Adc电路、电能计量电路和电能计量系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种ADC电路、电能计量电路和电能计量系统。其中，ADC电路包括开关电阻电路；第一运算放大器，其输入端与开关电阻电路连接；第二运算放大器，其输入端通过电阻与第一运算放大器的输出端连接；量化器，其输入端与第二运算放大器的输出端连接，其输出端用于输出对第二运算放大器的输出信号进行比较量化后的信号；数模转换器模块，其输入端与量化器的输出端连接，其输出端反馈连接到第一运算放大器的输入端和第二运算放大器的输入端。本发明实施例的ADC电路的第一运算放大器与第二运算放大器之间通过电阻连接，二者之间的信号是连续传输的，是一种连续时间的sigma-delta?ADC结构，能够提高ADC电路的精度。
【专利说明】ADC电路、电能计量电路和电能计量系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及电能计量领域，尤其涉及一种ADC电路、电能计量电路和电能计量系统。
【背景技术】
[0002]在电能计量领域,需要模数转换器(英文:Analog to Digital Converter,缩写:ADC)对输入的模拟信号进行采集、放大、并转换成数字信号供数字系统进行数字信号处理。
[0003]目前在电能计量领域的ADC主要有三种实现方式，其中第一种方式是将增益放大器(英文:Programable Gain Amplifier,缩写:PGA)集成在 sigma delta ADC 的米样电容中，通过调整采样电容的大小实现不同的增益放大倍数。这种结构需要增加自举升压(bootstrap)电路对PMOS开关实施boost,以传输负电平信号；此外，通过调整电容的大小来实现不同的增益放大倍数，会造成ADC第一级积分器的环路带宽降低，要达到合理带宽要求，必须增加运放的功耗。
[0004]第二种方式是使输入信号先通过一个连续时间的电阻型PGA实现对输入增益的控制，同时将信号输出到偏置在共模电压，直接输送给sigma delta ADC进行转换。这种结构的ADC电路在输入较大的负信号例如-1V时，开关无法关断，会产生漏电，从而造成PGA输出信号错误。
[0005]第三种方式是通过合理配置PGA和sigma delta ADC的增益实现零偏置输入的功能，进而实现了降低对sigma delta ADC的第一级积分器的带宽、功耗设计要求。但是,这种结构的ADC电路需要额外的展波运放，且额外PGA增加了噪声源，需要增加滤波电路，从而增加了电路的复杂性。
[0006]以上三种实现方式的ADC电路结构均采用离散时间sigma delta ADC的结构，这种结构对转换器内运放的带宽要求较高(一般大于10倍)，功耗较大。此外，各通路输入端需要一个对较大RC电路进行抗混叠，增加了芯片成本以及PCB的生产成本。另外,离散时间结构的ADC对运放的建立等要求较高，在实现高精度ADC时，需要选择高性能的运放的需求。
【发明内容】
[0007]抟术问是页
[0008]有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，如何提高ADC电路的精度。
[0009]解决方案
[0010]为了解决上述技术问题，根据本发明的一实施例，提供了一种模数转换器ADC电路，包括:开关电阻电路；第一运算放大器，其输入端与所述开关电阻电路连接；第二运算放大器，其输入端通过电阻与所述第一运算放大器的输出端连接；量化器，其输入端与所述第二运算放大器的输出端连接，其输出端用于输出对所述第二运算放大器的输出信号进行比较量化后的信号；数模转换器模块，其输入端与所述量化器的输出端连接，其输出端反馈连接到所述第一运算放大器的输入端和所述第二运算放大器的输入端。
[0011]对于上述ADC电路，在一种可能的实现方式中，所述开关电阻电路由两个开关电阻阵列组成，所述开关电阻阵列包括:第一电阻，其一端连接待处理信号的输出端，其另一端连接所述第一运算放大器的输入端；至少一路开关电路，其包括第二电阻、第一开关和第二开关；所述第二电阻的一端与所述第一电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端连接所述第一开关的第一端；所述第一开关的第二端接地，所述第一开关的第三端连接配置模块的第一控制引脚；所述第二开关的第二端连接所述第二电阻的另一端，所述第二开关的第一端连接所述第一电阻的另一端，所述第二开关的第三端连接所述配置模块的第二控制引脚。
