專利名稱：包含互耦式變換器和積分電路的電流測(cè)量電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含互耦式變換器和積分電路的電流測(cè)量電路，識(shí)積分電路對(duì)互耦式變換器的信號(hào)進(jìn)行積分。
利用互耦式的變換器(又稱為電感耦合式變換器)測(cè)量電流與其它的測(cè)量裝置相比具有某些優(yōu)點(diǎn)。特別是在電工測(cè)量領(lǐng)域，使用互耦式的變換器避免了由于DC電流引起的飽和問題，問題的出現(xiàn)與鐵心變壓器有關(guān)并且使電流的測(cè)量與其它測(cè)量分開，例如，在多相網(wǎng)絡(luò)的其它各相上測(cè)量電流。然而，互耦式變換器存在的一個(gè)特殊問題在于，由該變換器所提供的信號(hào)是所測(cè)量的電流的導(dǎo)。因此，使用互耦式變換器需要一積分電路，以便處理該信號(hào)。
在EP 0403330號(hào)專利申請(qǐng)中介紹了一種包括互耦式變換器和積分電路的測(cè)量電路。該申請(qǐng)的積分電路特別適合于抑制常規(guī)的積分電路的輸出端處可能產(chǎn)生的低頻信號(hào)積寄生的dc信號(hào)。
經(jīng)常有這種情況，代表測(cè)量電流的信號(hào)利用模數(shù)變換器進(jìn)行變換，以用于后來的處理。一種用于改進(jìn)模數(shù)變換器的分辨率的已知技術(shù)是采用在變換器之前將一高頻脈動(dòng)(dither)信號(hào)疊加到被測(cè)量的信號(hào)上。這種高頻脈動(dòng)信號(hào)可以是一種隨機(jī)的信號(hào)或周期的信號(hào)，例如三角波信號(hào)或具有斜H波形的信號(hào)。采用這種技術(shù)，可以通過對(duì)分辨率優(yōu)于通常用交換器所能得到的量化級(jí)的信號(hào)變換值進(jìn)行分析來確定被測(cè)信號(hào)值。高頻脈動(dòng)技術(shù)的原理已經(jīng)公知很長(zhǎng)一段時(shí)間了，采用高頻脈動(dòng)信號(hào)來改進(jìn)變換器性能的測(cè)量和通訊系統(tǒng)的實(shí)例介紹在US 4187466、EP 0181719和EP0613256中。專利EP 0181719特別介紹了將三角波高頻脈動(dòng)信號(hào)疊加到變換之前的電流信號(hào)上的系統(tǒng)的原理。
因此希望具有一種測(cè)量電流的系統(tǒng)，其綜合了與互耦式變換器相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)與采用高頻脈動(dòng)信號(hào)相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。高頻脈動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生可能存在的問題與元件的成本和產(chǎn)生該信號(hào)的系統(tǒng)的復(fù)雜性有關(guān)。本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)，其具備兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)而避免了系統(tǒng)復(fù)雜性和各元件的重復(fù)所帶來的問題。
為此，本發(fā)明的特征在于，該測(cè)量電路還包含一高頻脈動(dòng)信號(hào)電路，其將一基本上為矩形的信號(hào)疊加到來自在積分電路的輸入端之前的變換器的信號(hào)上，以便該積分電路提供一個(gè)受基本上為三角波的高頻脈動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)的代表被測(cè)電流的信號(hào)。
通常，方波或矩形波信號(hào)并不適合作為一高頻脈動(dòng)信號(hào)，但是它在電子電路中例如在微處理機(jī)的輸出端可以很容易地產(chǎn)生。本發(fā)明提供的一種電路中產(chǎn)生利用三角形高頻脈動(dòng)信號(hào)調(diào)制的電流信號(hào)并可將該信號(hào)送到一模數(shù)變換器，但是該電路避免了元件的重復(fù)，這是由于這樣一個(gè)事實(shí)，即積分電路具有兩種功能，對(duì)來自互耦式變換器的信號(hào)積分和產(chǎn)生的高頻脈動(dòng)信號(hào)積分。
如上所述，利用變換器得到的被測(cè)信號(hào)數(shù)值在利用信號(hào)處理步驟進(jìn)行變換之后可以進(jìn)行計(jì)算，該信號(hào)處理具有的分辨率優(yōu)于僅利用模數(shù)變換器可能達(dá)到的分辨率。
