專利名稱：一種用電質(zhì)量檢測電路及其檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于電能計量芯片的用電質(zhì)量檢測電路及其檢測方法。

背景技術(shù)：
如今，為了分析用電質(zhì)量，通常在電能計量表中需要計算電壓輸入信號與電流輸入信號的相位差，即相角，用于計算功率因子；同時也需要對電壓輸入信號的頻率進行測量，用于信號分析。
實現(xiàn)上述相角計算和頻率測量工作的原理圖如圖1所示，輸入的模擬電流信號VP/IP和模擬電壓信號VN/IN經(jīng)過可編程增益放大器(PGA)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、濾波器SINC4和高通濾波器HPF濾波后，輸出的電流I_CUR和電壓V_VOL為24位有符號數(shù)，利用該輸出的電流I_CUR和電壓V_VOL的符號位，即可對電壓信號的頻率以及輸入電壓與輸入電流的相位差進行計算。
然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，用于電能計量芯片中電壓輸入信號的頻率測量電路和電壓輸入信號與電流輸入信號的相角的計算電路是分開的，而且現(xiàn)有的計算電壓輸入信號與電流輸入信號的相角的方法，主要是對這兩路信號進行FFT(快速傅立葉變換)運算，然后求得各自的相位，進行減法運算，得到其相位差；上述方法雖然計算精度比較高，但是運算復(fù)雜，需要專門的電路來進行FFT運算，硬件實現(xiàn)困難，成本較大。因此如何用簡單的方法并在同一電路中得到較高精度的相角和頻率值，一直是業(yè)內(nèi)人士研究的重點。


發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)方便的用電質(zhì)量檢測電路及其檢測方法，以達到同時測量出高精度的電壓輸入信號和電流輸入信號間的相角以及電壓輸入信號的頻率值的目的。
本發(fā)明之一所述的一種用電質(zhì)量檢測電路，它包括第一比較器、第二比較器、第一與門、第一計數(shù)器、第二計數(shù)器和一個相位探測模塊， 所述第一比較器的負輸入端和正輸入端分別接收外部輸入的電壓輸入信號和過零信號，其輸出端一方面分別與所述第一計數(shù)器和相位探測模塊連接，另一方面通過所述第一與門與第二計數(shù)器連接； 所述第二比較器的負輸入端和正輸入端分別接收外部的電流輸入信號和過零信號，其輸出端一方面與所述相位探測模塊連接，另一方面通過所述第一與門與第二計數(shù)器連接； 所述第一計數(shù)器和第二計數(shù)器分別接收一外部的時鐘信號，并分別輸出一第一計數(shù)信號和一第二計數(shù)信號； 所述相位探測模塊根據(jù)接收到的信號，判斷所述電壓輸入信號和電流輸入信號的相角的方向，并輸出一個相位信號。
在上述的用電質(zhì)量檢測電路中，所述的相位探測模塊包括第一寄存器、第二寄存器、第三寄存器、一非門和第二與門，所述第一寄存器的輸出端一方面依次與所述第二與門和第三寄存器連接，另一方面依次通過所述第二寄存器、非門和第二與門與第三寄存器連接，所述第一寄存器、第二寄存器和第三寄存器分別接收一外部輸入的時鐘信號，且該第一寄存器和第三寄存器分別接收所述第一比較器和第二比較器輸出的信號，所述第三寄存器輸出所述的相位信號。
本發(fā)明之二所述的一種用電質(zhì)量檢測檢測方法，它包括列步驟， 步驟一，比較步驟，將外部的電壓輸入信號的最高符號位與零比較，輸出電壓極性標(biāo)志信號，將外部的電流輸入信號的最高符號位與零比較，輸出電流極性標(biāo)志信號； 步驟二，相位探測步驟，根據(jù)步驟一中所述的電壓極性標(biāo)志信號和電流極性標(biāo)志信號，判斷所述電壓輸入信號和電流輸入信號的相角的方向，輸出相位信號； 步驟三，計數(shù)步驟，對步驟一中所述電壓極性標(biāo)志信號為1的時間進行計數(shù)，輸出第一計數(shù)值C1，對步驟一中所述電壓極性標(biāo)志信號和電流極性標(biāo)志信號均為1的時間進行計數(shù)，輸出第二計數(shù)值C2； 步驟四，計算步驟，電壓輸入信號的頻率f以及電壓輸入信號和電流輸入信號的相角A分別通過將步驟三中所述的第一計數(shù)值C1、第二計數(shù)值C2和計數(shù)時鐘的頻率fs代入公式f＝fs/(2*C1)和A＝f*(C1-C2)*360/fs中可得，式中，f和fs均為正數(shù)。
在上述的用電質(zhì)量檢測檢測方法中，所述步驟一中，當(dāng)電壓輸入信號或電流輸入信號的最高符號位為0時，電壓極性標(biāo)志信號或電流極性標(biāo)志信號為1，反之則為0。
