked analog switches 20a 206 reduces the analog error that may occur during switching. In this case, by changing the control phases P1 and P2 of the input switches 22a, 22b in the integrator with switched capacitors, the polarity of the input signal is inverted. Due to this, a further increase in the accuracy of the circuit is achieved without complicating the hardware.
Результатом изобретения является очень простая схема, которая требует лишь два базисных блока обычного модулятора сигма-дельта и очень простые цифровые фильтры (реверсивный счетчик).The result of the invention is a very simple circuit that requires only two basic blocks of a conventional sigma-delta modulator and very simple digital filters (reversible counter).
Claims (13)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1996130605 DE19630605A1 (en) | 1996-07-29 | 1996-07-29 | Multiplication circuit for power measuring device |
PCT/DE1997/001597 WO1998004926A1 (en) | 1996-07-29 | 1997-07-29 | Sigma-delta multiplier circuit for power measurement equipment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA199900176A1 EA199900176A1 (en) | 1999-08-26 |
EA001361B1 true EA001361B1 (en) | 2001-02-26 |
Family
ID=7801202
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EA199900176A EA001361B1 (en) | 1996-07-29 | 1997-07-29 | Multiplier circuit for power measurement equipment and method for measuring momentary value of power |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0916096A1 (en) |
CN (1) | CN1213307C (en) |
DE (1) | DE19630605A1 (en) |
EA (1) | EA001361B1 (en) |
WO (1) | WO1998004926A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7528755B2 (en) | 2007-09-06 | 2009-05-05 | Infineon Technologies Ag | Sigma-delta modulator for operating sensors |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19936677A1 (en) * | 1999-08-04 | 2001-03-15 | Infineon Technologies Ag | Sigma-Delta A / D converter |
DE102006038031A1 (en) | 2006-05-26 | 2007-11-29 | Rohde & Schwarz Gmbh & Co. Kg | Measuring device for measuring the power of a high frequency signal comprises a dither injection unit arranged between a detector and an analogue/digital converter for injecting a dither signal |
CN107340425A (en) * | 2017-06-30 | 2017-11-10 | 常州同惠电子股份有限公司 | It is used for the effective power measuring method and device of AC power based on analog multiplier |
DE102018100518A1 (en) * | 2018-01-11 | 2019-07-11 | Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr | Method and device for monitoring a power electronic module |
GB201901223D0 (en) * | 2019-01-29 | 2019-03-20 | Sentec Ltd | DC current sensor and power meter |
CN109990804B (en) * | 2019-04-03 | 2021-06-29 | 安徽见行科技有限公司 | Self-correcting circuit of sensor circuit temperature drift based on analog multiplier |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4224671A (en) * | 1977-07-30 | 1980-09-23 | Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha | Arithmetic operation apparatus for an electronic watt-hour meter |
JPS581388B2 (en) * | 1978-07-06 | 1983-01-11 | 株式会社東芝 | electricity meter |
DE2846598A1 (en) * | 1978-10-26 | 1980-04-30 | Stepper & Co | TDM system to measure electrical power and energy - uses two pulsed logic units t- control voltage and current signal for device integration |
JPS57146121U (en) * | 1981-03-06 | 1982-09-14 | ||
DE3448182C2 (en) * | 1983-08-01 | 1988-09-29 | Robinton Products, Inc., Sunnyvale, Calif., Us | |
FI90144C (en) * | 1986-02-04 | 1993-12-27 | Siemens Ag | Electronic electricity meter |
WO1991003740A1 (en) * | 1989-09-07 | 1991-03-21 | Georgey Katrib | Electronic watt-hour meter |
GB2239097B (en) * | 1989-12-18 | 1993-08-11 | Gen Electric Co Plc | Electrical power measuring devices |
JP3080207B2 (en) * | 1993-01-06 | 2000-08-21 | 三菱電機株式会社 | Electronic watt-hour meter |