該積分電路可以是常規(guī)類型的數(shù)字或模擬積分器。然而，優(yōu)選的是與EP 0403330中使用的相似的電路，其包含一具有相關(guān)的增益控制電阻和一反饋回路的放大器，反饋回路包含一反饋電容器，該積分電路還包含一第二積分器，其安裝在放大器的輸出端，反饋回路的上游側(cè)。
利用這些裝置，積分電路抑制了一在常規(guī)模擬電路中可能出現(xiàn)的低頻和寄生的dc信號(hào)。最好，該積分電路還包含用于校正在積分信號(hào)中的相位延遲的特別是由于積分器的增益控制電阻和包含安裝在放大器上游側(cè)的無源濾波器引起的延遲的裝置，其中電流測(cè)量電路構(gòu)成電量計(jì)的輸入電路的一部分，該電量計(jì)包括一電壓測(cè)量電路、可以選擇無源濾波器，以便利用該濾波器對(duì)在電壓和電流通道之間的所有相位延遲進(jìn)行校正，在被直接測(cè)量的網(wǎng)絡(luò)中的電壓沒有改變它的相位。因此，電壓通道不受與用于校正相位的元件的使用有關(guān)的限制，假如電壓通道還用于數(shù)據(jù)通訊，這是很有利的。
正如上面討論的，一個(gè)方波或矩形波信號(hào)利用電子電路是很容易產(chǎn)生的。在一個(gè)實(shí)施例中，矩形波信號(hào)可以利用在微處理機(jī)的輸出端處提供的脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)產(chǎn)生，該信號(hào)通過包含至少一個(gè)鎖存器的開關(guān)裝置，以便對(duì)該P(yáng)WM信號(hào)的平均頻率進(jìn)行分頻，并且產(chǎn)生該方波信號(hào)。
使用具有簡(jiǎn)單三角波形式的高頻脈動(dòng)信號(hào)可能會(huì)引起一些問題，這些問題與該信號(hào)的幅度和變換器的量化級(jí)之間的關(guān)系有關(guān)。特別是，假如高頻脈動(dòng)信號(hào)的幅度不等于變換器的整數(shù)量化級(jí)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問題。為了克服這些問題，高頻脈動(dòng)信號(hào)電路最好提供一個(gè)矩形波信號(hào)，其再利用一個(gè)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。然后將這個(gè)信號(hào)積分使之變成一個(gè)調(diào)制的三角波信號(hào)。
使用具有這種波形的信號(hào)克服了一些問題，這些問題與非調(diào)制的三角波信號(hào)的幅度與變換器量化級(jí)之間的差有關(guān)。實(shí)際上，調(diào)制信號(hào)向被變換的數(shù)值引入一個(gè)分量，其取決于三角波信號(hào)的幅度和變換器量化之間的差，以及其可以在抑制高頻脈動(dòng)信號(hào)的相同的處理過程中，例如利用一個(gè)分樣(decimation)濾波器在變換之后被抑制。
最好，調(diào)制信號(hào)也利用微處理機(jī)的PWM信號(hào)產(chǎn)生。在一個(gè)實(shí)施例中，利用兩個(gè)積分電路可以產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)的兩個(gè)邊界，該積分電路對(duì)PWM信號(hào)(和它的反相信號(hào))進(jìn)行積分，以便產(chǎn)生每個(gè)邊界。然而，可以進(jìn)一步降低所使用元件的數(shù)量。最好，該高頻脈動(dòng)信號(hào)電路包含一個(gè)積分器，其對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)積分，以便產(chǎn)生代表調(diào)制信號(hào)的一個(gè)邊界的三角波信號(hào)，將這個(gè)信號(hào)提供到一開關(guān)裝置，以便產(chǎn)生一個(gè)僅具有一個(gè)邊界的基本上矩形的信號(hào)，該邊界隨來自積分器的信號(hào)變化，該高頻脈動(dòng)信號(hào)電路還包含一個(gè)對(duì)信號(hào)中的低頻分量進(jìn)行濾波，以便提供一個(gè)經(jīng)均衡調(diào)制的矩形波信號(hào)的濾波器。
研究濾波步驟之前的矩形調(diào)制信號(hào)，這個(gè)信號(hào)包含一個(gè)與矩形波信號(hào)的頻率相對(duì)應(yīng)的頻率分量以及一個(gè)與三角波信號(hào)相對(duì)應(yīng)的低頻分量。所述三角波信號(hào)對(duì)矩形波信號(hào)的兩個(gè)邊界之一進(jìn)行調(diào)制，因此，濾波器消除了各低頻分量，并且該信號(hào)呈對(duì)稱的形狀，即信號(hào)的兩個(gè)邊界被均衡地調(diào)制。
結(jié)合參閱附圖，通過對(duì)以說明性的和非限定性的實(shí)例作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的如下說明，將會(huì)使本發(fā)明得到充分的理解，其中

