一种模数转换采样电路和计量芯片的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种模数转换采样电路和计量芯片，该模数转换采样电路包括：调制器，数字滤波和抽取单元，相位校正电路；所述相位校正电路包括第一延时单元和第二延时单元，所述第一延时单元分别与所述调制器的输出端、所述数字滤波和抽取单元的输入端连接，所述第二延时单元与所述数字滤波和抽取单元的输出端连接。本发明通过分别对调制器输出的数字信号和数字滤波和抽取单元输出的数字信号进行延时处理，减小了模数转换采样电路的面积，降低了模数转换采样电路的制造难度、成本和功耗。
【专利说明】一种模数转换采样电路和计量芯片
【技术领域】
[0001〕 本发明涉及计量领域，尤其涉及一种模数转换采样电路和计量芯片。
【背景技术】
[0002]我国是一个电能表应用大国，每年全国需求约3000万台，目前我国的电能表主要有机械表、机电一体化电能表和全电子电能表。全电子电能表的计量装置主要是由专用的计量芯片和外围相关硬件电路来构成，随着电子工艺的发展与进步以及电能表技术的发展，专用的计量芯片的可靠性、稳定性、经济性都有了极大的提高。
[0003]目前主流的电能计量芯片，内部采用模数转换器(八的108 1:0 0181仏1
'，简称八00采样电路、算术逻辑电路和控制电路的结构。计量芯片使用算术逻辑电路处理模数转换采样电路采集的电流与电压的信号，而获取相应的功率、有效值与其它电参量信息，同时输出与电能量相关的脉冲信号。
[0004]通常，模数转换采样电路包括:调制器、数字滤波和抽取单元、延时单元。其中，延时单元用于调整调制器输出的数字信号的相位，为了实现准确的相位校正，延时单元校正的最小时间间隔与调制器的采样时钟周期相等，同时为了满足最大相位校正的需求，模数转换采样电路内的延时单元电路设计的非常庞大，使得模数转换采样电路的面积、制造的难度和成本都比较大。
[0005]目前，计量芯片中的算术逻辑电路主要包括电压频率及相角测量电路、功率测量电路和电压、电流有效值测量电路。其中，电压频率及相角测量多采用软件方式实现，功率、电压、电流有效值的测量电路相互独立设置分别测量不同的电参量，大量的电参量测量电路使得计量芯片的面积和功耗都比较大，成本较高。
【发明内容】
[0006]本发明提供一种模数转换采样电路和计量芯片，用以解决现有模数转换采样电路的延时单元电路庞大及计量芯片内众多的测量电路导致的计量芯片面积、功耗、制造难度和成本都比较大的问题。
[0007]本发明的一个方面提供一种模数转换采样电路，其特征在于，包括:调制器，数字滤波和抽取单元，相位校正电路；所述相位校正电路包括第一延时单元和第二延时单元，所述第一延时单元分别与所述调制器的输出端、所述数字滤波和抽取单元的输入端连接，所述第二延时单元与所述数字滤波和抽取单元的输出端连接。
[0008]本发明的另一个方面提供一种计量芯片，其特征在于，包括:三个模数转换采样电路，分别与所述三个模数转换采样电路连接的第一电参量测量电路；
[0009]所述三个模数转换采样电路，用于分别对输入的电压信号、火线电流信号、零线电流信号进行采样，并将采样得到的电压信号、火线电流信号、零线电流信号分别输出到电压输出端、火线电流输出端、零线电流输出端；
[0010]所述第一电参量测量电路，用于根据所述采样得到的电压信号、火线电流信号、零线电流信号进行计算，得到电压频率的对应值、电压与火线电流的相角的对应值、电压与零线电流的相角的对应值。
[0011]本发明提供的模数转换采样电路，通过分别对调制器和数字滤波和抽取单元输出的数字信号进行延时控制，使得可以减少模数转换采样电路内的延时触发器的数量，进而减小模数转换采样电路的面积，降低模数转换采样电路的制造难度、成本和功耗，另外，本发明提供的计量芯片采用硬件电路实现电压频率及相角的测量，降低了计量芯片的制造难度，节省了计量芯片的制造成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为现有技术提供的模数转换采样电路结构示意图；
[0013]图2为本发明提供的模数转换采样电路实施例结构示意图；
[0014]图3为本发明提供的计量芯片实施例一结构示意图；
[0015]图4为图3所示的计量芯片实施例一中第一电参量测量电路的结构示意图；
[0016]图5所示为图4所示的第一电参量测量电路的信号原理图；
[0017]图6所示为本发明提供的计量芯片实施例二的结构示意图；
[0018]图7为图6所示的计量芯片实施例二中第二电参量测量电路的结构示意图；
[0019]图8所示为本发明提供的计量芯片实施例三的结构示意图；
[0020]图9为图8所示的计量芯片实施例三中第三电参量测量电路的结构示意图；
