專利名稱：預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及計(jì)量芯片領(lǐng)域，特別是涉及一種應(yīng)用于電能計(jì)量電路的預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路。
背景技術(shù)：
圖1為現(xiàn)有的一種無校準(zhǔn)功能的電能計(jì)量電路結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，無校準(zhǔn)功能的電能計(jì)量電路包括采樣模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、基準(zhǔn)模塊以及時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換模塊，采樣模塊對(duì)電流信號(hào)及電壓信號(hào)進(jìn)行采樣后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電流數(shù)字量及電壓數(shù)字量送入數(shù)字信號(hào)處理模塊處理，生成計(jì)量參數(shù)。然而，經(jīng)過圖1獲得的計(jì)量參數(shù)往往不準(zhǔn)確，電子式電能表在出廠前，一般都需要對(duì)其測(cè)量精度進(jìn)行校準(zhǔn)，以滿足有關(guān)電能計(jì)量技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前，電子式電能表常用的校準(zhǔn)方法主要有兩種硬件校準(zhǔn)和軟件校準(zhǔn)。硬件校準(zhǔn)是在電子式電能表PCB應(yīng)用板上，電壓采樣通道設(shè)計(jì)電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)， 通過短接分壓器網(wǎng)絡(luò)電阻，改變線電壓衰減來調(diào)準(zhǔn)采樣電壓，從而實(shí)現(xiàn)校表目的。硬件校準(zhǔn)方法需要根據(jù)誤差情況手工短接適當(dāng)?shù)碾娮?，調(diào)整速度慢；且電阻分壓網(wǎng)絡(luò)的校驗(yàn)范圍有限(一般為士30%)，對(duì)于超出校驗(yàn)范圍的電能計(jì)量電路，需要手工更換、焊接分壓網(wǎng)絡(luò)中的電阻，增加了硬件成本，還容易因虛焊假焊影響電表計(jì)量的精度。軟件校準(zhǔn)，則一般是在電能計(jì)量電路內(nèi)部設(shè)計(jì)校準(zhǔn)寄存器，通過MCU向校準(zhǔn)寄存器寫入校準(zhǔn)值來實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。現(xiàn)有的軟件校準(zhǔn)方法或技術(shù)有兩類，一類是在對(duì)線電壓/電流信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換前，預(yù)先對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)制，如上海華園微電子技術(shù)有限公司于 2003年6月沈日申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?3129510. X的中國(guó)專利申請(qǐng)，然而這種方法需要設(shè)計(jì)高精度的模擬增益可調(diào)制放大電路，設(shè)計(jì)難度大，技術(shù)上不容易實(shí)現(xiàn)。軟件校準(zhǔn)方法的另一類則是在將模擬線電壓/電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，對(duì)數(shù)字量進(jìn)行增益調(diào)節(jié)。目前的帶校準(zhǔn)功能的電能計(jì)量產(chǎn)品多數(shù)按此方法實(shí)現(xiàn)。該方法適用于帶通訊接口的計(jì)量電路，需要重新設(shè)計(jì)校準(zhǔn)寄存器電路、數(shù)字信號(hào)處理電路，增加數(shù)字電路規(guī)模。采用該方法設(shè)計(jì)的電能計(jì)量產(chǎn)品應(yīng)用時(shí)，需通過通訊接口外接EEPROM存儲(chǔ)器；在校表時(shí)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部EEPROM存儲(chǔ)器；電能表應(yīng)用時(shí)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)從EEPROM讀出，通過通訊接口寫入校準(zhǔn)寄存器實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。然而對(duì)于無通訊接口的計(jì)量電路，往往需要設(shè)計(jì)校準(zhǔn)寄存器電路、通訊接口電路及數(shù)字信號(hào)運(yùn)算電路等模塊，增加通訊引腳，無法兼容原有外圍電路，必須重新設(shè)計(jì)PCB板，成本高。

實(shí)用新型內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無需增加大量電路規(guī)模的預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，其可以完全兼容原有電子式電能表外圍電路，無需重新設(shè)計(jì)PCB板，同時(shí)又能有效提高電能表測(cè)量精度，降低了校表成本。為達(dá)上述及其它目的，本實(shí)用新型提供一種預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，至少包括采樣模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)字信號(hào)處理模塊，另外，該預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路還包括校準(zhǔn)寄存器及接口模塊以及校準(zhǔn)模塊，該校準(zhǔn)寄存器通過接口接收校準(zhǔn)控制臺(tái)寫入的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以控制該校準(zhǔn)模塊的工作狀態(tài)，該校準(zhǔn)模塊根據(jù)該校準(zhǔn)寄存器的設(shè)置控制工作狀態(tài)，并對(duì)該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)制器傳輸函數(shù)進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)一步地，該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由Sigma-Delta ADC實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步地，該Sigma-Delta ADC為二階Sigma-Delta ADC，其至少包括積分器、比較器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)。