圖1表示用于包含本發(fā)明的電流測(cè)量電路的電量計(jì)輸入電路的一個(gè)實(shí)例；圖2表示產(chǎn)生高頻脈動(dòng)信號(hào)的步驟。該高頻脈動(dòng)信號(hào)疊加到利用圖1中的電路測(cè)量的電流信號(hào)上。
如圖1所示，作為本實(shí)施例的用于電量計(jì)的輸入電路包含一包括高頻脈動(dòng)信號(hào)電路1和積分電路2的電流測(cè)量電路，該積分電路2對(duì)來自電感式變換器3(互耦式變換器)的，并綜合了由高頻脈動(dòng)信號(hào)電路提供的方波的信號(hào)進(jìn)行積分，以及還包含電壓測(cè)量電路4和模數(shù)變換器5。
高頻脈動(dòng)信號(hào)電路1包含一鎖存器6，其接收與該電路相關(guān)的微處理器的PWM信號(hào)。該鎖存器對(duì)PWM信號(hào)的平均頻率進(jìn)行分頻(divides)，以便產(chǎn)生一個(gè)方波。利用開關(guān)8產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，該開關(guān)8響應(yīng)于微處理機(jī)的PWM信號(hào)切換基準(zhǔn)電壓Vref，以便在濾波之后由電阻9和電容11以及利用電阻9、10和12施加的基準(zhǔn)電壓Vref產(chǎn)生經(jīng)調(diào)制的Vref信號(hào)。按照PWM周期的對(duì)應(yīng)頻率用三角波形式對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制深度取決于關(guān)系式R12R9+R10]]>這個(gè)信號(hào)然后由第二開關(guān)7響應(yīng)于由經(jīng)過鎖存器6提供的PWM信號(hào)產(chǎn)生的方波進(jìn)行切換，以便提供一不對(duì)稱調(diào)制的方波信號(hào)。電容器13用于均衡調(diào)制信號(hào)的上升和下降時(shí)間。
如圖1所示，這個(gè)對(duì)其上邊界進(jìn)行調(diào)制的信號(hào)利用一均衡電路進(jìn)行處理，該均衡電路包含電容15、電阻16、17和電容18，其中電容15消除使被調(diào)制的方波不對(duì)稱的低頻分量，以便產(chǎn)生一梯形方式調(diào)制的方波信號(hào)，電阻16、17和電容18的功能是對(duì)由電容器15輸出的梯形信號(hào)的畸變進(jìn)行補(bǔ)償。實(shí)際上包含元件15到18的均衡電路構(gòu)成了一帶通濾波器，其使方波的頻率以及它的一次諧波通過并排除使該信號(hào)的對(duì)稱波形畸變的頻率分量。參閱圖2，因此產(chǎn)生一個(gè)經(jīng)調(diào)制的對(duì)稱的方波信號(hào)。
如圖1所示，電流測(cè)量電路還包含一互感式變換器3，它的信號(hào)表示通過ac網(wǎng)絡(luò)的相F1的電流的導(dǎo)數(shù)。這個(gè)信號(hào)被提供到積分電路2以及其后提供到模數(shù)變換器5。積分電路2包含一具有由電容21和電阻22形成的反饋回路的放大器20，該RC回路控制變換器的信號(hào)的積分。該電路還包含一耦合電容23和一增益限制電阻24，該電容23連接到反饋回路上游側(cè)的放大器輸出端，其改變電路的特性，以便抑制低頻和dc信號(hào)，電阻24防止放大器的飽和。分壓器24、25連接在變換器5上游側(cè)電路的輸出端，實(shí)際上，這些電路元件與在EP 0403330中介紹的電路相對(duì)應(yīng)，該EP 0403330提供的信號(hào)與變換器的信號(hào)的積分相對(duì)應(yīng)，沒有寄生效應(yīng)和信號(hào)畸變。
該電流測(cè)量電路構(gòu)成為電量計(jì)的輸入回路的一部分，該電量計(jì)還包含一由含有兩個(gè)電阻26、27的分壓器構(gòu)成的電壓測(cè)量電路4。本發(fā)明的輸入電路不同于EP 0403330中的電路，其區(qū)別在于后者在電壓信號(hào)通道中沒有相位校正元件，電容28的功能僅在于衰減不希望存在的高頻分量。即相位校正元件是由電容29和電阻30構(gòu)成的，它們的功能是與電阻22和31相綜合以校正電流通道的相位，使得電流和電壓通道在模數(shù)變換器的輸入端同相。電流通道還包含一用于衰減不希望存在的高頻分量的電容32。電容28和32是非強(qiáng)制性的，在其他實(shí)施例中可省略。