[0021]图10所示为本发明提供的计量芯片实施例四的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0023]图1为现有技术提供的模数转换采样电路结构示意图。如图1所示，该模数转换采样电路包括:调制器10、数字滤波和抽取单元11、延时单元12。其中，调制器输入端输入模拟信号，调制器的输出端连接延时单元的输入端，延时单元的输出端连接数字滤波和抽取单元的输入端。调制器用于将模拟信号调制成1位的数字信号；延时单元用于根据计量芯片中的控制电路(图1中未示出)中寄存器和通信模块中存储的相位校正值进行相位校正，通过延时来调整数字信号的相位，通常由若干结构、功能相同的延时触发器组成；数字滤波和抽取单元电路用于将1位的数字信号转换成~位数字信号，并将~位的数字信号进行抽取滤波，以提高所述模数转换采样电路信噪比，其中，~为所述模数转换采样电路实际设计位宽。
[0024]图2为本发明提供的模数转换采样电路实施例结构示意图，如图2所示，该模数转换采样电路包括:调制器20，数字滤波和抽取单元21，相位校正电路22 ；所述相位校正电路包括第一延时单元220和第二延时单元221，所述第一延时单元分别与所述调制器的输出端、所述数字滤波和抽取单元的输入端连接，所述第二延时单元与所述数字滤波和抽取单元的输出端连接。
[0025]本实施例中，所述调制器用于将模拟信号调制成I位的数字信号；所述相位校正电路用于通过对数字信号进行延时控制来调整数字信号的相位，具体地，第一延时单元用于调整调制器输出的数字信号的相位，第二延时单元用于调整数字滤波和抽取单元输出的数字信号的相位；所述数字滤波和抽取单元用于对输入的数字信号进行降采样处理，输出与模数转换采样电路设计的位宽相等的数字信号。
[0026]具体地，所述第一延时单元包括1个延时触发器，所述第二延时单元包括X个延时触发器，1=X为所述数字滤波和抽取单元的降采样倍数，I为所述调制器输出的数字信号的位数，^为所述数字滤波和抽取单元输出的数字信号的位数，V为~位数字信号中的每位数字信号分别对应的延时触发器个数，X，I I，I为正整数。
[0027]一种可行的实现方式中，第一延时单元与第二延时单元由结构相同的延时触发器构成，第一延时单元用于对调制器输出的I位数字信号进行延时控制，第二延时单元用于对数字滤波和抽取单元输出的~位数字信号进行延时控制。
[0028]进一步地，第一延时单元校正的最小时间间隔等于调制器的采样时钟周期，第二延时单元校正的最小时间间隔等于数字滤波和抽取单元的时钟周期。举例来说，若调制器的采样频率为。数字滤波和抽取单元的降采样倍数为X，即数字滤波和抽取单元的频率为仁/%则第一延时单元校正的最小时间间隔为1/匕，第二延时单元校正的最小时间间隔为取，可以看出，第一延时单元实现的是精相位校正，而第二延时单元实现的是粗相位校正。
[0029]通常，对调制器输出的I位数字信号进行延时处理时，至少需要I个延时触发器同时对该I位数字信号进行处理，而为了对该I位数字信号在机时间内都能进行延时控制，则第一延时单元中延时触发器的数量1需设计为数字滤波和抽取单元的降采样倍数0-1)个匕即1= 0-1)札；同样地，对数字滤波和抽取单元输出为~位数字信号进行延时处理时，至少需要~个延时触发器同时对该~位数字信号进行处理，为了对该~位数字信号实现全时间范围内的延时处理，第二延时单元中延时触发器的数量需设置为~的整数倍，即V表示分别为~为数字信号中的每位数字信号设置的延时触发器的个数，V为正整数，I根据数字滤波和抽取单元的时钟周期结合不同应用场合取值。
[0030]优选地，1=1，此处的调制器可以为2-八调制器，也可以为其它输出1位数字信号的调制器，本实施例对此不做限定。为实现模拟信号向数字信号高精度的转换，调制器的采样频率通常远大于奈奎斯特率，即调制器的采样频率远大于2倍的模拟信号的带宽。相应地，第一延时单元用于对调制器输出的1位数字信号进行延时处理，数字滤波与抽取单元用于将第一延时单元输出的1位数字信号转换成~位数字信号，并将~位的数字信号进行抽取滤波，以提高模数转换采样的信噪比。
[0031]具体地，各延时单元的使用数量由计量芯片控制电路中寄存器和通信模块中存储的相位校正值确定，相位校正值由相位偏差和各延时单元校正的最小时间间隔确定。对于调制器输出信号为1位，设计位宽为~位的模数转换采样电路，当需要校正的相位值对应的延时时间七介于1/仁和取之间时，电路中接入匕村；]个第一延时单元中的延时触发器；当需要校正的相位值对应的延时时间〖等于^/仁时电路中接入第二延时单元中的X个延时触发器；当需要校正的相位值对应的延时时间〖介于取和狀取时，电路中接入第二延时单元中的?个延时触发器和第一延时单元中的〔村3〕个延时触发器，依次类推，当〖大于砂^/匕时，电路中接入第二延时单元中的个延时触发器和第一延时单元中的[(丨个延时触发器。举例来说，假定含2-八调制器的模数转换采样电路的时钟频率为2.048兆赫兹(册12),位宽为20，经256倍的数字滤波和抽取后，输出数据的时钟频率为8千赫兹(纽2),周期为125微秒(^ 8),根据本发明的方案，第一延时单元的数量中延时触发器设计为255个，本实施例中，为20位数字信号中的每位数字信号分别设置2个延时触发器，即第二延时单元中延时触发器的数量为40个，若需要校正的相位值为3.6。