计量芯片原理(钜泉光电)0903 v0.1

功率算法流程
电流
ADC
LPF
电压
ADC
LPF
HPF
乘法器
LPF
HPF
采样
去除高频噪声 去除直流偏置 得到瞬时功率 得到平均功率
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算法推导（II）：全波功率
P P0 P1 P2 ...
U0 * I0 U1* I1*cos(1) U2 * I2 *cos(2) ...
U^2 U ^2*cos(2wt)
u(t) U 0 2 *U1* cos(wt) 2 *U 2 * cos(2wt) ... u(t)^2 U0^2 U1^2 U2^2 ...
( AC ...)
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– 外围选用温度系数更好的元器件 – 0.2s表采用外接温度系数更好的VREF
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Q&A
Thanks!
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算法推导（III）：有效值
URMS U0^2 U1^2 U2^2 ...Um^2 ... Un^2
推导：
u(t) 2 *U * cos(wt) u(t)^2 2*U *cos(wt) *U *cos(wt)
变化为0.7%；相当于每度变化0.006% – 国标要求为每度0.03%（0.5s）
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潜动&启动
• 国标的规定是以电流为判据的 • 大部分芯片均采用功率为判据
– 小信号时功率的精度比有效值精度好 – 接近90度时会造成误判（三相三线 0.5L） – 部分芯片会采用功率+电流双判据
fs>3kHz
• 国标对谐波性能的要求 5次谐波相对于基波的含 量： 电压10%U1，电流40%I1
– P=U1*I1+U5*I5=1.04P1; – 影响量<0.1%时，U5*I5*ERR/(1.04P1)<0.1%，U5*I5
的精度<2.5%即可满足
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率越快，跳动会越大） – 采样率fs越大，则跳动会越小，因为其分辨率会越好
• 矛盾：CF的及时响应vs跳动
– 滤波器对2wt频率成分衰减越大，跳动会越小；但阶跃 响应的上升时间会越慢（滤波器阶数相同的情况）
– 部分芯片采用先累计一段时间电能的方式，相当于一 个很大的平均值滤波器，跳动会更小；但在断电时可 能造成误差。（大电流时，电流关闭后，CF还会继续 发）
电压有效值流程
电压 from ADC
HPF
X^2
LPF
SQRT
去除直流偏置 U(t)^2
得到URMS^2
得到URMS
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有效值补偿
• 有效值精度<功率精度，为什么？
– 常规思路，电压、电流有0.1%的err，会导致功率0.2% 的err
• 对外围要求低，简单的一阶RC滤波即可达到抗混叠 效果
• 计量算法的截位
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带宽&谐波影响量
• 采样频率（fs）越快，则带宽பைடு நூலகம்宽
– 带宽一般定义为fs/2，只要Fin<fs/2，理论上可以测量； – 假设考虑30次谐波，则带宽需要30*50=1.5kHz，
算法推导（I）：基波功率
P U*I*cos()
推导： u(t) 2 *U * cos(wt) i(t) 2 * I * cos(wt )
p(t) u(t)*i(t)
2*U * I *cos(wt)*cos(wt ) U* I*cos() U*I*cos( 2wt )
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– 电流互感器不能保证整个动态范围角差完全一 致，电流饱和/或者电流特别小时都有很大的影 响
• 负载大范围变化对分段的冲击
– 上行点和下行点分开，减小分段点误差的跳动
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功率精度补偿（II）
• OFFSET的影响
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温度影响量
• 温度影响量是芯片及外围的温度系数共同作用的 结果
– 两者的影响相同，则影响量很大；反之，则影响很小
• 芯片的温度系数主要影响VREF，进而使ADC采 到的数据发生改变
– 1mv的变化对精度的影响为0.08%（2.5v VREF) – 30ppm时，-40~80摄氏度VREF变化9mV，影响误差的