進(jìn)一步地，該校準(zhǔn)寄存器為非易失性可編程單元，其通過復(fù)用引腳實(shí)現(xiàn)編程接口， 作為該校準(zhǔn)寄存器及接口模塊的接口電路。進(jìn)一步地，在測(cè)試校準(zhǔn)時(shí)，復(fù)用引腳用于編程該校準(zhǔn)寄存器；正常工作時(shí)，該校準(zhǔn)寄存器值保持不變，復(fù)用引腳正常使用。進(jìn)一步地，若該電能計(jì)量電路為帶通訊接口的電能計(jì)量電路，采用內(nèi)部寄存器電路作為該校準(zhǔn)寄存器，該校準(zhǔn)寄存器及接口模塊的接口電路與該通訊接口復(fù)用，該校準(zhǔn)數(shù)據(jù)暫存到外部EEPROM存儲(chǔ)器，然后通過該通訊接口寫入該校準(zhǔn)寄存器。進(jìn)一步地，該校準(zhǔn)寄存器的位寬由該校準(zhǔn)模塊的校準(zhǔn)范圍決定。進(jìn)一步地，該電能計(jì)量電路還包括基準(zhǔn)模塊以及時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換模塊，該基準(zhǔn)模塊用于產(chǎn)生該電能計(jì)量電路工作所需的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，并為該采樣模塊和該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供基準(zhǔn)電壓；該時(shí)鐘與頻率轉(zhuǎn)換模塊為該采樣模塊、該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及該數(shù)字信號(hào)處理模塊提供時(shí)鐘信號(hào)及輸出脈沖頻率基準(zhǔn)信號(hào)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型一種預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路通過設(shè)置校準(zhǔn)寄存器控制校準(zhǔn)模塊，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)制器傳輸函數(shù)系數(shù)進(jìn)行微調(diào)處理，改變模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換后數(shù)字量的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電能計(jì)量電路測(cè)量精度進(jìn)行校準(zhǔn)的功能；本實(shí)用新型之預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需增加大量電路規(guī)模，應(yīng)用時(shí)完全兼容原有電子式電能表外圍電路，無需重新設(shè)計(jì)PCB板，同時(shí)又能有效提高電能表測(cè)量精度，降低了校表成本，是電能計(jì)量芯片領(lǐng)域一個(gè)高效靈活的選擇。

圖1為現(xiàn)有的一種無校準(zhǔn)功能的電能計(jì)量電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型一種預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路之較佳實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本實(shí)用新型中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊調(diào)制器的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型之預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路的校表應(yīng)用框圖；圖5本實(shí)用新型之預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路的校準(zhǔn)方法的步驟流程圖。
具體實(shí)施方式
以下通過特定的具體實(shí)例并結(jié)合附圖說明本實(shí)用新型的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本實(shí)用新型的其它優(yōu)點(diǎn)與功效。本實(shí)用新型亦可通過其它不同的具體實(shí)例加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)亦可基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在不背離本實(shí)用新型的精神下進(jìn)行各種修飾與變更。圖2為本實(shí)用新型一種預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路之較佳實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)框圖。如圖2所示，本實(shí)用新型一種預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，至少包括采樣模塊201、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊202、 數(shù)字信號(hào)處理模塊203、校準(zhǔn)寄存器及接口模塊204、校準(zhǔn)模塊205、基準(zhǔn)模塊206以及時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換模塊207。其中，采樣模塊201用于采樣電流信號(hào)和線電壓信號(hào)，供給模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 202 (ADC)處理；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊202，把采樣模塊201采樣的電流信號(hào)和線電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)數(shù)字量和電壓信號(hào)數(shù)字量，供數(shù)字信號(hào)處理模塊203處理，由于計(jì)量精度要求，一般模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由Sigma-Delta ADC實(shí)現(xiàn)；數(shù)字信號(hào)處理模塊203，對(duì)電流信號(hào)數(shù)字量和電壓信號(hào)數(shù)字量進(jìn)行濾波處理并進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算得到瞬時(shí)功率值，瞬時(shí)功率值累加得到電能計(jì)量值，輸出給外部MCU (未示出)處理；校準(zhǔn)寄存器及接口模塊204，可通過接口對(duì)校準(zhǔn)寄存器寫校準(zhǔn)值來控制校準(zhǔn)模塊205的工作狀態(tài)，校準(zhǔn)寄存器的位寬由校準(zhǔn)模塊205 的校準(zhǔn)范圍決定；校準(zhǔn)模塊205，根據(jù)校準(zhǔn)寄存器的設(shè)置控制工作狀態(tài)，直接對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊202的調(diào)制器傳輸函數(shù)系數(shù)做細(xì)微調(diào)整；基準(zhǔn)模塊206，用于產(chǎn)生電路工作所需的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，并為采樣模塊201和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊202提供基準(zhǔn)電壓；時(shí)鐘與頻率轉(zhuǎn)換模塊207， 為采樣模塊201、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊202、數(shù)字信號(hào)處理模塊203等提供時(shí)鐘信號(hào)及輸出脈沖頻率基準(zhǔn)信號(hào)。圖3為本實(shí)用新型中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊調(diào)制器的一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示， 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊202為二階的Sigma-Delta調(diào)制器，Vin為模擬量輸入，Dout為數(shù)字量輸出。Sigma-Delta調(diào)制器以極高的抽樣頻率對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行抽樣，并對(duì)兩個(gè)抽樣之間的差值進(jìn)行低位量化，從而得到用低位數(shù)碼表示的數(shù)字信號(hào)，即Σ -Δ碼；然后將該碼送到數(shù)字抽取濾波器進(jìn)行抽取濾波，得到高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號(hào)，其結(jié)構(gòu)近似于雙斜率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，除了增益放大部分外，還包括積分器、比較器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)的反饋環(huán)，由于Sigma-Delta調(diào)制器的結(jié)構(gòu)為現(xiàn)有技術(shù)，在此不予贅述。需進(jìn)一步說明的是，為了使不同幅度的信號(hào)經(jīng)過Sigma-Delta調(diào)制器調(diào)制后線性度保持一致，校準(zhǔn)模塊對(duì)Sigma-Delta調(diào)制器的反饋系數(shù)bl做細(xì)微調(diào)整。在本實(shí)用新型較佳實(shí)施例中，對(duì)于無通訊接口的電能計(jì)量電路，可以采用非易失性可編程單元作為校準(zhǔn)寄存器，引腳復(fù)用實(shí)現(xiàn)編程接口。在測(cè)試校準(zhǔn)時(shí)，復(fù)用引腳用于編程校準(zhǔn)寄存器；正常工作時(shí)，校準(zhǔn)寄存器值保持不變，復(fù)用引腳正常使用，完全兼容原有電子式電能表外圍電路及PCB板，這里采用的非易失性可編程單元可以是熔絲、OTP ROM,EEPROM 等非易失性存儲(chǔ)器件；而對(duì)于帶通訊接口的計(jì)量電路，校準(zhǔn)寄存器可以采用非易失性可編程單元結(jié)構(gòu)，如前面所述，或者也可采用內(nèi)部寄存器電路作為校準(zhǔn)寄存器，接口電路跟原有的通訊接口復(fù)用，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)暫存到外部EEPROM存儲(chǔ)器，通過通訊接口寫入校準(zhǔn)寄存器實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)，完全兼容原有電子式電能表外圍電路及PCB板。在此需說明的是，對(duì)應(yīng)于處理單相多通道電流和電壓信號(hào)，或者三相電流和電壓信號(hào)，本實(shí)用新型之帶測(cè)量精度預(yù)校準(zhǔn)功能的電能計(jì)量電路分別為單相電能計(jì)量電路或者三相電能計(jì)量電路。圖4是本實(shí)用新型之預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路的校表應(yīng)用框圖，圖5本實(shí)用新型之預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路的校準(zhǔn)方法的步驟流程圖。以下將配合圖4及圖5進(jìn)一步說明本實(shí)用新型之預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路的校準(zhǔn)方法，該方法步驟如下步驟501，校準(zhǔn)初始化，本實(shí)用新型之預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路輸出電參量計(jì)量結(jié)果
5(計(jì)量參量)給校準(zhǔn)控制臺(tái)；步驟502，校準(zhǔn)控制臺(tái)根據(jù)上述電參量計(jì)量結(jié)果，計(jì)算得出初測(cè)誤差值及校準(zhǔn)補(bǔ)償數(shù)據(jù)；步驟503，根據(jù)上述校準(zhǔn)補(bǔ)償數(shù)據(jù)，推算出要補(bǔ)償該誤差值所需調(diào)整的調(diào)制器系數(shù)范圍；步驟504，由需調(diào)整的調(diào)制器系數(shù)范圍推算校準(zhǔn)模塊的工作狀態(tài)，并得到對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)寄存器值；步驟505，將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)寫校準(zhǔn)寄存器，控制校準(zhǔn)模塊工作在步驟504得出的狀態(tài)；步驟506，計(jì)量電路重新計(jì)量輸出電參量結(jié)果，并送給校準(zhǔn)控制臺(tái)；步驟507，校準(zhǔn)控制臺(tái)判斷計(jì)量誤差是否符合要求，若符合，則完成校表；若不符合，重復(fù)步驟502至步驟506過程。承上所述，由于不管是硬件校準(zhǔn)方法，還是軟件校準(zhǔn)方法，對(duì)計(jì)量精度的校準(zhǔn)歸根結(jié)底是通過調(diào)整信號(hào)幅度來實(shí)現(xiàn)的。