，对于50取工频交流电来说，需校正的时间量为200 4 8，介于125^ 8和250^ 8之间，则实际使用时，接入电路中第二延时单元中的延时触发器的数量为20个、第一延时单元的延时触发器的数量为[(200-125)^2.048]个，即154个时，使得信号滞后3.6035。，可满足精度要求。若按本发明的方案，由第一延时单元和第二延时单元组成的相位校正电路可实现的最大校正范围为2*125^ 8+125^ 8=375^ 8，若按现有技术，为能到达按本发明的方案设计的延时单元相同的最大校正范围，延时单元中延时触发器的数量需设计为:375^ 8/(1/2.048册12)=768个。使用时若现有技术为了实现与本发明相同的校正精度，校正3.6°的相位误差共需410个延时触发器。可以看出，无论是设计还是实际使用现有技术方案延时单元中延时触发器的数量都比本发明的技术方案的数量多许多。
[0032]本实施例提供的模数转换采样电路，通过分别对调制器输出的数字信号和数字滤波和抽取单元输出的数字信号进行延时处理，减少了模数转换采样电路内的延时触发器的数量，减小了模数转换采样电路的面积、降低了电路的制造难度、成本和功耗。
[0033]图3所示为本发明提供的计量芯片实施例一的结构示意图，如图3所示，该计量芯片包括:三个模数转换采样电路30、31、32，分别与所述三个模数转换采样电路连接的第一电参量测量电路33 ；其中，所述三个模数转换采样电路，用于分别对输入的电压信号、火线电流信号、零线电流信号进行采样，并将采样得到的电压信号、火线电流信号、零线电流信号分别输出到电压输出端、火线电流输出端、零线电流输出端；所述第一电参量测量电路，用于根据所述采样得到的电压信号、火线电流信号、零线电流信号进行计算，得到电压频率的对应值、电压与火线电流的相角的对应值、电压与零线电流的相角的对应值。
[0034]优选地，本实施例中，所述三个模数转换采样电路可以采用本发明提供的模数转换采样电路。
[0035]图4为图3所示的计量芯片实施例一中第一电参量测量电路的结构示意图，如图4所不，第一电参量测量电路33包括:第一低通滤波器400、第二低通滤波器401、第三低通滤波器402、第一过零脉冲产生器403、第二过零脉冲产生器404、第三过零脉冲产生器405、电压频率计数器406、第一相角计数器407、第二相角计数器408 ；
[0036]所述第一低通滤波器的输入端连接所述电压输出端，所述第一低通滤波器的输出端连接所述第一过零脉冲产生器的输入端，所述第一过零脉冲产生器的输出端连接所述电压频率计数器的输入端、第一相角计数器的第一输入端、第二相角计数器的第一输入端，所述电压频率计数器的输出端用于输出电压频率的对应值；
[0037]所述第二低通滤波器的输入端连接所述火线电流输出端，所述第二低通滤波器的输出端连接所述第二过零脉冲产生器的输入端，所述第二过零脉冲产生器的输出端连接所述第一相角计数器的第二输入端，所述第一相角计数器的输出端用于输出电压与火线电流相角的对应值；
[0038]所述第三低通滤波器的输入端连接所述零线电流输出端，所述第三低通滤波器的输出端连接所述第三过零脉冲产生器的输入端，所述第三过零脉冲产生器的输出端连接所述第二相角计数器的第二输入端，所述第二相角计数器的输出端用于输出电压与零线电流相角的对应值。
[0039]本实施例中，模数转换采样电路采样得到的电压信号经第一低通滤波器滤除谐波分量信号后，再输入给第一过零脉冲产生器，第一过零脉冲产生器在电压信号从负值变化至正值时产生一个脉冲信号，电压频率计数器以相邻的电压信号的过零脉冲信号作为一个计数周期的起始点和终止点，一个计数周期内计数值即为电压频率的对应值。
[0040]具体地，当一个电压过零脉冲信号来临时电压频率计数器开始计数，到下一个电压过零脉冲信号来临时停止计数并输出此时电压频率计数器的计数值，即为电压频率的对应值，然后再将计数器清零并重新开始计数，等待下一次的电压过零脉冲信号，以此往复来连续地计算电压频率的对应值，根据电压频率的计数值和电压频率计数器的计数频率可计算出电力线上电压的频率。
[0041]相应地，火线电流信号、零线电流信号分别经第二低通滤波器、第三低通滤波器滤除谐波分量信号后，再经过第二过零脉冲产生器、第三过零脉冲产生器，分别在火线电流信号、零线电流信号从负值变化至正值时产生一个脉冲信号，第一相角计数器以电压信号作为计数周期的起始点，以相邻的火线电流信号的过零脉冲信号作为计数周期的终止点，计数可得出电压和火线电流相角的对应值，第二相角计数器以电压信号作为计数周期的起始点，以相邻的零线电流信号的过零脉冲信号作为计数周期的终止点，计数可得出电压和零线电流相角的对应。
[0042]具体地，当一个电压过零脉冲信号来临时第一相角计数器开始计数，直到相邻的火线电流过零脉冲信号来临时停止计数并输出第一相角计数器的计数值，即为电压和火线电流相角的对应值，然后再将第一相角计数器清零，等待下一次电压过零脉冲信号来临之后开始计数，继续此过程，以此往复来连续地计算电压和火线电流相角的对应值。根据电压和火线电流相角的对应值和电压频率的对应值可计算出电压和火线电流的相角。
