專利名稱：可編程斬波增益放大器在電能計量芯片中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電氣裝置領(lǐng)域，尤其涉及一種可編程斬波增益放大器在電能計量芯片里的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前，越來越多的電能表從機(jī)械式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮邮?，相比之下，電子式電能表在計量精度、壽命、功能等方面有許多優(yōu)勢。電子式電能表的核心是電能計量芯片，計量芯片將電網(wǎng)上50Hz的電壓、電流信號用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用數(shù)字信號處理單元 (DSP)對數(shù)字信號進(jìn)行處理，可獲得能量、功率、有效值、諧波分量、電網(wǎng)頻率等眾多信息。電能表要在很寬的電流動態(tài)范圍(例如1 :2000)內(nèi)實現(xiàn)0. 1%的精度。計量電流的 ADC前端信號大小和傳感器類型相關(guān)，對于目前廣泛使用的錳銅傳感器來說，額定電流對應(yīng)的電流信號大小一般只有2. 5mV。那么1 :2000動態(tài)范圍對應(yīng)的電流信號大小為25uV到 50mV，所以要求用來測量電流的ADC在25uV的信號下還需有0. 1%的精度。測量電流的ADC對精度如此高的要求會帶來三方面的挑戰(zhàn)一、CMOS工藝的基礎(chǔ)器件如PM0S/NM0S管在50Hz附近的噪聲是比較高的，這種噪聲稱為閃爍噪聲。較高的噪聲會降低小電流信號下的計量精度，例如25uV信號下要求0. 1%精度等效于要求噪聲必須小于25nV，考慮到噪聲的隨機(jī)特性，甚至?xí)笤肼曅∮贗OnV ；二、電能表會處在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，這種環(huán)境下電磁干擾會進(jìn)入計量電流的ADC的輸入端，和50Hz的電流信號混雜在一起，導(dǎo)致電流信號的失真，從而帶來計量誤差。三、電能計量芯片的供電是從220V電網(wǎng)上通過變壓器或者阻容式電源獲得的，這種供電方式可能會在芯片地(VSS)上帶來一些不希望的50Hz干擾信號。目前絕大多數(shù)電能計量芯片里ADC的信號輸入共模電平都是VSS，這樣芯片地上的50Hz干擾信號很容易串到計量電流的ADC輸入端，從而帶來計量誤差。例如， 串到計量電流ADC輸入端的信號只要達(dá)到50nV，即可帶來0. 2%的計量誤差。針對信號太小的問題，目前很多電能計量芯片也使用了可編程增益放大器，但這種可編程增益放大器是通過增加模數(shù)轉(zhuǎn)換器的前端采樣電容來實現(xiàn)的，不是一個獨(dú)立的增益放大器，其降低等效噪聲的能力有限。并且，對上述的后兩個問題不能起到有益的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可編程斬波增益放大器在電能計量芯片中的應(yīng)用。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種可編程斬波增益放大器在電能計量芯片中的應(yīng)用，可編程斬波增益放大器位于芯片外的傳感器和芯片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間；可編程斬波增益放大器包括8個開關(guān)Kl K8、4個電阻Rl R4和運(yùn)算放大器Ul等； 可編程斬波增益放大器有兩個輸入端ΙΝΡ/ΙΝΝ，兩個輸出端0UTP/0UTN ；開關(guān)Kl和Κ2的一端作為可編程斬波增益放大器的正輸入端，開關(guān)Κ3和Κ4的一端作為可編程斬波增益放大器的負(fù)輸入端；開關(guān)Kl和Κ3的另一端分別連到電阻Rl的一端，開關(guān)Κ2和Κ4的另一端連到電阻R2的一端；電阻Rl的另一端和電阻R3的一端連到運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端，電阻R2的另一端和電阻R4的一端連到運(yùn)算放大器Ul的正輸入端；開關(guān)K5和K6的一端分別與電阻R3的另一端相連，同時連到運(yùn)算放大器Ul的正輸出端；開關(guān)K7和K8的一端與電阻R4的另一端相連，同時連到運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸出端；開關(guān)K5和K7的另一端作為可編程斬波增益放大器的正輸出端，開關(guān)K6和K8的另一端作為可編程斬波增益放大器的負(fù)輸出端；差分輸入信號INP/INN為傳感器產(chǎn)生的50Hz電壓信號；K1-K8可分為兩組，這兩組時鐘為無交疊反相關(guān)系；工作中，當(dāng)K1/K4/K6/K7為高電平時，相應(yīng)的開關(guān)打開，電阻Rl連到 