分压电路参数的检测电路及电能计量芯片
阅读：174发布：2020-05-08
专利汇可以提供分压电路参数的检测电路及电能计量芯片专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 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，所述检测电路还包括：电压测量模 块 、第二信号源以及测量校正模块；电压测量模块用于检测所述第二分压器上的所述第一频率的第一信号分量，根据所述第一信号分量进行电压测量；测量校正模块用于检测所述第二分压器上的所述第二频率的第二信号分量，根据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。测量校正模块不影响正常的电压测量模块工作，同时对第二信号的检测进行校正，提高检测 精度 。(ESM)同样的 发明 创造已同日申请发明 专利，下面是分压电路参数的检测电路及电能计量芯片专利的具体信息内容。
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、第二分压器以及第三分压器，其特征在于，所述检测电路还包括：
电压测量模块，并联在所述第二分压器两端，用于检测所述第二分压器上的所述第一频率的第一信号分量，根据所述第一信号分量进行电压测量；
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；以及
测量校正模块，并联在所述第二分压器两端，所述测量校正模块用于检测所述第二分压器上的所述第二频率的第二信号分量，根据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，所述电压测量模块或所述测量校正模块还用于所述根据所述第一信号分量与所述第二信号分量校正所述分压电路的电路参数。
3.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述测量校正模块包括误差校正开关，所述误差校正开关用于将接入到所述测量校正模块的信号进行正负翻转。
4.如权利要求1、2或3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；
所述测量校正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。
5.如权利要求4所述的检测电路，其特征在于，所述测量校正模块具体用于对所述第二信号分量和所述第三信号分量进行处理，分别得到第二信号分量的幅度值、相位值和第三信号分量的幅度值、相位值，并根据所述第二信号分量的幅度值变化、所述第三信号分量的幅度值变化、所述第二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。
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。
7.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为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。
8.如权利要求1所述的检测电路，其特征在于，所述第二分压器、第三分压器、电压测量模块以及测量校正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。
分压电路参数的检测电路及电能计量芯片
技术领域
背景技术
[0002] 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。
[0003] 目前，带故障检测的电压测量装置中，为了实现电压测量装置的故障检测功能，引入一套专门的检测电路和一个专用的检测信号。此带故障检测的电压测量装置中，正常的电压信号测量和检测信号测量共用同一个模数变换器(Analog to Digital Converter，ADC)完成，然后在数字信号处理单元产生电压信号测量值和检测信号测量值，其中检测信号具有高共模/弱差分的特征，检测信号的上述特征决定了当ADC本身存在失配的时候，会把检测信号的强共模部分转化为差分信号，最终影响检测信号的测量精度。如果要提高检测信号的测量精度，那么需要在ADC部分增加校正电路对检测信号进行专门的校正，但是因为检测信号和测量信号共用同一个ADC，所以这种校正会影响到电压测量装置的正常测量。发明内容
[0004] 本申请的目的在于提供一种分压电路参数的检测电路及电能计量芯片，旨在解决现有电压测量电路检测信号和测量信号共用同一个ADC，检测信号的校正会影响到电压测量装置的正常测量问题。
[0006] 电压测量模块，并联在所述第二分压器两端，用于检测所述第二分压器上的所述第一频率的第一信号分量，根据所述第一信号分量进行电压测量；
[0007] 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；以及
[0008] 测量校正模块，并联在所述第二分压器两端，所述测量校正模块用于检测所述第二分压器上的所述第二频率的第二信号分量，根据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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 上述分压电路参数的检测电路在目前带故障检测的测量电路具有电压测量通道的基础上增加专门的测量校正通道，把测量信号和故障检测信号分开测量，可以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；在测量校正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。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。附图说明
[0012] 图1为传统的分压电路参数的检测电路的示意图；
[0013] 图2为图1示出的分压电路参数的检测电路中ADC正负输入端时的测量电压波形和交换ADC正负输入端的测量电压的波形；
[0014] 图3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；
[0015] 图4为本申请第一实施例提供的分压电路参数的检测电路的原理示意图；
[0016] 图5为图4示出的分压电路参数的检测电路中测量信号和检测信号的波形；