模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的大小，直接跟模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)制器相關(guān)，那么通過微調(diào)調(diào)制器傳輸函數(shù)的系數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能計(jì)量電路測(cè)量精度進(jìn)行校準(zhǔn)的目的。正是基于上述思路，本實(shí)用新型提出了一種帶測(cè)量精度預(yù)校準(zhǔn)功能的電能計(jì)量電路，其可以實(shí)現(xiàn)電能測(cè)量精度預(yù)校準(zhǔn)，同時(shí)兼容原有電子式電能表外圍電路，無需重新設(shè)計(jì)PCB板。上述實(shí)施例僅例示性說明本實(shí)用新型的原理及其功效，而非用于限制本實(shí)用新型。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員均可在不違背本實(shí)用新型的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾與改變。因此，本實(shí)用新型的權(quán)利保護(hù)范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
權(quán)利要求1.一種預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，至少包括采樣模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)字信號(hào)處理模塊， 其特征在于該預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路還包括校準(zhǔn)寄存器及接口模塊以及校準(zhǔn)模塊，該校準(zhǔn)寄存器通過接口接收校準(zhǔn)控制臺(tái)寫入的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以控制該校準(zhǔn)模塊的工作狀態(tài)，該校準(zhǔn)模塊根據(jù)該校準(zhǔn)寄存器的設(shè)置控制工作狀態(tài)，并對(duì)該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)制器傳輸函數(shù)進(jìn)行調(diào)離iF. ο
2.如權(quán)利要求1所述的預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，其特征在于該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由 Sigma-Delta ADC 實(shí)現(xiàn)。
3.如權(quán)利要求2所述的預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，其特征在于該Sigma-DeltaADC為二階Sigma-Delta ADC，其至少包括積分器、比較器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)。
4.如權(quán)利要求1所述的預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，其特征在于該校準(zhǔn)寄存器為非易失性可編程單元，其通過復(fù)用引腳實(shí)現(xiàn)編程接口，作為該校準(zhǔn)寄存器及接口模塊的接口電路。
5.如權(quán)利要求4所述的預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，其特征在于在測(cè)試校準(zhǔn)時(shí)，復(fù)用引腳用于編程該校準(zhǔn)寄存器；正常工作時(shí)，該校準(zhǔn)寄存器值保持不變，復(fù)用引腳正常使用。
6.如權(quán)利要求1所述的預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，其特征在于若該電能計(jì)量電路為帶通訊接口的電能計(jì)量電路，采用內(nèi)部寄存器電路作為該校準(zhǔn)寄存器，該校準(zhǔn)寄存器及接口模塊的接口電路與該通訊接口復(fù)用，該校準(zhǔn)數(shù)據(jù)暫存到外部EEPROM存儲(chǔ)器，然后通過該通訊接口寫入該校準(zhǔn)寄存器。
7.如權(quán)利要求1所述的預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，其特征在于該校準(zhǔn)寄存器的位寬由該校準(zhǔn)模塊的校準(zhǔn)范圍決定。
8.如權(quán)利要求1所述的預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，其特征在于該電能計(jì)量電路還包括基準(zhǔn)模塊以及時(shí)鐘頻率轉(zhuǎn)換模塊，該基準(zhǔn)模塊用于產(chǎn)生該電能計(jì)量電路工作所需的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，并為該采樣模塊和該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊提供基準(zhǔn)電壓；該時(shí)鐘與頻率轉(zhuǎn)換模塊為該采樣模塊、該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及該數(shù)字信號(hào)處理模塊提供時(shí)鐘信號(hào)及輸出脈沖頻率基準(zhǔn)信號(hào)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種預(yù)校準(zhǔn)電能計(jì)量電路，至少包括采樣模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號(hào)處理模塊、校準(zhǔn)寄存器及接口模塊以及校準(zhǔn)模塊，其中，該校準(zhǔn)寄存器通過接口接收校準(zhǔn)控制臺(tái)寫入的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以控制該校準(zhǔn)模塊的工作狀態(tài)，該校準(zhǔn)模塊根據(jù)該校準(zhǔn)寄存器的設(shè)置控制工作狀態(tài)，并對(duì)該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)制器傳輸函數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過本實(shí)用新型，即可以實(shí)現(xiàn)電能表的電能測(cè)量精度預(yù)校準(zhǔn)，同時(shí)本實(shí)用新型可以兼容原有電子式電能表外圍電路，無需重新設(shè)計(jì)PCB板。
文檔編號(hào)G01R22/10GK202281803SQ20112042593
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月31日
發(fā)明者嚴(yán)淼, 尤劍源, 張蓉, 羅先才, 胡燕, 陳富濤 申請(qǐng)人:無錫華潤(rùn)矽科微電子有限公司