INP，R2連到INN，R3連到OUTN，R4連到OUTP ；當(dāng)K2、K3、K5、K8為高電平時，相應(yīng)的開關(guān)打開，電阻Rl連到INN，R2連到INP，R3連到OUTP，R4連到OUTN ；如此，經(jīng)過兩組斬波時鐘處理，信號先被搬移到斬波頻率附近，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，再由運(yùn)算放大器后面的一組開關(guān)斬波處理，信號搬回到50Hz的位置，從而完成斬波放大；運(yùn)算放大器本身較大的低頻噪聲在第二次斬波時被搬移到斬波頻率附近，從而實現(xiàn)了運(yùn)算放大器低頻噪聲和信號的分離， 提高了信噪比；采用本發(fā)明后，計量芯片可在25uV到50mV的寬信號輸入范圍內(nèi)達(dá)到0. 1% 的精度。本發(fā)明的有益效果是
1)通過可編程斬波增益放大器對輸入信號以及噪聲的頻譜搬移處理，將芯片基礎(chǔ)器件 (PM0S/NM0S)較高的低頻噪聲搬移到高頻，從而實現(xiàn)噪聲和信號在頻率上的分離，提高信噪比。2)計量芯片處于高頻電磁干擾時，可編程斬波增益放大器的輸入端會引入一些高頻干擾信號(一般是80MHz到1G)。在本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)里，增益放大器形成一個一階的低通濾波器，截止頻率在2MHz附近，所以引入的高頻干擾信號會被這個濾波器大大衰減，從而明顯改善芯片的抗電磁干擾能力。采用本發(fā)明后，計量芯片在高頻電磁場干擾下，計量誤差小于0. 3%，明顯好于國家標(biāo)準(zhǔn)的m。3)編程斬波增益放大器輸入端的信號共模電平是VSS，但是放大器輸出端的共模電平已經(jīng)是高于VSS的一個電壓了。因此ADC的輸入信號共模電平上升，避開了 VSS上50Hz 的工頻干擾。


圖1為可電能計量芯片的結(jié)構(gòu)圖； 圖2為可編程斬波增益放大器的電路圖3為可編程斬波增益放大器的工作時序圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明可編程斬波增益放大器(PGA)是電能計量芯片里的一個模塊， 位于芯片外的傳感器和芯片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間。如圖2所示，可編程斬波增益放大器包括8個開關(guān)Kl K8、4個電阻Rl R4和運(yùn)算放大器U1?？删幊虜夭ㄔ鲆娣糯笃饔袃蓚€輸入端ΙΝΡ/ΙΝΝ，兩個輸出端0UTP/0UTN。開關(guān)Kl和Κ2的一端作為可編程斬波增益放大器的正輸入端，開關(guān)Κ3和Κ4的一端作為可編程斬波增益放大器的負(fù)輸入端；開關(guān)Kl和Κ3的另一端分別連到電阻Rl的一端，開關(guān)Κ2和K4的另一端連到電阻R2的一端；電阻Rl的另一端和電阻R3的一端連到運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端，電阻R2的另一端和電阻R4的一端連到運(yùn)算放大器Ul的正輸入端；開關(guān)K5和K6 的一端分別與電阻R3的另一端相連，同時連到運(yùn)算放大器Ul的正輸出端；開關(guān)K7和K8的一端與電阻R4的另一端相連，同時連到運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸出端；開關(guān)K5和K7的另一端作為可編程斬波增益放大器的正輸出端，開關(guān)K6和K8的另一端作為可編程斬波增益放大器的負(fù)輸出端。 差分輸入信號INP/INN為傳感器產(chǎn)生的50Hz電壓信號。K1-K8這8個開關(guān)的時序圖如圖3所示，它們可分為兩組，這兩組時鐘為無交疊反相關(guān)系。