[0043]相应地，当一个电压过零脉冲信号来临时第二相角计数器开始计数，直到下一个零线电流过零脉冲信号来临时停止计数并输出第二相角计数器的计数值，即为电压和零线电流相角的对应值，然后再将第二相角计数器清零，等待下一次电压过零脉冲信号来临之后开始计数，继续此过程，以此往复来连续地计算电压和零线电流的相角对应值。根据电压和零线电流相角的对应值和电压频率的对应值可计算出电压和零线电流的相角。
[0044]图5所示为图4所示的第一电参量测量电路的信号原理图。如图5所示，￡1为输入的电压信号图，^为输入的火线电流信号图，为输入的零线电流信号图，(1为第一过零脉冲产生器产生的电压过零脉冲信号，6为第二过零脉冲产生器产生的火线电流过零脉冲信号，？为第三过零脉冲产生器产生的零线电流过零脉冲信号，8为电压频率计数器的计数图，11为第一相角计数器的计数图，』为第二相角计数器的计数图。
[0045]由图5可知电压频率计数器在一个计数周期内的计数值为0”即电压频率的对应值为，第一相角计数器在一个计数周期内的计数值为02，，即电压与火线电流相角的对应值为02，第二相角计数器在一个计数周期内的计数值为03，，即电压与零线电流相角的对应值为03，若电压频率计数器的计数频率为？，则电压频率实际值为(^/1)^)取，电压与火线电流相角实际值为X360°，电压与零线电流相角实际值为父360。。
[0046]本实施例提供的计量芯片，采用硬件电路实现对电压频率的对应值、电压与火线电流相角的对应值、电压与零线电流相角的对应值的测量计算，相比于现有技术采用软件计算的方法，简化了计量芯片的电路结构，降低了计量芯片的制造成本。
[0047]图6为本发明提供的计量芯片实施例二结构示意图。如图6所示，在图3所示的计量芯片实施例一的基础上，本发明提供的计量芯片实施例二还包括分别与所述三个模数转换采样电路连接的第二电参量测量电路34。
[0048]图7为图6所示的计量芯片实施例二中第二电参量测量电路的结构示意图。如图7所示，第二电参量测量电路包括:第一计数器700、90度移相器701、第一数据选择器702、第二数据选择器703、第三数据选择器704、第四数据选择器705、第一乘法器706、第四低通滤波器707、第一加法器708、第二乘法器709、第一译码器710 ；
[0049]所述第一数据选择器的第一输入端、第三输入端均连接所述火线电流输出端，所述第一数据选择器的第二输入端、第四输入端均连接所述零线电流输出端，所述第一数据选择器的输出端连接到所述第一乘法器的第一输入端；
[0050]所述第二数据选择器的第一输入端、第二输入端均连接所述电压输出端，所述第二数据选择器的第三输入端、第四输入端均连接所述90度移相器的输出端，所述90度移相器的输入端连接所述电压输出端，所述第二数据选择器的输出端连接到所述第一乘法器的第二输入端；
[0051]所述第一乘法器的输出端连接所述第四低通滤波器的输入端，所述第四低通滤波器的输出端连接所述第一加法器的第一输入端；
[0052]所述第三数据选择器的第一输入端连接火线有功功率补偿控制端，所述第三数据选择器的第二输入段连接零线有功功率补偿控制端，所述第三数据选择器的第三输入端连接火线无功功率补偿控制端，所述第三数据选择器的第四输入端连接零线无功功率补偿控制端，所述第三数据选择器的输出端连接到所述第一加法器的第二输入端；
[0053]所述第一加法器的输出端连接所述第二乘法器的第一输入端；
[0054]所述第四数据选择器的第一输入端连接火线有功功率增益控制端，所述第四数据选择器的第二输入段连接零线有功功率增益控制端，所述第四数据选择器的第三输入端连接火线无功功率增益控制端，所述第四数据选择器的第四输入端连接零线无功功率增益控制端，所述第四数据选择器的输出端连接到所述第二乘法器的第二输入端；
[0055]所述第一译码器的输入端连接所述第二乘法器的输出端；
[0056]所述第一数据选择器、第二数据选择器、第三数据选择器、第四数据选择器、第一译码器的选择信号端均与所述第一计数器的输出端连接，所述第一译码器的第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端依次用于输出火线有功功率的对应值、零线有功功率的对应值、火线无功功率的对应值、零线无功功率的对应值。
[0057]在本实施例中，各数据选择器和第一译码器可由简单的门电路搭建实现，第一计数器可以用加法计数器或者减法计数器来实现，本实施例对此不做限定。