來自高頻脈動(dòng)信號(hào)電路的信號(hào)被疊加到由變換器3接收的信號(hào)上，并被提供到在點(diǎn)33處的積分電路上。該綜合信號(hào)然后被積分以便產(chǎn)生一代表利用變換器測(cè)量的，由一高頻脈動(dòng)信號(hào)所擾動(dòng)的電流映象的信號(hào)，該高頻脈動(dòng)信號(hào)具有利用一梯形波調(diào)制的三角波的波形。選擇調(diào)制信號(hào)的幅度和該波形的幅度，以便產(chǎn)生一含有三角波信號(hào)30的高頻脈動(dòng)信號(hào)，該三角波信號(hào)具有的幅度對(duì)應(yīng)于在每個(gè)邊界上利用一個(gè)與至少半數(shù)量化級(jí)相對(duì)應(yīng)的幅度調(diào)制的變換器的幾個(gè)量化級(jí)。該信號(hào)然后被提供到模數(shù)變換器的輸入端。如上所述，利用具有這種波形的信號(hào)改進(jìn)了由變換器變換的信號(hào)的分辨率。在變換步驟之后，利用數(shù)字分樣濾波器或其它已知的裝置，例如將模擬高頻脈動(dòng)信號(hào)變換為數(shù)字信號(hào)以及由從表示該電流和高頻脈動(dòng)信號(hào)之合成數(shù)值的信號(hào)中減去這一信號(hào)，可以除去高頻脈動(dòng)信號(hào)。因此計(jì)算的電流和電壓信號(hào)可以用于計(jì)算消耗的能量等。
權(quán)利要求
1.一種電流測(cè)量電路，包含一互感式變換器和一積分電路，該電路對(duì)來自變換器的信號(hào)積分，其特征在于，該測(cè)量電路還包含一高頻脈動(dòng)信號(hào)電路，其在積分電路的輸入端之前，將一基本為矩形波的信號(hào)疊加到來自變換器的信號(hào)上，以便積分電路提供一個(gè)利用一基本上為三角波的高頻脈動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)的。代表被測(cè)電流的信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的電流測(cè)量電路，其中該高頻脈動(dòng)信號(hào)電路提供一經(jīng)一調(diào)制信號(hào)調(diào)制的基本為矩形波的信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的電流測(cè)量電路，其中該基本為矩形波的信號(hào)的產(chǎn)生是利用包含至少一個(gè)鎖存器的開關(guān)裝置，該鎖存器接收一脈寬調(diào)制信號(hào)并且將該信號(hào)分頻，以便產(chǎn)生一基本為矩形的信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的電流測(cè)量電路，其中高頻脈動(dòng)信號(hào)電路包含一積分器，其對(duì)脈寬調(diào)制信號(hào)積分，以便產(chǎn)生一代表調(diào)制信號(hào)的一個(gè)邊界的三角形信號(hào)，將這一信號(hào)提供到開關(guān)裝置，以便產(chǎn)生一僅具有一個(gè)邊界的基本為矩形的信號(hào)，該邊界隨來自積分器的信號(hào)本身變化，該高頻脈動(dòng)信號(hào)電路還包含一濾去低頻分量的濾波器，以便提供一個(gè)被對(duì)稱調(diào)制的矩形信號(hào)。
5.如前述任何一個(gè)權(quán)利要求所述的電流測(cè)量電路，該積分電路包含一具有增益限制電阻和反饋回路的放大器，反饋回路包括一反饋電容，該積分電路還包含一連接在反饋回路上游側(cè)的放大器的輸出端的第二電容。
6.如權(quán)利要求5所述的電流測(cè)量電路，還包含用于校正積分信號(hào)和由變換器接收的信號(hào)之間相位的裝置以及包含一連接到放大器上游側(cè)的無源濾波器。
7.用于電量計(jì)的輸入電路，包含電壓測(cè)量電路和如權(quán)利要求6所述的電流測(cè)量電路，電流測(cè)量電路的無源濾波器對(duì)電流和電壓通道之間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償，使得電壓測(cè)量電路無需改變其相位和無需相位補(bǔ)償元件就能測(cè)量網(wǎng)絡(luò)中的電壓。
全文摘要
一種電流測(cè)量電路，包含互感式變換器3、積分電路2和高頻脈動(dòng)信號(hào)電路1，其在積分電路2的輸入端之前將一方波疊加到來自變換器3的信號(hào)上，以便該積分電路2提供一個(gè)利用三角形高頻脈動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)的表示被測(cè)電流的信號(hào)。
文檔編號(hào)G01R19/00GK1116309SQ95108569
公開日1996年2月7日 申請(qǐng)日期1995年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月1日
發(fā)明者M·杜賓 申請(qǐng)人:施盧默格工業(yè)公司