工作中，當(dāng)K1/K4/K6/K7為高電平時，相應(yīng)的開關(guān)打開，電阻Rl連到INP，R2連到INN，R3連到OUTN，R4連到OUTP ；當(dāng) K2/K3/K5/K8為高電平時，相應(yīng)的開關(guān)打開，電阻Rl連到INN, R2連到INP，R3連到OUTP， R4連到OUTN ；如此，經(jīng)過兩組斬波時鐘處理，信號先被搬移到斬波頻率附近，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，再由運(yùn)算放大器后面的一組開關(guān)斬波處理，信號搬回到50Hz的位置，從而完成斬波放大。運(yùn)算放大器本身較大的低頻噪聲在第二次斬波時被搬移到斬波頻率附近，從而實現(xiàn)了運(yùn)算放大器低頻噪聲和信號的分離，提高了信噪比。采用本發(fā)明后，計量芯片可在25uV 到50mV的寬信號輸入范圍內(nèi)達(dá)到0. 1%的精度。
權(quán)利要求
1. 一種可編程斬波增益放大器在電能計量芯片中的應(yīng)用，其特征在于，可編程斬波增益放大器位于芯片外的傳感器和芯片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間；可編程斬波增益放大器包括8個開關(guān)Kl K8、4個電阻Rl R4和運(yùn)算放大器Ul等；可編程斬波增益放大器有兩個輸入端ΙΝΡ/ΙΝΝ，兩個輸出端0UTP/0UTN ；開關(guān)Kl和Κ2的一端作為可編程斬波增益放大器的正輸入端，開關(guān)Κ3和Κ4的一端作為可編程斬波增益放大器的負(fù)輸入端；開關(guān)Kl和Κ3的另一端分別連到電阻Rl的一端，開關(guān)Κ2和Κ4的另一端連到電阻R2的一端；電阻Rl的另一端和電阻R3的一端連到運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸入端，電阻R2的另一端和電阻R4的一端連到運(yùn)算放大器Ul的正輸入端；開關(guān)Κ5和Κ6的一端分別與電阻R3的另一端相連，同時連到運(yùn)算放大器Ul的正輸出端；開關(guān)Κ7和Κ8的一端與電阻R4的另一端相連，同時連到運(yùn)算放大器Ul的負(fù)輸出端；開關(guān)Κ5和Κ7的另一端作為可編程斬波增益放大器的正輸出端，開關(guān)Κ6 和Κ8的另一端作為可編程斬波增益放大器的負(fù)輸出端；差分輸入信號ΙΝΡ/ΙΝΝ為傳感器產(chǎn)生的50Hz電壓信號；K1-K8可分為兩組，這兩組時鐘為無交疊反相關(guān)系；工作中，當(dāng)Kl/ K4/K6/K7為高電平時，相應(yīng)的開關(guān)打開，電阻Rl連到INP，R2連到INN，R3連到0UTN，R4連到OUTP ;當(dāng)1(2、1(3、1(5、1(8為高電平時，相應(yīng)的開關(guān)打開，電阻1 1連到INN, R2連到INP，R3 連到OUTP，R4連到OUTN ；如此，經(jīng)過兩組斬波時鐘處理，信號先被搬移到斬波頻率附近，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后，再由運(yùn)算放大器后面的一組開關(guān)斬波處理，信號搬回到50Hz的位置， 從而完成斬波放大；運(yùn)算放大器本身較大的低頻噪聲在第二次斬波時被搬移到斬波頻率附近，從而實現(xiàn)了運(yùn)算放大器低頻噪聲和信號的分離，提高了信噪比；采用本發(fā)明后，計量芯片可在25uV到50mV的寬信號輸入范圍內(nèi)達(dá)到0. 1%的精度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可編程斬波增益放大器在電能計量芯片中的應(yīng)用，可編程斬波增益放大器位于芯片外的傳感器和芯片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間；可編程斬波增益放大器包括8個開關(guān)K1～K8、4個電阻R1～R4和運(yùn)算放大器U1；運(yùn)算放大器本身較大的低頻噪聲在第二次斬波時被搬移到斬波頻率附近，從而實現(xiàn)了運(yùn)算放大器低頻噪聲和信號的分離，提高了信噪比；采用本發(fā)明后，計量芯片可在25uV到50mV的寬信號輸入范圍內(nèi)達(dá)到0.1%的精度。
文檔編號G01R1/30GK102323457SQ201110144638
公開日2012年1月18日 申請日期2011年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月1日
發(fā)明者譚年熊, 鐘書鵬 申請人:杭州萬工科技有限公司