[0058]第一计数器的位数根据各数据选择器输入端数量及第一译码器输出端数量确定。举例来说，本实施例中，各数据选择器均有四个输入端、第一译码器有四个输出端，可选用2位2进制的加法计数器来控制各数据选择器和第一译码器选择的数据。第一计数器输入的为固定频率的时钟信号，该时钟信号的频率由第一计数器输出的不同的计数状态个数和输入第二电参量测量电路的信号频率确定，通常，输入第一计数器的时钟信号频率为输入第二电参量测量电路的信号频率与第一计数器不同的计数状态个数的乘积。本实施例中，第一计数器采用的2位2进制的加法计数器输出的不同计数状态有00，01，10，11，4个计数状态，则输入第一计数器的时钟信号频率为输入第二电参量测量电路的信号频率的4倍即可，即若输入的电压、火线电流、零线电流信号频率为8纽2，第一计数器则以32纽2的频率来切换控制各数据选择器和第一译码器。第二电参量测量电路中的各乘法器和第一加法器的工作频率根据输入各乘法器和第一加法器的信号的频率确定，通常各乘法器和第一加法器的工作频率大于输入第一计数器的时钟信号频率。举例来说，第一计数器计数为00时，各数据选择器选择第一输入端的数据，对应第一译码器选择第一输出端输出数据，电路计算火线有功功率的对应值；第一个时钟信号输入时，第一计数器计数为01，各数据选择器选择第二输入端的数据，对应第一译码器选择第二输出端输出数据，电路计算零线有功功率的对应值；第二个时钟信号输入时，第一计数器计数为10，各数据选择器选择第三输入端的数据，对应第一译码器选择第三输出端输出数据，电路计算火线无功功率的对应值；第三个时钟信号输入时，第一计数器计数为11，各数据选择器选择第四输入端的数据，对应第一译码器选择第四输出端输出数据，电路计算零线无功功率的对应值；第四个时钟信号输入时，第一计数器计数为00，电路计算火线有功功率的对应值；以此往复来实现对各数据选择器、第一译码器和运算电路的切换控制。
[0059]本实施例中，火线有功功率补偿控制端、零线有功功率补偿控制端、火线无功功率补偿控制端、火线无功功率补偿控制端、火线有功功率增益控制端、零线有功功率增益控制端、火线无功功率增益控制端和零线无功功率增益控制端分别与计量芯片控制电路中的寄存器和通信模块的相应输出端对应，用于对计量芯片测量的火线有功功率的对应值、零线有功功率的对应值、火线无功功率的对应值和零线无功功率的对应值进行补偿和增益校正，以消除电路中的误差。
[0060]具体地，当第一计数器计数为00时，第二电参量测量电路计算的是火线上的有功功率对应值。相应地，第一数据选择器选择火线电流信号，第二数据选择器选择电压信号，第三数据选择器选择火线有功功率补偿信号，第四数据选择器选择火线有功功率增益信号,第一译码器选择第一输出端输出火线有功功率对应值,对应地，第一乘法器将火线电流与电压进行乘法运算，得出的乘积经第四低通滤波器滤波后输入给第一加法器，第一加法器将滤波后的火线电流与电压的乘积与第三数据选择器输入的火线有功功率补偿信号相加对所述火线电流与电压的乘积进行补偿，第二乘法器将补偿后的火线电流与电压的乘积与火线有功功率增益相乘计算得到火线有功功率的对应值并由第一译码器的第一输出端输出。
[0061]相应地，当第一计数器计数为01时，第二电参量测量电路计算的是零线上的有功功率对应值。
[0062]进一步地，当第一计数器计数为10时，第二电参量测量电路计算的是火线上的无功功率对应值。特别地，第一乘法器将通过90。移相器移相后的电压信号与火线电流信号进行乘法运算，在经过第四低通滤波器，第一加法器和第二乘法器后由第一译码器第三输出端输出；同样地，当第一计数器计数为11时，第二电参量测量电路计算的是零线上的无功功率对应值。
[0063]进一步地，将本实施例中的所述火线有功功率对应值、零线有功功率对应值、火线无功功率对应值、零线无功功率对应值进行简单的四则运算即可得出实际的火线有功功率值、零线有功功率值、火线无功功率值、零线无功功率值。
[0064]本实施例提供的第二电参量测量电路，在测量火线有功功率的对应值、火线无功功率的对应值、零线有功功率的对应值、零线无功功率的对应值的电路中，对采用相同算法的运算电路采用分时复用的方式，与现有技术对各项参量的测量都采用独立的电路相比简化了电路结构，提高了运算电路的利用率，降低了电路的面积、功耗和制造成本。
[0065]图8为本发明提供的计量芯片实施例三结构示意图。如图8所示，在图6所示的计量芯片实施例二的基础上，本发明提供的计量芯片实施例三，还包括:分别与所述三个模数转换采样电路连接的第三电参量测量电路35。
[0066]图9为图8所示的计量芯片实施例三中第三电参量测量电路的结构示意图。如图9所示，所述第三电参量测量电路包括:第二计数器900、第五数据选择器901、第六数据选择器902、第七数据选择器903、第三乘法器904、第五低通滤波器905、平方根运算器906、第二加法器907、第四乘法器908、第二译码器909 ；
[0067]所述第五数据选择器的第一输入端连接火线电流输出端，所述第五数据选择器的第二输入端连接零线电流输出端，所述第五数据选择器的第三输入端连接电压输出端，所述第五数据选择器的输出端连接所述第三乘法器的两个输入端；
[0068]所述第三乘法器的输出端连接所述第五低通滤波器的输入端；
[0069]所述第五低通通滤波器的输出端连接所述平方根运算器输入端；
[0070]所述平方根运算器输出端连接所述第二加法器的第一输入端；
[0071]所述第六数据选择器的第一输入端连接火线电流有效值补偿控制端，所述第六数据选择器的第二输入端连接零线电流有效值补偿控制端，所述第六数据选择器的第三输入端连接电压有效值补偿控制端，所述第六数据选择器的输出端连接所述第二加法器的第二输入端；