EP0607711B1 (en) * | 1993-01-20 | 1999-03-31 | Schlumberger Industries S.A. | Electricity meter with variable gain and with sigma-delta converter |
ES2161707T3 (en) * | 1993-01-20 | 2001-12-16 | Schlumberger Ind Sa | MODULATED CIRCUIT IN FREQUENCY OF MULTIPLE STAGES. |
GB2278247A (en) * | 1993-05-17 | 1994-11-23 | Nat Science Council | Chopper-stabilized sigma-delta converter |
US5483238A (en) * | 1993-12-16 | 1996-01-09 | At&T Ipm Corp. | Data converter with gain scaling including dither |
CH689471A5 (en) * | 1994-05-05 | 1999-04-30 | Landis & Gyr Tech Innovat | Summer for products of similar or different signals e.g. for electricity meter |
-
1996
- 1996-07-29 DE DE1996130605 patent/DE19630605A1/en not_active Ceased
-
1997
- 1997-07-29 EP EP97936570A patent/EP0916096A1/en not_active Withdrawn
- 1997-07-29 WO PCT/DE1997/001597 patent/WO1998004926A1/en not_active Application Discontinuation
- 1997-07-29 EA EA199900176A patent/EA001361B1/en not_active IP Right Cessation
- 1997-07-29 CN CN 97196868 patent/CN1213307C/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7528755B2 (en) | 2007-09-06 | 2009-05-05 | Infineon Technologies Ag | Sigma-delta modulator for operating sensors |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EA199900176A1 (en) | 1999-08-26 |
DE19630605A1 (en) | 1998-02-05 |
EP0916096A1 (en) | 1999-05-19 |
WO1998004926A1 (en) | 1998-02-05 |
CN1213307C (en) | 2005-08-03 |
CN1226968A (en) | 1999-08-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4704908A (en) | Method for compensating interference voltages in the electrode circuit in magnetic-inductive flow measurement | |
US4542354A (en) | Delta-sigma pulse modulator with offset compensation | |
CA2126525C (en) | Signal processing circuit including a variable gain input stage | |
KR100928406B1 (en) | Incremental-Delta Analog-to-Digital Conversion | |
US4217546A (en) | Electronic energy consumption meter and system with automatic error correction | |
CN104040903A (en) | Time Domain Switched Analog-to Digital Converter Apparatus And Methods | |
US3976942A (en) | Watt/watt hour transducer having current signals and a modulator therefor | |
US5099195A (en) | Electronic device for measuring electrical power supply to a load | |
US4764752A (en) | Analog to digital converter having no zero or span drift | |
EA001361B1 (en) | Multiplier circuit for power measurement equipment and method for measuring momentary value of power | |
IE904484A1 (en) | Arrangement for processing sensor signals | |
EP0607714B1 (en) | Multiple stage frequency modulated circuit | |
CA1253968A (en) | Power metering system and method | |
US6304202B1 (en) | Delay correction system and method for a voltage channel in a sampled data measurement system | |
Schuster | Thermal instrument for measurement of voltage, current, power, and energy at power frequencies | |
JP3026533B2 (en) | Reactive energy meter | |
US5396447A (en) | Multiplier circuit and method of operation therefor | |
US5585716A (en) | Multiple stage frequency modulated circuit | |
US4910456A (en) | Electronic watt-hour meter with combined multiplier/integrator circuit | |
RU2058557C1 (en) | Electronic electricity meter | |
JPS6060565A (en) | Electronic type watt-hour meter concurrently functioning as automatic compensation of offset quantity | |
SU1613966A1 (en) | Digital meter of a.c.power | |
RU2103696C1 (en) | Method of measurement of quantity of dc electric energy | |
SU909574A1 (en) | Two channel electromagnetic flowmeter | |
CA1136706A (en) | Electronic energy consumption meter and system with automatic error correction |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ KZ KG MD TJ TM |
|
MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): BY RU |