[0012]对于上述ADC电路，在一种可能的实现方式中，所述第一运算放大器包括第一正向输入端、第一反向输入端、第一正向输出端和第一反向输出端，所述第一正向输入端与一个所述开关电阻阵列连接，所述第一反向输入端与另一个所述开关电阻阵列连接，所述第一正向输入端与所述第一反向输出端之间连接有电容，所述第一反向输入端与所述第一运算放大器的第一正向输出端之间连接有电容。
[0013]对于上述ADC电路，在一种可能的实现方式中，所述第二运算放大器包括第二正向输入端、第二反向输入端、第二正向输出端和第二反向输出端，所述第二反向输入端与所述第一反向输出端之间连接有电阻，所述第二正向输入端与所述第一正向输出端之间连接有电阻，所述第二正向输入端与所述第二反向输出端之间连接有电容，所述第二反向输入端与所述第二正向输出端之间连接有电容。
[0014]对于上述ADC电路，在一种可能的实现方式中，所述量化器的第一输入端与所述第二正向输出端连接，所述量化器的第二输入端与所述第二反向输出端连接。
[0015]对于上述ADC电路，在一种可能的实现方式中，所述数模转换器模块包括两个数模转换电路，一个所述数模转换器模块的输出端分别与所述第一正向输入端以及所述第一反向输入端连接，另一个所述数模转换器模块的输出端分别与所述第二正向输入端以及所述第二反向输入端连接。
[0016]对于上述ADC电路，在一种可能的实现方式中，所述第一开关和/或所述第二开关为场效应管；所述第一开关和/或所述第二开关的第一端、第二端和第三端分别为所述场效应管的源极、漏极和栅极。
[0017]为了解决上述技术问题，根据本发明的另一实施例，提供了一种电能计量电路，包括:电源、待测负载、第一采样电阻和ADC电路；其中，所述电源、所述待测负载和所述第一采样电阻串联为一个回路；所述ADC电路与所述第一采样电阻并联；所述ADC电路采用本发明实施例中任意一种结构的ADC电路；所述第一采样电阻的两端分别与所述ADC电路的开关电阻电路的两端连接。
[0018]为了解决上述技术问题，根据本发明的另一实施例，提供了一种电能计量电路，包括:电源、待测负载、第二采样电阻、第三采样电阻、第四采样电阻和ADC电路；其中，所述ADC电路采用本发明实施例中任意一种结构的ADC电路；所述第二采样电阻的一端连接所述电源与所述待测负载的连接端，所述第二采样电阻的另一端与所述第三采样电阻的一端以及所述ADC电路的开关电阻电路的一端连接；所述第三采样电阻的另一端接地；所述第四采样电阻的一端与所述ADC电路的开关电阻电路的另一端连接，所述第四采样电阻的另一端接地。
[0019]为了解决上述技术问题，根据本发明的另一实施例，提供了一种电能计量系统，包括:电流计量电路和电压计量电路；其中，所述电流计量电路采用本发明实施例中任意一种结构的电能计量电路；所述电压计量电路采用本发明实施例中任意一种结构的的电能计量电路。
[0020]有益.效果
[0021]本发明实施例的ADC电路的第一运算放大器与第二运算放大器之间通过电阻连接，二者之间的信号是连续传输的，是一种连续时间的sigma-delta ADC结构，能够提高ADC电路的精度。此外，本发明实施例的ADC电路中第一运算放大器和开关电阻电路能够实现增益放大运放(PGA)的功能，无需采用独立的PGA，避免了 PGA所引入的噪声，并且减少了采用的运放、电阻和电容的数量，可以节省芯片成本。
[0022]根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。
[0024]图1示出根据本发明一实施例的模数转换器ADC电路的结构框图；
[0025]图2示出根据本发明另一实施例的模数转换器ADC电路的具体电路图；
[0026]图3a示出根据本发明另一实施例的模数转换器ADC电路的开关电阻阵列与配置模块连接关系的电路示意图；