[0072]所述第二加法器的输出端连接所述第四乘法器的第一输入端；
[0073]所述第七数据选择器的第一输入端连接火线电流有效值增益控制端，所述第七数据选择器的第二输入端连接零线电流有效值增益控制端，所述第七数据选择器的第三输入端连接电压有效值增益控制端，所述第七数据选择器的输出端连接所述第四乘法器的第二输入端；
[0074]所述第四乘法器的输出端连接所述第二译码器的输入端；
[0075]所述第五数据选择器、第六数据选择器、第七数据选择器、第二译码器的控制端均与所述第二计数器的输出端连接，所述第二译码器的第一输出端、第二输出端、第三输出端依次用于输出火线电流有效值的对应值、零线电流有效值的对应值、电压有效值的对应值。
[0076]在本实施例中，各数据选择器和第二译码器可由简单的门电路搭建实现，第二计数器可以用加法计数器或者减法计数器来实现，本实施例对此不做限定。
[0077]第二计数器的位数根据第三电参量测量电路中各数据选择器输入端数量及第二译码器输出端数量确定，考虑电路设计选用器件种类最少原则，此处的第二计数器可与第二电参量测量电路中的第一计数器一样选用2位2进制的加法计数器来控制各数据选择器和第二译码器选择的数据。第二计数器的输入端为固定频率的时钟信号，该时钟信号的频率由第二计数器输出的不同的计数状态个数和输入第三电参量测量电路的信号频率确定，通常，输入第二计数器的时钟信号频率为输入第三电参量测量电路的信号频率与第二计数器的不同的计数状态个数的乘积。本实施例中，第二计数器输出的不同计数状态为00，01，10，11，共4个不同计数状态，则输入第二计数器的时钟信号频率为输入第三电参量测量电路的信号频率的4倍即可。具体的，若输入的电压、火线电流、零线电流信号频率为8纽2，第二计数器则以32纽2的频率来切换控制各数据选择器和第二译码器。第三电参量测量电路中的各乘法器工作频率根据输入各乘法器、平方根运算器和第二加法器的信号的频率确定，通常，各乘法器、平方根运算器和第二加法器的工作频率大于输入第二计数器的时钟信号频率。举例来说，第二计数器计数为00时，各数据选择器选择第一输入端的数据，对应第二译码器选择第一输出端输出数据，电路计算火线电流有效值的对应值；第一个时钟信号输入时，第二计数器计数为01，各数据选择器选择第二输入端的数据，对应第二译码器选择第二输出端输出数据，电路计算零线电流有效值的对应值；第二个时钟信号输入时，第二计数器计数为10，各数据选择器选择第三输入端的数据，对应第二译码器选择第三输出端输出数据，电路计算电压有效值的对应值；第三个时钟信号输入时，第二计数器计数为11，电路不做任何动作，第四个时钟信号输入时，第二计数器计数为00，电路计算火线电流有效值的对应值，以此往复实现对各数据选择器、第二译码器和运算电路的切换控制。
[0078]本实施例中，火线电流有效值补偿控制端、零线电流有效值补偿控制端、电压有效值补偿控制端、火线电流有效值增益控制端、零线电流有效值增益控制端、电压有效值增益控制端分别与计量芯片控制电路中的寄存器和通信模块的相应输出端对应，用于对计量芯片测量的火线电流有效值的对应值、零线电流有效值的对应值和电压有效值的对应值进行补偿和增益校正，以消除电路中的误差。
[0079]具体地，当第二计数器计数为00时，第三电参量测量电路计算的是火线电流有效值的对应值。相应地，第五数据选择器选择火线电流信号，第六数据选择器选择火线电流有效值补偿控制信号，第七数据选择器选择火线电流有效值增益信号，第二译码器选择第一输出端输出火线电流有效值的对应值，对应地，第三乘法器将火线电流进行平方运算，得出的乘积经第五低通滤波器滤波后输入给平方根运算器进行开方运算，平方根运算器将开方后的火线电流有效值的平方根输入给第二加法器，第二加法器将火线电流的平方根值与第六数据选择器输入的火线电流有效值补偿信号相加对所述火线电流有效值进行补偿，第四乘法器将补偿后的火线电流有效值与火线电流有效值增益相乘计算得到火线电流有效值的对应值并由第二译码器的第一输出端输出。
[0080]进一步地，当第二计数器计数为10时，第三电参量测量电路计算的是零线电流有效值的对应值，当第二计数器计数为10时，第三电参量测量电路计算的是电压有效值的对应值。
[0081〕 进一步地，将本实施例中的所述火线电流有效值的对应值、零线电流有效值的对应值、电压有效值的对应值进行简单的四则运算即可得出实际的火线电流有效值、零线电流有效值、电压有效值。
[0082]优选地，本实施例中的第二计数器可以与第二电参量测量电路中的第一计数器是同一个计数器。
[0083]本实施例提供的第三电参量测量电路，在测量电压有效值的对应值、火线电流有效值的对应值和零线电流有效值的对应值的电路中，对采用相同算法的运算电路采用分时复用的方式，与现有技术对各项参量的测量都采用独立的电路相比简化了电路结构，提高了运算电路的利用率，降低了电路的面积、功耗和制造成本。
