電子式電能表專用芯片的研究

0電子式電能表是一種新的趨勢(shì)近年來(lái)，微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展有效地促進(jìn)了電子表達(dá)技術(shù)的快速更新和進(jìn)步。國(guó)內(nèi)外許多公司研制出不同測(cè)量原理的電能表專用芯片。隨著全國(guó)城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的廣泛進(jìn)行，按國(guó)家規(guī)定的一戶一表的安裝工程已接近尾聲,大量的電子式電能表已在實(shí)際運(yùn)行中。電能表是電力企業(yè)施行收取電費(fèi)和體現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)效益的唯一工具,其性能穩(wěn)定性，測(cè)量精度的準(zhǔn)確性、可靠性不僅關(guān)系到電力部門的經(jīng)濟(jì)利益問(wèn)題，而且還關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的大問(wèn)題。電子式電能表的技術(shù)性能主要取決于電能專用集成電路的特性，所以研究電子式電能表的技術(shù)性能主要是對(duì)電能專用集成電路進(jìn)行研究。鑒于目前電子式電能表的應(yīng)用有逐漸增大的趨勢(shì)，所以對(duì)電能表專用芯片的特性進(jìn)行研究，有十分重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和理論意義。1電子表專用芯片的分類目前，國(guó)內(nèi)外電子式電能表電能專用芯片的原理主要分為模擬乘法器和數(shù)字乘法器兩大類。1.1電子式電能表用電專用情況模擬乘法器原理主要分為時(shí)分割乘法器原理和吉爾波特變跨導(dǎo)乘法器原理兩類。應(yīng)用時(shí)分割乘法器原理的電子式電能表電能專用集成電路有北京斯瑞埃爾公司的LS2005等?？勺兛鐚?dǎo)型乘法器原理的代表性產(chǎn)品有上海貝嶺電子公司開發(fā)的BL0931和BL0932。1.2數(shù)字型乘法器近幾年由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和ASIK技術(shù)的應(yīng)用，使開發(fā)專用芯片的工作相對(duì)容易。數(shù)字型電能專用芯片是計(jì)算單元控制雙通道A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)對(duì)電壓、電流波形進(jìn)行采樣，然后由芯片計(jì)算單元完成相乘功能并累計(jì)電能。數(shù)字型乘法器以A/D變換原理也分為兩類：用逐次比較型A/D進(jìn)行采樣的數(shù)字乘法器和用Σ-Δ原理進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字乘法器。前一類的產(chǎn)品如南非Sames公司生產(chǎn)的SA91系列單、三相電能測(cè)量專用芯片。后一類產(chǎn)品是美國(guó)ADI公司于1998年首先研制出AD7755系列產(chǎn)品，它即是以Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)的電能專用芯片。近幾年，美國(guó)的其它公司也推出了相同原理的電能測(cè)量專用芯片如美國(guó)Crystal公司CS5460,AtmEL公司的AT73C500和AT73C501或AT13C502系列電能專用集成電路。目前此種原理電能測(cè)量芯片所生產(chǎn)的電子式電能表占有國(guó)內(nèi)電子式電能表大部分市場(chǎng)份額。2測(cè)量特定行業(yè)的芯片2.1模擬專用于法器的芯片的原理2.1.1在這種情況下，專用于瑞士相機(jī)的能源芯片是獨(dú)立的2.1.1.分離系統(tǒng)的相乘與轉(zhuǎn)換時(shí)分割乘法器原理的電能專用芯片多數(shù)采用電流平衡型時(shí)分割乘法器。對(duì)輸入相乘的兩個(gè)電壓量（其中一個(gè)電壓量經(jīng)I/U轉(zhuǎn)換而得）以一定的時(shí)間隔Δt進(jìn)行分割。Δt很小以致于在此期間可以看作是直流，乘法器就在這所分割的每一Δt時(shí)間內(nèi)作一次相乘得出運(yùn)算結(jié)果，然后對(duì)這些相乘取平均值，此平均值就代表電流、電壓的乘積即是電能功率值。乘法器瞬間相乘的過(guò)程是對(duì)一路電壓進(jìn)行倒相，倒相后就有了一正向電壓和一反向電壓，形成雙極性的方波源。如果使正負(fù)極性部分的寬度差與另一輸入量成正比，則此正負(fù)方波的平均值就與兩輸入乘積成正比，所以也稱時(shí)分割乘法器為脈沖寬度幅度調(diào)制乘法器。2.1.1.