在上述的用電質(zhì)量檢測檢測方法中，所述步驟二中，在電壓極性標(biāo)志信號從0到1跳變的一個時鐘周期內(nèi)，當(dāng)電流極性標(biāo)志信號為1時，電流輸入信號的相位超前電壓輸入信號的相位，相位信號為1，反之則電壓輸入信號的相位超前電流輸入信號的相位，相位信號為0。
由于采用了上述的技術(shù)解決方案，本發(fā)明的用電質(zhì)量檢測電路及其檢測方法不僅同時實現(xiàn)了對電壓輸入信號和電流輸入信號的相角的計算以及對電壓輸入信號的頻率的測量，達到了用電質(zhì)量檢測的目的，而且還具有電路結(jié)構(gòu)簡單、計算精度高、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。



圖1是在電能計量表中實現(xiàn)相角計算和頻率測量的工作原理示意圖； 圖2是本發(fā)明一種用電質(zhì)量檢測電路的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明用電質(zhì)量檢測電路中相位探測模塊的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明中相位探測模塊在電流輸入信號超前電壓輸入信號時的工作原理示意圖； 圖5是本發(fā)明中相位探測模塊在電壓輸入信號超前電流輸入信號時的工作原理示意圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施例作進一步的詳細說明。
如圖2所示，本發(fā)明之一的一種用電質(zhì)量檢測電路，包括第一比較器11、第二比較器12、第一與門2、第一計數(shù)器31、第二計數(shù)器32和一個相位探測模塊4，其中， 第一比較器11的負輸入端和正輸入端分別接收外部的電壓輸入信號V_VOL和過零信號，由于電壓輸入信號V_VOL是24位帶符號的數(shù)字信號，故只需將該電壓輸入信號V_VOL的最高符號位v_sign與0比較即可，并在比較后輸出一電壓極性標(biāo)志信號v_flag，該輸出端一方面分別與第一計數(shù)器31和相位探測模塊4連接，另一方面通過第一與門2與第二計數(shù)器32連接； 第二比較器12的負輸入端和正輸入端分別接收外部的電流輸入信號I_CUR和過零信號，由于該電流輸入信號I_CUR是24位帶符號的數(shù)字信號，故只需將該電流輸入信號I_CUR的最高符號位i_sign與0比較即可，并在比較后輸出一電流極性標(biāo)志信號i_flag，該輸出端一方面與相位探測模塊4連接，另一方面通過第一與門2與第二計數(shù)器32連接； 第一與門2對接收到的電壓極性標(biāo)志信號v_flag和電流極性標(biāo)志信號i_flag進行邏輯與運算，并向第二計數(shù)器32輸出一邏輯信號vi_flag； 第一計數(shù)器31根據(jù)電壓極性標(biāo)志信號v_flag和外部的時鐘信號CLK，對電壓極性標(biāo)志信號v_flag為1的時間進行計數(shù)，并輸出第一計數(shù)信號C1； 第二計數(shù)器32根據(jù)邏輯信號vi_flag和外部的時鐘信號CLK，對邏輯信號vi_flag為1的時間進行計數(shù)，并輸出第二計數(shù)信號C2； 相位探測模塊4根據(jù)接收到的電壓極性標(biāo)志信號v_flag和電流極性標(biāo)志信號i_flag，判斷電壓輸入信號V_VOL和電流輸入信號I_CUR的相角的方向，并輸出一相位信號Phase_flag。
具體地說，相位探測模塊4包括第一寄存器41、第二寄存器42、第三寄存器43、非門44和第二與門45，其中， 第一寄存器41接收電壓極性標(biāo)志信號v_flag和外部的時鐘信號CLK，對電壓極性標(biāo)志信號v_flag進行第一級鎖存，并輸出第一電壓鎖存信號v_flag_reg； 第二寄存器42接收第一寄存器41輸出的第一電壓鎖存信號v_flag_reg和外部的時鐘信號CLK，對該第一電壓鎖存信號v_flag_reg進行第二級鎖存，并向非門44輸出第二電壓鎖存信號v_flag_treg； 第二與門45對從第一寄存器41接收到的第一電壓鎖存信號v_flag_reg和經(jīng)非門44取反后產(chǎn)生的反相電壓鎖存信號nv_flag_treg進行邏輯與運算，并向第三寄存器43輸出一跳變信號v_flag_12h； 第三寄存器43根據(jù)接收到的電流極性標(biāo)志信號i_flag、跳變信號v_flag_12h和外部的時鐘信號CLK，輸出相位信號Phase_flag。