[0084]图10为本发明提供的一种计量芯片实施例四的结构示意图。如图10所示，该计量芯片包括:模拟信号采样模块100、数字信号处理模块101、控制和通信模块102 ；其中，模拟信号采样模块100包括:三个模数转换采样电路30、31、32，数字信号处理模块101包括:第一电参量测量电路33、第二电参量测量电路34、第三电参量测量电路35 ；控制和通信模块102包括:脉冲输出控制模块36、寄存器和通信模块37、中断/过零控制模块38。
[0085]本实施例中，模拟信号采样模块用于将输入的电压、火线电流、零线电流转换成数字信号，并对采样得到的数字信号根据控制和通信模块输入的相位校正值进行相位调整。
[0086]进一步地，数字信号处理模块用于对输入的电压信号、火线电流信号、零线电流信号进行实时的计算及相关的电能检测，如计算电压有效值的对应值、火线有功功率的对应值、零线无功功率的对应值，检测电压跌落、中断、过零、防窃电、启动潜动等。控制和通信模块，用于与计量装置中的微控单元1⑶(1101-0 0011^01此1丨，简称1⑶)进行数据交换通信，并控制电能脉冲的输出、中断\过零信号的输出等。
[0087]具体地，寄存器和通信模块用于保存1⑶写入的校正、补偿参数，在使用时为模数转换采样电路和各电参量测量电路提供校正、补偿控制，使计量芯片的计量值更接近实际值，另外，寄存器和通信模块还用于保存各电参量测量电路输出的各测量值的对应值，并输出给将输入的各电参量的对应值进行简单的四则运算即可得到实际的火线有功功率值、零线有功功率值、火线无功功率值、零线无功功率值、电压有效值、火线电流有效值及零线电流有效值；脉冲输出控制模块用于根据寄存器和通信模块的控制信号，输出零线有功功率的对应值、零线无功功率的对应值、火线有功功率的对应值、火线无功功率的对应值对应的脉冲信号，以使根据脉冲数量计算用电量；中断/过零控制模块用于根据寄存器和通信模块的控制信号向输出中断请求和电压过零脉冲信号，使根据输入的中断请求判断使能的中断事件是否发生，根据输入的电压过零脉冲信号进行一些事件的处置。
[0088]本实施例中模数转换采样电路和第一、第二、第三电参量测量电路的具体实现方式参见上述各电路的实施例说明，此处不再赘述。
[0089]本领域普通技术人员可以理解:尽管本发明是通过硬件电路完成，但实现上述各方法实施例的全部或部分步骤也可以通过程序指令控制相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括:如1、狀1、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0090]最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；以上各电参量测量电路的描述仅是对计量芯片中具有代表性的测量电路进行的说明和改进，本领域的技术人员可以理解的是本发明的方法可用于所有与上述测量电路具有相似结构的电路中以解决相同的问题，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
【权利要求】
1.一种模数转换采样电路，其特征在于，包括:调制器，数字滤波和抽取单元，相位校正电路；所述相位校正电路包括第一延时单元和第二延时单元，所述第一延时单元分别与所述调制器的输出端、所述数字滤波和抽取单元的输入端连接，所述第二延时单元与所述数字滤波和抽取单元的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的模数转换采样电路，其特征在于，所述第一延时单元包括M个延时触发器，所述第二延时单元包括K个延时触发器，M= (X-1) *L，X为所述数字滤波和抽取单元的降采样倍数，L为所述调制器输出的数字信号的位数，K=Y*N，N为所述数字滤波和抽取单元输出的数字信号的位数，Y为N位数字信号中的每位数字信号分别对应的延时触发器个数，M、K，X，N, L，Y为正整数。
3.根据权利要求2所述的模数转换采样电路，其特征在于，L=10
4.一种计量芯片，其特征在于，包括:三个模数转换采样电路，分别与所述三个模数转换采样电路连接的第一电参量测量电路； 所述三个模数转换采样电路，用于分别对输入的电压信号、火线电流信号、零线电流信号进行采样，并将采样得到的电压信号、火线电流信号、零线电流信号分别输出到电压输出端、火线电流输出端、零线电流输出端； 所述第一电参量测量电路，用于根据所述采样得到的电压信号、火线电流信号、零线电流信号进行计算，得到电压频率的对应值、电压与火线电流的相角的对应值、电压与零线电流的相角的对应值。