[0017] 图6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
[0018] 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。
[0019] 请参阅图1，其中Vm为被测量电压；为电压采样网络100(即分压电路)由Rext1(图1标号202)、Rint1(图1标号203)、Rint2(图1标号204)构成，采样网络100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；信号处理单元200由模数转换单元205和数字信号处理单元209、210构成，在传统方案中，信号处理单元200既作为测量信号处理单元，又作为检测信号处理单元；为检测信号源300由时序开关S1、S2(图1标号206、207)和交流电流源208构成。在传统方案中，检测信号经过采样网络100在模数转换单元205输入端产生检测信号，检测信号经过数字信号处理单元209、210产生检测值。
[0020] 当开关S2闭合，S1断开，此时假设交流电流源频率为fi，假设待测电压信号Vm是交流信号且频率为fu，且fi≠fu。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U0,fi_1。
[0021] 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U0,fi_1_dm：
[0022]
[0023] 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U0,fi_1_cm：
[0024]
[0025] 由于电压测量中，一般都是经过采样网络100将待测量电压衰减到ADC的输入电压安全范围以内，因此Rext1远大Rint1，常用的Rext1为1M ohms，Rint1/Rint2为1K ohms，因此从上述公式可以看出，检测信号U0,fi_1是一个高共模信号/弱差分的信号，其共模部分比差模部分高2000倍。
[0026] 由于电压测量的ADC本身存在随机失配，会把检测信号U0,fi_1的共模部分转换为差分部分，从而导致检测信号的测量精度降低。ADC的共模转差模增益Acmdm,adc一般为-60dBc(0.001倍)左右，由于ADC的共模抑制不足导致的检测信号的共模转差模信号U0,fi_1_cmdm计算如下:
[0027]
[0028] 检测信号经过ADC后的共模转差模信号U0,fi_1_cmdm是检测信号差分信号U0,fi_1_dm两倍左右，严重影响了检测信号的测量精度。
[0029] 为了提高检测信号的测量精度，一般方法会通过交换电压测量ADC的正负输入端进行校正，但是这种方法会导致被测量电压Vm的相位信息会被破坏，从而影响到正常的电压测量。如图2所示，Vm1是没有交换ADC正负输入端时的测量电压波形；Vm2是为了提高检测信号精度，通过交换ADC正负输入端对检测信号精度进行校正时测量电压的波形。从图2可以看出，在T1/T2时间段，当通过交换电压测量ADC的正负输入端对检测信号精度进行校正时，由于校正功能的存在导致的测量电压Vm的相位信息被破坏(参见Vm2波形)，从而影响最终的电能表的计量值。
[0030] 在电能表中，测量电压Vm被用于进行电能计量，假定电能表中测量电流Im和测量电压Vm同相，在T1+T2时间段，没有检测信号精度校正时得到电能值为W1，有检测信号精度校正时得到的电能值为W2，下述分别计算W1/W2：
[0031] W1＝Vm1·Im·(T1+T2)＝Vm·Im·(T1+T2)
[0032] W2＝Vm2·Im·(T1+T2)＝Vm·Im·T1+Vmcosπ·Im·T2＝Vm·Im·(T1-T2)
[0033] 从W1、W2公式可以看出，当存在检测信号精度校正时，电能表的计量值不能够得到正确的结果。因此对检测信号精度进行校正和对测量电压Vm进行电压测量无法同时进行。
[0034] 请参阅图3，本申请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，将既用作测量信号处理又用作检测信号处理的信号处理单元200拆分成两个部分，为用作测量信号处理的电压测量模块30和用作检测信号处理的测量校正模块50，并且可以省略Rext1、Rint1之间接入的信号源。
[0035] 因此，本申请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，检测电路还包括电压测量模块30、第二信号源40以及测量校正模块50。
[0036] 电压测量模块30并联在第二分压器22两端，用于检测第二分压器22上的第一频率的第一信号分量，根据第一信号分量进行电压测量；第二信号源40在第二分压器22与第三分压器23的连接端输入，第二信号源40具有第二频率；测量校正模块50并联在第二分压器22两端，测量校正模块50用于检测第二分压器22上的第二频率的第二信号分量，根据第二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。
[0037] 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，测量校正模块50在仅第一开关接入的情况下检测第二信号分量。第二信号源40为交流电流源。另外，被测量电压Vm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Vm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
2323均为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。
2323均为由电阻、电感、电容中的至少一种组成的电路。
[0038] 作为一实施例，请参阅图4，测量校正模块50包括模数转换单元51和数字信号处理单元51、53以及误差校正开关54，误差校正开关54用于将接入到测量校正模块50/ADC的信号进行正负翻转。请参阅图5，当带测量校正模块50开启校正功能时，误差校正开关54在T1时间段和T2时间端交换测量校正模块50的正负输入端，在测量校正模块50的输入端的检测信号命名为Vedt，图4显示了测量校正模块50的Vedt波形和电压测量模块30的Vm波形，从图5可以看出，当检测信号处理单元对Vedt信号进行校正时，电压测量模块30的Vm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。电压测量模块30包括模数转换单元31和数字信号处理单元32、33。