[0027]图3b示出根据本发明一实施例的数模转换电路的具体电路图；
[0028]图4示出根据本发明一实施例的电能计量电路的示意图；
[0029]图5示出根据本发明另一实施例的电能计量电路的示意图；
[0030]图6示出根据本发明一实施例的电能计量系统的示意图。
【具体实施方式】
[0031]以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
[0032]在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
[0033]另外，为了更好的说明本发明，在下文的【具体实施方式】中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
[0034]实施例1
[0035]图1示出根据本发明一实施例的模数转换器ADC电路的结构框图。如图1所示，该ADC电路主要包括:开关电阻电路110、第一运算放大器120、第二运算放大器130、量化器140、以及数模转换器模块150。其中，第一运算放大器120的输入端与开关电阻电路110连接，第二运算放大器130的输入端通过电阻160与第一运算放大器120的输出端连接，量化器140的输入端与第二运算放大器130的输出端连接,量化器140的输出端用于输出对所述第二运算放大器的输出信号进行比较量化后的信号，数模转换器模块150的输入端与量化器140的输出端连接，数模转换器模块150的输出端反馈连接到第一运算放大器120的输入端和第二运算放大器130的输入端。
[0036]在一种可能的实现方式中，开关电阻电路110可以由两个开关电阻阵列组成，通过控制开关电阻阵列的开关断开或闭合，能够实现不同倍数的增益。
[0037]本实施例的ADC电路的第一运算放大器与第二运算放大器之间通过电阻连接，二者之间的信号是连续传输的，是一种连续时间的sigma-delta ADC结构，能够提高ADC电路的精度。此外，本实施例的ADC电路中第一运算放大器和开关电阻电路能够实现增益放大运放(PGA)的功能，无需采用独立的PGA，避免了 PGA所引入的噪声，并且减少了采用的运放、电阻和电容的数量，可以节省芯片成本。
[0038]实施例2
[0039]图2示出根据本发明另一实施例的模数转换器ADC电路的具体电路图。图2中标号与图1相同的组件具有相同的功能，为简明起见，省略对这些组件的详细说明。
[0040]在一种可能的实现方式中，图2所示的ADC电路的开关电阻电路110由两个开关电阻阵列111、112组成，其中，开关电阻阵列111和开关电阻阵列112可以为结构相同的模块。
[0041]如图3a所示，开关电阻阵列111、112可以包括:第一电阻310和四路开关电路。其中，第一电阻310的 一端A连接待处理信号的输出端，另一端B连接第一运算放大器120的输入端。四路开关电路可以为结构相同的模块，各路开关电路可以均包括一个电阻和两个开关。具体地，以一路开关电路为例，该开关电路包括一个第二电阻320和两个开关321、322，其中，第二电阻320的一端A与第一电阻310的一端A连接，第二电阻320的另一端B连接第一开关321的第一端S ;第一开关321的第二端D接地，第一开关321的第三端G连接配置模块的第一控制引脚；第二开关322的第二端D连接第二电阻320的另一端B，第二开关322的第一端S连接所述第一电阻310的另一端B，第二开关322的第三端G连接配置模块的第二控制引脚。
[0042]配置模块与开关电阻电路110的连接关系示意图如图3a所示，为了更清楚简洁的描述配置模块与开关电阻电路110的连接关系，图3a仅以一路开关电路为例，另外3路开关电路与配置模块的连接关系与图3a所述的连接关系一致。配置模块的第一控制引脚可以为SELB引脚，第二控制引脚可以为SEL引脚，该配置模块通过控制EN引脚以及S〈1_0>引脚的信号，给SELB引脚和SEL引脚配置相应的值，从而可以控制四路开关电路中各组开关的是否选通，从而可以实现不同倍数的增益。EN引脚以及S〈l-0>引脚的值与增益的关系可以如表1所示。
[0043]表1 EN引脚以及S〈1_0>引脚的值与增益的关系
[0044]
EN |S〈1-0> I 增益
0 3<X 16