5.根据权利要求4所述的计量芯片，其特征在于，所述第一电参量测量电路包括:第一低通滤波器、第二低通滤波器、第三低通滤波器、第一过零脉冲产生器、第二过零脉冲产生器、第三过零脉冲产生器、电压频率计数器、第一相角计数器、第二相角计数器； 所述第一低通滤波器的输入端连接所述电压输出端，所述第一低通滤波器的输出端连接所述第一过零脉冲产生器的输入端，所述第一过零脉冲产生器的输出端连接所述电压频率计数器的输入端、第一相角计数器的第一输入端、第二相角计数器的第一输入端，所述电压频率计数器的输出端用于输出电压频率的对应值； 所述第二低通滤波器的输入端连接所述火线电流输出端，所述第二低通滤波器的输出端连接所述第二过零脉冲产生器的输入端，所述第二过零脉冲产生器的输出端连接所述第一相角计数器的第二输入端，所述第一相角计数器的输出端用于输出电压与火线电流相角的对应值； 所述第三低通滤波器的输入端连接所述零线电流输出端，所述第三低通滤波器的输出端连接所述第三过零脉冲产生器的输入端，所述第三过零脉冲产生器的输出端连接所述第二相角计数器的第二输入端，所述第二相角计数器的输出端用于输出电压与零线电流相角的对应值。
6.根据权利要求4所述的计量芯片，其特征在于，还包括:分别与所述三个模数转换采样电路连接的第二电参量测量电路； 所述第二电参量测量电路包括:第一计数器、90度移相器、第一数据选择器、第二数据选择器、第三数据选择器、第四数据选择器、第一乘法器、第四低通滤波器、第一加法器、第二乘法器、第一译码器； 所述第一数据选择器的第一输入端、第三输入端均连接所述火线电流输出端，所述第一数据选择器的第二输入端、第四输入端均连接所述零线电流输出端，所述第一数据选择器的输出端连接到所述第一乘法器的第一输入端； 所述第二数据选择器的第一输入端、第二输入端均连接所述电压输出端，所述第二数据选择器的第三输入端、第四输入端均连接所述90度移相器的输出端，所述90度移相器的输入端连接所述电压输出端，所述第二数据选择器的输出端连接到所述第一乘法器的第二输入端； 所述第一乘法器的输出端连接所述第四低通滤波器的输入端，所述第四低通滤波器的输出端连接所述第一加法器的第一输入端； 所述第三数据选择器的第一输入端连接火线有功功率补偿控制端，所述第三数据选择器的第二输入端连接零线有功功率补偿控制端，所述第三数据选择器的第三输入端连接火线无功功率补偿控制端，所述第三数据选择器的第四输入端连接零线无功功率补偿控制端，所述第三数据选择器的输出端连接到所述第一加法器的第二输入端； 所述第一加法器的输出端连接所述第二乘法器的第一输入端； 所述第四数据选择器的第一输入端连接火线有功功率增益控制端，所述第四数据选择器的第二输入段连接零线有功功率增益控制端，所述第四数据选择器的第三输入端连接火线无功功率增益控制端，所述第四数据选择器的第四输入端连接零线无功功率增益控制端，所述第四数据选择器的输出端连接到所述第二乘法器的第二输入端； 所述第一译码器的输入端连接所述第二乘法器的输出端； 所述第一数据选择器、第二数据选择器、第三数据选择器、第四数据选择器、第一译码器的控制端均与所述第一计数器的输出端连接，所述第一译码器的第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端依次用于输出火线有功功率的对应值、零线有功功率的对应值、火线无功功率的对应值、零线无功功率的对应值。
7.根据权利要求6所述的计量芯片，其特征在于，还包括:分别与所述三个模数转换采样电路连接的第三电参量测量电路； 所述第三电参量测量电路包括:第二计数器、第五数据选择器、第六数据选择器、第七数据选择器、第三乘法器、第五低通滤波器、平方根运算器、第二加法器、第四乘法器、第二译码器； 所述第五数据选择器的第一输入端连接火线电流输出端，所述第五数据选择器的第二输入端连接零线电流输出端，所述第五数据选择器的第三输入端连接电压输出端，所述第五数据选择器的输出端连接所述第一乘法器的两个输入端； 所述第三乘法器的输出端连接所述第五低通滤波器的输入端；所述第五低通通滤波器的输出端连接所述平方根运算器输入端； 所述平方根运算器输出端连接所述第二加法器的第一输入端； 所述第六数据选择器的第一输入端连接火线电流有效值补偿控制端，所述第六数据选择器的第二输入端连接零线电流有效值补偿控制端，所述第六数据选择器的第三输入端连接电压有效值补偿控制端，所述第六数据选择器的输出端连接所述加法器的第二输入端；所述第二加法器的输出端连接所述第四乘法器的第一输入端； 所述第七数据选择器的第一输入端连接火线电流有效值增益控制端，所述第七数据选择器的第二输入端连接零线电流有效值增益控制端，所述第七数据选择器的第三输入端连接电压有效值增益控制端，所述第七数据选择器的输出端连接所述四乘法器的第二输入端; 所述第四乘法器的输出端连接所述第二译码器的输入端； 所述第五数据选择器、第六数据选择器、第七数据选择器、第二译码器的控制端均与所述第二计数器的输出端连接，所述第二译码器的第一输出端、第二输出端、第三输出端依次用于输出火线电流有效值的对应值、零线电流有效值的对应值、电压有效值的对应值。
8.根据权利要求4?7中任一所述的计量芯片，其特征在于，所述三个模数转换采样电路均为如权利要求1?3中任一所述的模数转换采样电路。
【文档编号】G01R22/10GK104426548SQ201310400984
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】曾加, 张旭, 谷志坤, 吴焜, 张伟 申请人:上海海尔集成电路有限公司