請參閱圖2至圖5，在本實施例中，以上述的用電質(zhì)量檢測電路為例，對本發(fā)明之二的一種用電質(zhì)量檢測方法進行詳細說明，該檢測方法的具體步驟如下 步驟一，比較步驟，第一比較器41將外部的電壓輸入信號V_VOL的最高符號位v_sign與0比較，當(dāng)該符號位v_sign為0時，表示電壓輸入信號V_VOL為正，即為正周期，此時，輸出的電壓極性標(biāo)志信號v_flag為1，反之，則表示電壓輸入信號V_VOL為負，即為負周期，此時，輸出的電壓極性標(biāo)志信號v_flag為0；第二比較器42將外部的電流輸入信號I_CUR的最高符號位i_sign與0比較，當(dāng)該符號位i_sign為0時，表示電流輸入信號I_CUR為正，即為正周期，此時，輸出的電流極性標(biāo)志信號i_flag為1，反之，則表示電流輸入信號I_CUR為負，即為負周期，此時，輸出的電流極性標(biāo)志信號i_flag為0。
步驟二，相位探測步驟，相位探測模塊4根據(jù)步驟一中電壓極性標(biāo)志信號v_flag和電流極性標(biāo)志信號i_flag，判斷電壓輸入信號V_VOL和電流輸入信號I_CUR的相角的方向，在電壓極性標(biāo)志信號v_flag從0到1跳變的一個時鐘周期內(nèi)，即在跳變信號v_flag_12h有效時，對電流極性標(biāo)志信號i_flag進行采樣，當(dāng)電流極性標(biāo)志信號i_flag為1，即電流輸入信號I_CUR為正周期時，相位探測模塊4輸出的相位信號Phase_flag為1，表示電流輸入信號I_CUR超前電壓輸入信號V_VOL，反之，當(dāng)電流極性標(biāo)志信號i_flag為0，即電流輸入信號I_CUR為負周期時，相位探測模塊4輸出的相位信號Phase_flag為0，表示電壓輸入信號V_VOL超前電流輸入信號I_CUR。
步驟三，計數(shù)步驟，第一計數(shù)器41對步驟一中電壓極性標(biāo)志信號v_flag為1的時間進行計數(shù)，輸出第一計數(shù)值C1，第二計數(shù)器42對步驟一中電壓極性標(biāo)志信號v_flag和電流極性標(biāo)志信號i_flag均為1的時間，即經(jīng)第一與門2輸出的邏輯信號vi_flag為1的時間進行計數(shù)，輸出第二計數(shù)值C2，另外，第一計數(shù)器41和第二計數(shù)器42的計數(shù)時鐘均為外部的時鐘信號CLK，即為電能計量芯片的時鐘，且在本發(fā)明中，將該計數(shù)時鐘的頻率fs取為5Mhz； 步驟四，計算步驟，電壓輸入信號V_VOL的頻率f可通過將步驟三中第一計數(shù)值C1和計數(shù)時鐘的頻率fs代入公式f＝fs/(2*C1)中得到，電壓輸入信號V_VOL和電流輸入信號I_CUR的相角A可通過將步驟三中電壓輸入信號V_VOL的頻率f、第一計數(shù)值C1、第二計數(shù)值C2和計數(shù)時鐘的頻率fs代入公式A＝f*(C1-C2)*360/fs中得到，且該公式可進一步轉(zhuǎn)化為A＝(C1-C2)*180/C1。
至此，可以根據(jù)步驟二中相位信號Phase_flag的值以及步驟四中計算得出的相角A的值，得到準(zhǔn)確的電壓輸入信號V_VOL和電流輸入信號I_CUR的相位關(guān)系。
另外，用步驟四中的計算方法所得的電壓輸入信號V_VOL的頻率f的誤差約為(fs/2*(C1+θ)-fs/2*C1)/(fs/2*C1)＝-θ/(C1+θ)≈-1/C1；相角A的誤差約為(((C1+α)-(C2+β))*180/(C1+α)-(C2-C 1)*180/C1)/((C1-C2)*180/C1)＝(α*C2-β*C1)/((C1-C2)*(C1+α))≈-1/C1；在上述式中，α、β、θ均為第一計數(shù)器41、第二計數(shù)器42的誤差，且一般均為整數(shù)；由于計數(shù)時鐘的頻率fs遠遠大于電壓輸入信號V_VOL的頻率f，故此，該誤差α、β、θ一般為±1，因此可以在上述運算中進行近似處理。另外，在運算中，第一計數(shù)值C1由計數(shù)時鐘的頻率fs決定，當(dāng)頻率fs的值越大時，第一計數(shù)值C1越大，那么計算的誤差就越小，因此，在發(fā)明中，取fs/f＝5×106/50＝105，且該比例能滿足電能計量表中的千分比誤差的需求。
以上結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員可根據(jù)上述說明對本發(fā)明做出種種變化例。因而，實施例中的某些細節(jié)不應(yīng)構(gòu)成對本發(fā)明的限定，本發(fā)明將以所附權(quán)利要求書界定的范圍作為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種用電質(zhì)量檢測電路，其特征在于，所述的檢測電路包括第一比較器、第二比較器、第一與門、第一計數(shù)器、第二計數(shù)器和一個相位探測模塊，