脈沖調(diào)寬型乘法器的相移誤差(1）分割數(shù)N的影響：在交流功率測(cè)量中，電壓信號(hào)UX和電流信號(hào)IX在一個(gè)周期T內(nèi)被分割N小段后一一對(duì)應(yīng)相乘。分割數(shù)N對(duì)最后變換結(jié)果的誤差有較大的影響;(2）具有節(jié)拍方波的脈沖調(diào)寬型乘法器的相移誤差；(3）非理想積分器導(dǎo)致的誤差。2.1.1.時(shí)分割乘法器從時(shí)分割方法的發(fā)展與應(yīng)用過(guò)程來(lái)看，時(shí)分割電能測(cè)量方法有如下特點(diǎn)：(1）時(shí)分割乘法器構(gòu)成的電能儀表電路簡(jiǎn)單，成本低；(2）時(shí)分割方法測(cè)量工頻范圍內(nèi)的電能線性度高；(3）時(shí)分割方法頻率測(cè)量范圍窄，大多數(shù)不適于畸變波形下的功率測(cè)量；(4）電能測(cè)量準(zhǔn)確度級(jí)別一般為1.0～0.2級(jí)。2.1.2吉爾波工業(yè)能源開發(fā)的芯片原理2.1.2.變跨導(dǎo)乘法器用兩個(gè)完全匹配的三極管組成對(duì)稱的共射差動(dòng)放大電路，一路電壓作為差模輸入電壓。根據(jù)正向工作區(qū)的埃伯爾斯—摩爾模型可求出電路輸出電壓等于電路差模輸入電壓與共射極電流源的乘積，再把射極電流源改為另一路電壓輸入的壓控電流源，即可實(shí)現(xiàn)輸出電壓等于兩路電壓輸入之積。因壓控電流源電路的電流與電壓成正比，其比例系數(shù)是該電路的導(dǎo)納，所以稱為變跨導(dǎo)乘法器。由于壓控電流源電路電壓只能輸入正向電壓，而差模輸入電壓可正可負(fù)，所以只能實(shí)現(xiàn)兩象限乘法。將差動(dòng)共射放大電路中的差模輸入的三極管用雙差動(dòng)對(duì)管替換，射極單管恒流源電路也用雙差動(dòng)對(duì)管替換，當(dāng)雙輸入電壓遠(yuǎn)小于管子PN結(jié)的夾斷電壓時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)雙輸入電壓四象限線性乘法器。2.1.2.輸出失調(diào)電壓誤差(1）靜態(tài)誤差。包括電壓路饋通誤差；電流路饋通誤差；輸出失調(diào)電壓誤差和增益誤差。(2）動(dòng)態(tài)誤差。包括交流饋通誤差；大信號(hào)動(dòng)態(tài)特性誤差；相位誤差及動(dòng)態(tài)非線性誤差。2.1.2.頻率測(cè)量方法的特點(diǎn)(1）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,適合于負(fù)載變化快的功率測(cè)量；(2）頻率測(cè)量范圍頻帶寬，適于畸變波形下的功率測(cè)量；(3）測(cè)量工頻范圍內(nèi)的電能，其線性度較低；(4）電能測(cè)量級(jí)別一般為2.0～1.0級(jí)。2.2功率值的測(cè)量根據(jù)采樣定理，對(duì)一連續(xù)波形經(jīng)A/D變換器進(jìn)行整周期數(shù)字采樣，把連續(xù)波形離散化，MCU用軟件根據(jù)均方根算法計(jì)算出電流、電壓的有效值，再相乘得出功率值的方法。每一芯片有一獨(dú)立的時(shí)基信號(hào)發(fā)生器，功率值乘以時(shí)間就可完成電能測(cè)量。此類電能專用芯片的測(cè)量原理采用過(guò)零同步采樣法。2.2.1帶有數(shù)字乘用電子芯片的a-d檢測(cè)器數(shù)字乘法器原理的電能專用芯片對(duì)波形進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的A/D轉(zhuǎn)換器主要有兩類。(1）邏輯控制單元逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器主要是由四部分構(gòu)成：一個(gè)比較器、一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)逐次逼近寄存器和一個(gè)邏輯控制單元。轉(zhuǎn)換中的逐次逼近是按對(duì)分原理、由邏輯控制單元完成的。起動(dòng)轉(zhuǎn)換后，邏輯控制單元首先把逐次逼近寄存器的最高位置1，其它位都置0，逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的這個(gè)內(nèi)容經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后得到約為滿量程輸出一半的電壓值。這個(gè)電壓值在比較器中與輸入信號(hào)進(jìn)行比較。比較器的輸出反饋到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并在下一次比較前對(duì)其進(jìn)行修正。在邏輯控制單元的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，逐次逼近寄存器不斷進(jìn)行比較和移位操作，直到完成最低有效位的轉(zhuǎn)換。