用于读出模拟电压信号的装置制造方法
【专利摘要】用于读出模拟电压信号（Vin）的装置包括：电压信号输入（I），用于向其施加模拟电压信号（Vin）；参考部件（ref），用于生成模拟参考电压（Vref）；和转换部件（ADC），用于将模拟输入信号（1）转换成数字输出信号（2）。为了实现该装置的在线自校准，该装置进一步包括叠合部件（sup），其适于接收模拟电压信号（Vin）和模拟参考电压（Vref）。该叠合部件（sup）包含用于从模拟参考电压（Vref）生成调制参考电压（Vmod）的调制部件并且适于通过使调制参考电压（Vmod）叠加到模拟电压信号（Vin）上而生成组合模拟信号（4）并且适于将组合模拟信号（4）转发到转换部件（ADC）。
【专利说明】用于读出模拟电压信号的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于读出模拟电压信号的装置，其包括用于向其施加模拟电压信号的电压信号输入、用于将模拟信号转换成数字信号的转换部件和用于生成模拟参考电压的参考部件。这样的装置在读出电子器件或前端电子器件的条件下也是已知的，并且它用于从模拟电压信号生成数字电压信号，其然后可以被进一步数字处理。具有这样的读出电子器件的已知设备例如是万用表、仪表变压器或传感器接口。
【背景技术】
[0002]为了能够保证高度可靠的数字信号，读出电子器件需要展现高的初始精度以及高的温度和老化稳定性。另外，在整个规定温度范围和预定时段内需要确保高精度，其中该预定时段通常是读出电子器件的手动校准与下一个之间的时间。在手动校准期间，读出电子器件的制造商向装置的电压信号输入施加外部标准参考电压并且使用所得的数字信号来估计并且校正装置的增益误差。两个手动校准之间的时段通过实现自校准的装置而能延长。这例如在来自Agilent Technologies的3458A万用表的自动校准条件下是已知的,如在对应的校准手册、手册编号03458-90017中描述的。对于自动校准，3458A配备有内部参考标准并且每当调用自动校准功能时自动执行增益误差的估计和校正。在自动校准期间，万用表无法用于测量目的。
[0003]图1示出从本领域已知的读出电子器件(其具有用于校正读出电子器件的增益误差的自校准电路)的示意图。读出电子器件的增益通过串联连接的增益块Ga和具有增益Gb的转换部件ADC而概述。到读出电子器件的输入信号在正常工作条件(模拟电压信号Vin)下，该模拟电压信号Vin被变换成对应的数字输出信号2。为了自校准目的，内部参考部件ref生成模拟参考电压Vref，其施加到输入开关3以及转换部件ADC。当期望自校准时，需要操作输入开关3以便从模拟电压信号Vin切换到参考电压VMf。然后预期转换部件ADC的数字输出信号2等于读出电子器件的总增益Ga Gb,因为数字输出信号2等于模拟输入信号I的数字化值除以参考电压Vref的数字化值，即它等于Ga Gb Vref/Vref0数字输出信号2与预期值Ga Gb之间的差异指示读出电子器件的增益误差，其的值被存储。开关3然后操作回到施加模拟电压信号Vin，并且增益误差用于校正从模拟电压信号Vin生成的数字输出信号2。
[0004]在输电和配电领域中，电压和电流由传感器测量，对于其可期望的是，执行对应读出电子器件的自校准而不中断模拟电压信号Vin的电流路径使得读出电子器件的可用性增加并且与传感器的手动交互减少。该类型的自校准也可以叫作在线自校准。因此，本发明的目标是引入一种用于读出模拟电压信号的装置，其同时传递可用于校准这样的装置的信号而不需要切断模拟电压信号。
[0005]该目标由上文描述的装置实现，该装置另外包括叠合部件，其适于接收模拟电压信号和模拟参考电压两者作为输入信号，该叠合部件包含调制部件，其用于从模拟参考电压生成调制参考电压并且其适于通过使调制参考电压叠加到模拟电压信号上而生成组合模拟信号并且适于将组合的模拟信号转发到转换部件用于数字化。通过将参考电压叠加到模拟电压信号上，两个信号都可以同时传送到转换部件使得两个电压都可以被处理并且用于校准目的以及用于不间断测量目的。通过调制参考电压，促进它与电压信号本身以及与任何可能的DC偏移的分离。
【发明内容】
[0006]在本发明的优选实施例中，叠合部件包括第一叠合开关部件，用于交替地将模拟电压信号或调制参考电压施加到叠合部件的信号输出，其中该第一叠合开关部件适于以比转换部件的ADC采样频率高至少十倍的叠合频率来操作(ADC-模数转换)。通过使用与转换部件的ADC采样频率相比明显更高的叠合频率，确保模拟电压信号和调制参考电压两者都被变换而不丢失叠合以及模数转换期间的任何信息，使得对应波形之后可以正确地复原。通过使用简单的开关部件来实现叠合，与更复杂的电路或甚至信号处理器相比提供成本有效的解决方案。
[0007]在另外的实施例中，调制部件适于生成方波调制参考电压。与例如正弦波相比，可以生成具有更高精度的方波，这是关于读出电子器件的重要方面。