【权利要求】
1.一种模数转换器ADC电路,其特征在于,包括: 开关电阻电路； 第一运算放大器，其输入端与所述开关电阻电路连接； 第二运算放大器，其输入端通过电阻与所述第一运算放大器的输出端连接； 量化器，其输入端与所述第二运算放大器的输出端连接，其输出端用于输出对所述第二运算放大器的输出信号进行比较量化后的信号； 数模转换器模块，其输入端与所述量化器的输出端连接，其输出端反馈连接到所述第一运算放大器的输入端和所述第二运算放大器的输入端。
2.根据权利要求1所述的ADC电路，其特征在于，所述开关电阻电路由两个开关电阻阵列组成，所述开关电阻阵列包括: 第一电阻，其一端连接待处理信号的输出端，其另一端连接所述第一运算放大器的输入端;
至少一路开关电路，其包括第二电阻、第一开关和第二开关；所述第二电阻的一端与所述第一电阻的一端连接，所述第二电阻的另一端连接所述第一开关的第一端；所述第一开关的第二端接地，所述第一开关的第三端连接配置模块的第一控制引脚；所述第二开关的第二端连接所述第二电阻的另一端，所述第二开关的第一端连接所述第一电阻的另一端，所述第二开关的第三端连接所述配置模块的第二控制引脚。
3.根据权利要求2所述的ADC电路，其特征在于， 所述第一运算放大器包括第一正向输入端、第一反向输入端、第一正向输出端和第一反向输出端，所述第一正向输入端与一个所述开关电阻阵列连接，所述第一反向输入端与另一个所述开关电阻阵列连接，所述第一正向输入端与所述第一反向输出端之间连接有电容，所述第一反向输入端与所述第一运算放大器的第一正向输出端之间连接有电容。
4.根据权利要求2或3所述的ADC电路，其特征在于， 所述第二运算放大器包括第二正向输入端、第二反向输入端、第二正向输出端和第二反向输出端，所述第二反向输入端与所述第一反向输出端之间连接有电阻，所述第二正向输入端与所述第一正向输出端之间连接有电阻，所述第二正向输入端与所述第二反向输出端之间连接有电容，所述第二反向输入端与所述第二正向输出端之间连接有电容。
5.根据权利要求4所述的ADC电路，其特征在于，所述量化器的第一输入端与所述第二正向输出端连接，所述量化器的第二输入端与所述第二反向输出端连接。
6.根据权利要求4或5所述的ADC电路，其特征在于，所述数模转换器模块包括两个数模转换电路，一个所述数模转换电路的输出端分别与所述第一正向输入端以及所述第一反向输入端连接，另一个所述数模转换电路的输出端分别与所述第二正向输入端以及所述第二反向输入端连接。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的ADC电路，其特征在于，所述第一开关和/或所述第二开关为场效应管； 所述第一开关和/或所述第二开关的第一端、第二端和第三端分别为所述场效应管的源极、漏极和栅极。
8.一种电能计量电路，其特征在于，包括: 电源、待测负载、第一采样电阻和ADC电路；其中，所述电源、所述待测负载和所述第一采样电阻串联为一个回路； 所述ADC电路与所述第一采样电阻并联； 所述ADC电路采用如权利要求1至7中任一项所述的ADC电路； 所述第一采样电阻的两端分别与所述ADC电路的开关电阻电路的两端连接。
9.一种电能计量电路，其特征在于，包括: 电源、待测负载、第二采样电阻、第三采样电阻、第四采样电阻和ADC电路； 其中，所述ADC电路采用如权利要求1至7中任一项所述的ADC电路； 所述第二采样电阻的一端连接所述电源与所述待测负载的连接端，所述第二采样电阻的另一端与所述第三采样电阻的一端以及所述ADC电路的开关电阻电路的一端连接；所述第三采样电阻的另一端接地；所述第四采样电阻的一端与所述ADC电路的开关电阻电路的另一端连接，所述第四采样电阻的另一端接地。
10.一种电能计量系统，其特征在于，包括: 电流计量电路和电压计量电路； 其中，所述电流计量电路采用权利要求8所述的电能计量电路； 所述电压计量电路采用权利要求9所述的电能计量电路。
【文档编号】H03M3/00GK103647557SQ201310603166
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】郭书苞, 商忠志, 尹德杨 申请人:华为技术有限公司