所述第一比較器的負輸入端和正輸入端分別接收外部輸入的電壓輸入信號和過零信號，其輸出端一方面分別與所述第一計數(shù)器和相位探測模塊連接，另一方面通過所述第一與門與第二計數(shù)器連接；
所述第二比較器的負輸入端和正輸入端分別接收外部的電流輸入信號和過零信號，其輸出端一方面與所述相位探測模塊連接，另一方面通過所述第一與門與第二計數(shù)器連接；
所述第一計數(shù)器和第二計數(shù)器分別接收一外部的時鐘信號，并分別輸出一第一計數(shù)信號和一第二計數(shù)信號；
所述相位探測模塊根據(jù)接收到的信號，判斷所述電壓輸入信號和電流輸入信號的相角的方向，并輸出一個相位信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用電質(zhì)量檢測電路，其特征在于，所述的相位探測模塊包括第一寄存器、第二寄存器、第三寄存器、一非門和第二與門，所述第一寄存器的輸出端一方面依次與所述第二與門和第三寄存器連接，另一方面依次通過所述第二寄存器、非門和第二與門與第三寄存器連接，所述第一寄存器、第二寄存器和第三寄存器分別接收一外部輸入的時鐘信號，且該第一寄存器和第三寄存器分別接收所述第一比較器和第二比較器輸出的信號，所述第三寄存器輸出所述的相位信號。
3.一種用電質(zhì)量檢測檢測方法，其特征在于，所述的檢測方法包括列步驟，
步驟一，比較步驟，將外部的電壓輸入信號的最高符號位與零比較，輸出電壓極性標(biāo)志信號，將外部的電流輸入信號的最高符號位與零比較，輸出電流極性標(biāo)志信號；
步驟二，相位探測步驟，根據(jù)步驟一中所述的電壓極性標(biāo)志信號和電流極性標(biāo)志信號，判斷所述電壓輸入信號和電流輸入信號的相角的方向，輸出相位信號；
步驟三，計數(shù)步驟，對步驟一中所述電壓極性標(biāo)志信號為1的時間進行計數(shù)，輸出第一計數(shù)值C1，對步驟一中所述電壓極性標(biāo)志信號和電流極性標(biāo)志信號均為1的時間進行計數(shù)，輸出第二計數(shù)值C2；
步驟四，計算步驟，電壓輸入信號的頻率f以及電壓輸入信號和電流輸入信號的相角A分別通過將步驟三中所述的第一計數(shù)值C1、第二計數(shù)值C2和計數(shù)時鐘的頻率fs代入公式f＝fs/(2*C1)和A＝f*(C1-C2)*360/fs中可得，式中，f和fs均為正數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用電質(zhì)量檢測檢測方法，其特征在于，所述步驟一中，當(dāng)電壓輸入信號或電流輸入信號的最高符號位為0時，電壓極性標(biāo)志信號或電流極性標(biāo)志信號為1，反之則為0。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用電質(zhì)量檢測檢測方法，其特征在于，所述步驟二中，在電壓極性標(biāo)志信號從0到1跳變的一個時鐘周期內(nèi)，當(dāng)電流極性標(biāo)志信號為1時，電流輸入信號的相位超前電壓輸入信號的相位，相位信號為1，反之則電壓輸入信號的相位超前電流輸入信號的相位，相位信號為0。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用電質(zhì)量檢測電路及其檢測方法，所述的檢測電路包括第一比較器、第二比較器、第一與門、第一計數(shù)器、第二計數(shù)器和相位探測模塊，所述第一比較器的負輸入端和正輸入端分別接收外部的電壓輸入信號和過零信號，其輸出端一方面分別與所述第一計數(shù)器和相位探測模塊連接，另一方面通過所述第一與門與第二計數(shù)器連接；所述第二比較器的負輸入端和正輸入端分別接收外部的電流輸入信號和過零信號，其輸出端一方面與所述相位探測模塊連接，另一方面通過所述第一與門與第二計數(shù)器連接。本發(fā)明不僅同時實現(xiàn)了對電壓輸入信號和電流輸入信號間的相角的計算以及對電壓輸入信號的頻率的測量，而且還具有電路結(jié)構(gòu)簡單、計算精度高、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。
文檔編號G01R25/00GK101710156SQ200910200218
公開日2010年5月19日 申請日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者趙海燕 申請人:上海貝嶺股份有限公司