[0039] 在进一步的实施例中，电压测量模块30或测量校正模块40还用于根据第一信号分量与第二信号分量校正分压电路20的电路参数。电压测量模块30具体是根据第一信号分量以及校正后的分压电路的电路参数进行电压测量。
[0040] 请参阅图6，检测电路还包括具有第三频率的第三信号源60。第三信号源60在第一分压器21与第二分压器22的连接端输入；测量校正模块50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20的电路参数是否异常。作为另一种实施例，第三信号源60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。
[0041] 作为一优选实施例，测量校正模块50具体用于对第二信号分量和第三信号分量进行处理，分别得到第二信号分量的幅度值、相位值和第三信号分量的幅度值、相位值，并根据第二信号分量的幅度值变化、与第三信号分量的幅度值变化、第二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。
[0042] 第三信号源60也为交流电流源，第二信号源40和第三信号源60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40和第三信号源60可以是同一个信号源电路提供。
[0043] 第三信号源60/第二信号源40也可以通过第二开关(图未示)接入，测量校正模块50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60为交流电流源，被测量电压Vm的频率与第三信号源60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Vm频率为50Hz时，第三信号源60频率可选为432Hz。第三信号源60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。
[0044] 作为一实施例，第二信号源40、第三信号源60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60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。
[0045] 第二分压器22、第三分压器23、电压测量模块30以及测量校正模块50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60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Rext1的温度系数。
[0046] 参考图6，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。
[0047] 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，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。
[0049] 此外，公开了一种分压电路参数的检测方法，包括以下步骤：
[0050] 步骤一：
[0051] 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；
[0052] 步骤二：
[0053] 在所述第二分压器的与所述第三分压器的连接端接入具有第二频率的第二信号源；
[0054] 步骤三：
[0055] 设置一测量校正支路检测所述第二分压器上的所述第二频率的第二信号分量；
[0056] 步骤四：
[0057] 根据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，当电路参数异常时校正所述分压电路参数；
[0058] 步骤五：
[0059] 设置一不同于测量校正支路的电压测量支路检测所述第二分压器上的所述第一频率的第一信号分量；
[0060] 步骤六：
[0061] 根据所述第一信号分量以及校正后的所述分压电路的电路参数进行电压测量。
[0062] 其中，步骤三和步骤五可同时进行或顺序相反进行。
[0063] 在进一步实施例中，所述测量校正支路在所述根据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之前，先对所接信号进行正负翻转。
[0064] 在进一步实施例中，还包括：
[0065] 在所述第一分压器与所述第二分压器的连接端接入具有第三频率的第三信号源；
[0066] 所述测量校正支路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。
[0067] 在进一步实施例中，步骤四中，当电路参数异常时校正所述分压电路参数具体为：根据所述第一信号分量与第二信号分量校正所述分压电路的电路参数。
[0068] 在更具体的实施例中，所述根据所述第二信号分量与所述第三信号分量确定所述分压电路的参数是否异常，具体为：
[0069] 对所述第二信号分量和所述第三信号分量进行处理，分别得到第二信号分量的幅度值、相位值和第三信号分量的幅度值、相位值，并根据所述第二信号分量的幅度值变化、所述第三信号的幅度值变化、所述第二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。
[0070] 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。
[0071] 本申请实施例还提出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。
[0072] 上述分压电路参数的检测电路和方法在目前带故障检测的测量电路具有电压测量通道的基础上增加专门的测量校正通道，把测量信号和故障检测信号分开测量，可以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；在测量校正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。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。
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