由于提高分辨率，需要相當(dāng)復(fù)雜的比較網(wǎng)絡(luò)和極高精度的模擬電子器件，難以大規(guī)模集成。所以逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器原理的電能專用芯片的測(cè)量等級(jí)都不高，SA91系列電能專用芯片為1.0級(jí)。(2）a/d轉(zhuǎn)換電路近幾年隨著DSP數(shù)據(jù)信號(hào)處理器技術(shù)的發(fā)展與完善，出現(xiàn)了一種基于FIR數(shù)字濾波原理的A/D轉(zhuǎn)換器即Σ-ΔA/D轉(zhuǎn)換器。該芯片主要采取了增量調(diào)制、噪聲整形、數(shù)字濾波和采樣抽取等技術(shù)?！?ΔA/D轉(zhuǎn)換器主要由兩部分組成，增量調(diào)置器和數(shù)字抽取濾波器，其中增量調(diào)置器以遠(yuǎn)大于奈奎斯特率的速度對(duì)信號(hào)進(jìn)行“過(guò)采樣”；在將模擬信號(hào)樣本形成1BIT碼流的同時(shí)，對(duì)量化噪聲進(jìn)行“噪聲成形”處理，使量化噪聲在低頻段很小，在高頻段很高。數(shù)字抽取濾波器的作用是對(duì)高速碼流進(jìn)行抽取，同時(shí)對(duì)基帶以外的量化噪聲進(jìn)行濾波，形成以奈奎斯特率抽樣頻率輸出的高分辨率碼流。其特點(diǎn)是能以較低的成本實(shí)現(xiàn)高線性度和高分辨率。所以Σ-Δ原理A/D轉(zhuǎn)換器的電能專用芯片其測(cè)量等級(jí)都較高，例如AD7755系列為0.1級(jí)。又由于Σ-Δ原理A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換原理為根據(jù)模擬信號(hào)波形的包絡(luò)形狀來(lái)進(jìn)行量化編碼，對(duì)波形幅值的變化不敏感，所以此類電能專用芯片具有良好的電磁兼容性。2.2.2同步采樣誤差補(bǔ)償方法(1）原理誤差（截?cái)嗾`差）：當(dāng)N次均勻采樣時(shí)間隔之和恰好等于一個(gè)周期或多個(gè)周期時(shí)，將不存在原理誤差。但是由于環(huán)節(jié)和所用部件的不完善等原因，將出現(xiàn)時(shí)間差異，而引起原理誤差。(2）截?cái)嗾`差補(bǔ)償方法：如將采樣值在被測(cè)函數(shù)的真實(shí)值附近選擇，加上一些誤差補(bǔ)償方法，可大大提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。為了提高同步采樣的測(cè)量準(zhǔn)確度，國(guó)內(nèi)外運(yùn)行了許多研究。有效而簡(jiǎn)便的方法是，利用其它方法或以頻率計(jì)測(cè)得信號(hào)的周期，或用過(guò)零檢測(cè)器檢測(cè)器控制計(jì)數(shù)器工作，從而獲得的準(zhǔn)確的周期T值，進(jìn)而求出采樣時(shí)間實(shí)現(xiàn)修正誤差。(3)A/D轉(zhuǎn)換器引起的器件誤差：以往的同步采樣法功率乘法器的誤差分析，A/D轉(zhuǎn)換器的采樣原理都是基于電荷平衡原理，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間短，轉(zhuǎn)換時(shí)間確定。即認(rèn)定A/D轉(zhuǎn)換器引起的相位誤差很小，以致于當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率高于測(cè)量精度時(shí)，基本不考慮A/D轉(zhuǎn)換器引起的器件誤差。隨著DSP技術(shù)的成熟和應(yīng)用，近幾年出現(xiàn)了一種基于DSP技術(shù)的新型∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器。(4）∑-ΔA/D同步采樣誤差補(bǔ)償方法：∑-ΔA/D同步采樣后加入相位校正系統(tǒng)以減小相位誤差。加入高通濾波器濾掉直流，增加信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)范圍，以增大線性度。2.2.3非本機(jī)中的信號(hào)測(cè)量(1）能進(jìn)行多種電參數(shù)的測(cè)量；(2）當(dāng)采樣頻率選擇得當(dāng)，可以進(jìn)行非正弦信號(hào)的測(cè)量；(3）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，不適合對(duì)負(fù)載變化大的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量；(4）電能測(cè)量準(zhǔn)確度級(jí)別一般為1.0～0.5級(jí)。3完善電子式電能表性能測(cè)試技術(shù)感應(yīng)式電能表通過(guò)近100年的發(fā)展，已形成了較完善的