[0008]在用于生成方波调制参考电压并且将它叠加到模拟电压信号上以便生成组合模拟信号的解决方案中，参考部件生成DC模拟参考电压，调制部件包括第一电容器和第一调制开关部件，用于交替地使该第一电容器充电到模拟参考电压或到逆模拟参考电压，其中模拟参考电压是DC电压，并且第一叠合开关部件适于定期将第一电容器包括在模拟电压信号的电流路径中以及将第一电容器从模拟电压信号的电流路径排除。因为独立于用于电容器的电容值而达到正和负模拟参考电压的DC水平，使用电容器用于生成方波确保了高度精确的信号。
[0009]建议通过在调制部件中进一步包括第二电容器和第二调制开关部件而进一步发展该解决方案，其中该第二调制开关部件适于交替地使第二电容器充电到模拟参考电压或到逆模拟参考电压。另外，叠合部件包括第二叠合开关部件，其适于以与第一叠合开关部件相同的叠合频率操作。在该解决方案中，第一和第二叠合开关部件适于在模拟电压信号的电流路径中交替地包括第一电容器或第二电容器。在该特定装置中，两个电容器中的一个充电到正或负DC模拟参考电压，而两个电容器中的另一个充电到模拟电压信号的电压，并且反之亦然。通过使用两个电容器并且定期在它们之间切换使得每次在电流路径中仅包括一个电容器而另一个电容器正在充电，避免了电容器放电所处的时段在输出信号(即组合模拟信号)的波形中变得可见。
[0010]适当高的开关频率例如可以用半导体开关实现。因此，第一和第二叠合开关部件以及第一和第二调制开关部件是半导体开关，优选地CMOS (互补金属氧化物半导体)开关，这是优选的。
[0011]重要地是注意在已知的图1的自校准电路中，一个继电器或多个继电器用于输入开关3。已知继电器具有足够高的耐受电压使得它们可不仅在低压万用表的读出电子器件中使用，还用于例如在输电和配电行业中使用的高或中压传感器或仪表变压器的读出电子器件。然而，继电器具有小于IkHz的有限开关频率。该开关频率范围在上文描述的装置意在用于超出IOOHz的ADC采样频率或换句话说用于每秒超出100个样本的采样率的情况下太低，因为在这些情况下需要至少IkHz的叠合频率。
[0012]在本发明的另外的实施例中，适于将模拟电压信号调整到期望的增加或减小电压水平的调整部件连接在电压信号输入和叠合部件之间。这样的调整部件在模拟电压信号具有相对高的电压水平时特别有用，如例如在用于输电和配电线中的电流测量的Rogowski线圈(其具有几十至几百伏的输出电压水平)的情况下。电压水平然后通过调整部件而降低以便确保不超出读出电子器件的元件的耐受电压。CMOS开关尤其具有大约40V的相对低的耐受电压，使得对40V以上的水平处的模拟电压信号需要高ADC采样率以及因此CMOS开关时的情况下，需要应用调整部件。调整部件在电压信号输入与叠合部件之间的插入具有这样的优势:因为调整部件变成在线自校准装置的部分，由调整部件引入的任何增益误差之后可以被校正。
[0013]在本发明的具体实施例中，建议调整部件是电阻分压器。
[0014]在电阻分压器的情况下，它的电阻器元件与第一电容器在一起形成RC滤波器，其具有RC时间常数。优选地，使第一和第二叠合开关部件适于以比反的RC时间常数高至少一百倍的叠合频率操作。如果第一电容器具有C1的电容值并且电阻分压器由具有电阻值R1和R2的两个电阻器组成，RC滤波器的RC时间常数Ttl是Ttl=Ci (?+?)，并且叠合频率将是 fH>100/T。。
[0015]在另外的具体实施例中，叠合部件的输出连接到差分放大器的正输入并且差分放大器的输出则连接到转换部件。
[0016]该实施例可通过使另外的叠合部件的输入连接到另外的调整部件和参考部件而扩展，其中另外的叠合部件适于通过将逆调制参考电压叠加到模拟电压信号上而生成另外的组合信号并且其中另外的叠合部件的输出连接到差分放大器的负输入。
[0017]根据本发明的装置可实 现为印刷电路板上的分立电子元件或实现为专用集成电路(ASIC)。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]现在关于附图解释本发明和它的实施例的一些方面，这些附图在:
图1中示出具有自校准的已知读出电子器件的示意图，
图2中示出本发明的示意图，
图3中示出本发明的第一实施例，
图4中示出对于第一实施例的叠合部件的解决方案，
图5中示出对于第一实施例的叠合部件的另一个解决方案，
图6中示出本发明的第二实施例，
图7中示出本发明的第三实施例，
图8中示出示例模拟电压信号的时间特性，
图9中示出示例调制参考电压的时间特性，
图10中示出图8和9的组合信号的时间特性。
【具体实施方式】
[0019]在图2中，描绘根据本发明的装置的示意图。该装置包括如已经关于图1的已知读出电子器件而描述的相同的转换部件ADC和参考部件ref。但与图1相比之下，在读出电子器件由于输入信号在校准期间从模拟电压信号Vin切换到参考电压VMf而提供离线自校准功能性的情况下，图2的装置允许在线自校准。这是由于存在叠合部件sup，其布置在节点P与节点S之间作为读出电子器件的部分并且其包括调制部件mod，该调制部件mod用于通过调制模拟参考电压而生成调制参考电压VMd。叠合部件sup进一步适于将调制参考电压Vnwd叠加到模拟电压信号Vin上。叠合由实际叠合元件6执行。叠合部件sup的输出信号叫作组合模拟信号4。模拟电压信号Vin经由电压信号输入(描绘为节点I)而施加到装置。图2的装置的总增益再次是Ga.Gb，其中Gb是转换部件ADC的增益并且Ga是电压信号输入(节点I)与转换部件ADC的输入(其在图2中是节点S)之间的所有元件的增益。转换部件ADC的输出信号5可以表示为下面的和:
【权利要求】
1.一种用于读出模拟电压信号(Vin)的装置，包括: ?电压信号输入(I)，用于向其施加所述模拟电压信号(Vin), ?参考部件(ref)，用于生成模拟参考电压(VMf)， ?转换部件(ADC)，用于将模拟输入信号(I)转换成数字输出信号(2)， 其特征在于 ?叠合部件(sup)适于接收所述模拟电压信号(Vin)和所述模拟参考电压(VMf)，其中所述叠合部件(sup)包含用于从所述模拟参考电压(VMf)生成调制参考电压(Vnwd)的调制部件并且适于通过使所述调制参考电压(Vnwd)叠加到所述模拟电压信号(Vin)上而生成组合模拟信号(4)并且适于将所述组合模拟信号(4)转发到所述转换部件(ADC)。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述叠合部件(sup)包括第一叠合开关部件(8a，8b)，用于交替地将所述模拟电压信号(Vin)或所述调制参考电压(Vnrod)施加到所述叠合部件(sup)的信号输出并且其中所述第一叠合开关部件适于以比所述转换部件的ADC采样频率高至少十倍的叠合频率(fH)来操作。
3.如权利要求1或2所述的装置，其中，所述调制部件适于生成方波调制参考电压。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述参考部件生成DC模拟参考电压(VMf)，所述调制部件包括第一电容器(Cml)和第一调制开关部件(7a，7b)，用于交替地使所述第一电容器(Cffll)充电到所述模拟参考电压(Vref)或到逆模拟参考电压(_VMf)，并且其中所述第一叠合开关部件(8a，Sb )适于定期将所述第一电容器(Cffll)包括在所述模拟电压信号(Vin)的电流路径中以及将所述第一电 容器(Cml)从所述模拟电压信号(Vin)的电流路径排除。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述调制部件包括第二电容器(Cm2)和第二调制开关部件(9a，9b)，用于使所述第二电容器Cm2)交替地充电到所述模拟参考电压(Vref)或到所述逆模拟参考电压(-V,ef)，其中所述叠合部件(sup)包括第二叠合开关部件(10a，10b)，其适于以与所述第一叠合开关部件(8a，8b)相同的叠合频率(fH)操作，并且其中所述第一和第二叠合开关部件(8a，8b ； 10a, IOb)适于交替地将所述第一电容器(Cffll)或所述第二电容器(Cm2)包括在所述模拟电压信号(Vin)的电流路径中以及从所述模拟电压信号(Vin)的电流路径排除所述第一电容器(Cml)或所述第二电容器(Cm2)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述第一和第二叠合开关部件(8a，8b ；10a,10b)以及所述第一和第二调制开关部件(7a，7b ;9a，9b)是半导体开关，优选地是CMOS开关。
7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，适于将所述模拟电压信号(Vin)调整到期望的增加或减小电压水平的所述调整部件(R1, R2)连接在所述电压信号输入(I)与所述叠合部件(sup)之间。
8.如权利要求7所述的装置，其中，所述调整部件(R1,R2)是电阻分压器。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述第一电容器(Cml)和所述电阻分压器形成具有RC时间常数的RC滤波器并且其中所述第一和第二叠合开关部件(8a，8b ;10a，10b)适于以比反的RC时间常数高至少一百倍的叠合频率(fH)操作。
10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，所述叠合部件(sup)的输出连接到差分放大器(amp)的正输入并且其中所述差分放大器(amp)的输出连接到所述转换部件(ADC)。
11.如权利要求10所述的装置，其中，另外的叠合部件的输入连接到另外的调整部件和到所述参考部件(ref)，其中所述另外的叠合部件适于通过将逆调制参考电压(-Vnwd)叠加到所述模拟电压信号(Vin)上而生成另外的组合信号(11)并且其中所述另外的叠合部件的输出连接到所述差分放大器(amp)的负输入。
12.如权利要求1至11 中任一项所述的装置，其实现为专用集成电路。
【文档编号】H03M1/10GK103460604SQ201180070169
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2011年4月16日 优先权日:2011年4月16日
【发明者】J.帕斯卡尔, R.布洛赫 申请人:Abb 技术有限公司