频率&电压影响量
• 频率影响量（频率变化45～65Hz）
– 从算法的推导上看，频率对精度应该无任何影响 – 但数字部分不对称，有滤波器做时序补偿时，则可能
会影响精度（滤波器不同频率的相位会略有差异）
• 电压影响量（电压变化70%～130%）
– 从算法的推导上看，无任何影响 – 需要保证芯片的VCC/AVCC不受影响 – 需要保证130%不能超过芯片规定的量程
– OFFSET总是存在的，只要同频的信号相乘，即可产生 DC成分，进而影响到P
– 高通滤波器不能全部滤除功率的OFFSET
• OFFSET的来源
– CROSSTALK:电压通道对电流通道的影响， – 50Hz的工频干扰或其他噪声
• OFFSET可以被校正
– 一般而言，同一块表做好后，OFFSET是一个固定量， 不会随电流的反向而改变，因而可以从功率上直接减 去。
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动态范围&精度
• ADC的有效位数
– ADC的有效位数（或者SINAD）是整个芯片计 量的源头
– 目前集成芯片基本采用sigma-delta ADC
• 模拟部分+数字信号处理，容易做到16bit以上的 ADC （google: sigma delta)
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校正
• 芯片与外围一起构成测量系统；由于外围和芯片 的初始精度无法保证，因而需要校正
• 阻性校正，校正增益
– 电阻的误差，VREF的不一致会导致增益误差
• 0.5L校正，校正相位
– 虽然芯片内部保证电压、电流的相位，但外围不可能 完全一致，特别是互感器、电容等的影响
• 如果传感器线性好，板级噪声低，则0.5级、1级 电表只需在100%Ib 阻性和0.5L校好即可
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功率精度补偿（I）
• 分段补偿：增益分段&相位分段
– 在大量程电表上，如果传感器或其他外围的线 性不够好时，则可以使用分段的增益补偿
温度补偿
• 温度影响量主要影响增益
– 外围和VREF随温度的变化，可以认为在不同的温度时， 乘上了不同的增益
• 利用温度传感器改善温度影响量
– 芯片自带的温度传感器精度不会太高 – 需要整表的温度系数一致性好（温度系数可以很大；
一致性不好时，则需要针对不同的样表做多点校正， 工作量太大）
• 选用更好的元器件
• 潜动&启动的本质
– 潜动和启动其实是对芯片的线性度的要求 – 目前很多电力局提出“潜动电流”，对线性度
要求更高
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误差的跳动
• CF的输出从理论上存在跳动
– 主要是U*I*cos(2wt)的干扰 – 滤波器对其衰减越大，则跳动越小 – 时间累计的越长,则跳动越小（输入信号越大，则CF频
推导： u(t) U 0 2 *U1* cos(wt) 2 *U 2 * cos(2wt) ... i(t) I 0 2 * I1* cos(wt 1) 2 * I 2 * cos(2wt 2) ...
p(t) u(t) *i(t) U 0* I 0 2*U1* I1*cos(wt) *cos(wt 1) 2*U 2* I 2*cos(2wt) *cos(2wt 2) ... (AC ...) U0 * I0 U1* I1*cos(1) U2 * I2*cos(2) ... U1* I1*cos(2wt 1) U 2* I 2*cos(4wt 2) .. (AC ...) P0 P1 P2 ... (AC ...)
计量芯片原理 --兼谈国标对芯片的要求
钜泉光电科技 mxzhang@hitrendtech.com
2009-03
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试图解释：
• 计量原理正确吗？
– 能量、功率、有效值的算法正确性
• 国标影响量怎样满足？
– 与算法相关；功率为电压、电流相乘，有效值为自乘， 相关性上后者要大（即同频的信号相乘），噪声也会 大
• OFFSET能否直接减去？
– 直流成分本身已通过高通滤掉 – 从算法上看，需要在开方之前减去 – 其贡献成分可以看作是 Um^2+…+Un^2
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– 谐波对计量的要求 – 频率、电压对计量的影响 – 温度对计量的影响
• 误差为什么会跳动？
– 算法对误差（CF）跳动的影响
• 电表一点校正后，精度还能提升吗？
– 校正 – 功率、有效值补偿 – 温度补偿
• 有效值精度为什么不如电能精度？
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