電能計(jì)量的低功耗集成電路實(shí)現(xiàn)及采樣方法研究.pdf

1、降低電能計(jì)量集成電路的功耗可以減少電能表給電網(wǎng)帶來的額外功耗，能夠延長電能表中備用供電電池的使用時(shí)間，提高電能表防竊電的靈敏度，降低電能表的制造成本。
　　本文從結(jié)構(gòu)級設(shè)計(jì)的低功耗策略出發(fā)，給出了普通電能計(jì)量中時(shí)域積分算法的一種數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。通過將時(shí)域積分算法轉(zhuǎn)化為多速率數(shù)據(jù)處理，降低了對運(yùn)算能力的要求，減少了翻轉(zhuǎn)率。針對其運(yùn)算類型和數(shù)據(jù)更新率逐級降低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了有專用指令集和專用結(jié)構(gòu)的數(shù)字信號運(yùn)算單元。由多數(shù)據(jù)率運(yùn)

2、算狀態(tài)機(jī)進(jìn)行合理調(diào)度，通過復(fù)用運(yùn)算單元，在電路翻轉(zhuǎn)率為33.288％的情況下完成了所有的運(yùn)算任務(wù)。針對運(yùn)算任務(wù)設(shè)計(jì)所需的運(yùn)算指令集，減少了冗余電路、簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了功耗。
　　在計(jì)量性能測試達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，從已知的工藝條件來看，芯片使用0.25μm的工藝，其數(shù)字電路消耗的電流與使用0.18μm工藝的當(dāng)前主流同類芯片的數(shù)字電路電流相當(dāng)，即在同等工藝下，芯片的數(shù)字電路功耗將僅有其他芯片的1/2左右。應(yīng)用此電路設(shè)計(jì)方法的電能

3、計(jì)量集成電路已經(jīng)商業(yè)化并量產(chǎn)數(shù)千萬片。
　　現(xiàn)有的關(guān)于諧波電能計(jì)量方法的研究工作大都集中在對采樣數(shù)據(jù)的后處理上，需要依賴復(fù)雜的算法進(jìn)而需要強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算量大。即使是同步采樣的方法，同樣存在運(yùn)算量大或者生成同步采樣時(shí)鐘的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)代價(jià)大等不足之處。
　　本文從減少運(yùn)算量、簡化電路結(jié)構(gòu)、降低功耗、適合集成電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的角度，充分結(jié)合過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了一種用于諧波電能計(jì)量的非均勻同步過

4、采樣方法;詳細(xì)介紹了非均勻同步過采樣時(shí)鐘的產(chǎn)生原理，分析了各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)之間的相互關(guān)系以及它們對采樣結(jié)果的影響，確定了采樣過程在諧波帶寬內(nèi)帶來的采樣噪聲以及頻譜泄漏的分布和幅度，并確定了采樣過程對諧波信號的幅值和相位的調(diào)制影響，給出了選擇快速傅里葉變換運(yùn)算點(diǎn)數(shù)的方法。
　　非均勻同步過采樣方法利用過采樣和時(shí)鐘的非均勻特性，降低了對過采樣時(shí)鐘頻率分辨率的要求，大幅減少了延時(shí)單元的個(gè)數(shù)，簡化了電路結(jié)構(gòu)。通過合理設(shè)計(jì)過采樣率、過采樣和降采

5、樣兩個(gè)階段中非均勻采樣時(shí)鐘頻率的概率分布以及變化周期，減小了非均勻采樣噪聲對諧波頻譜的調(diào)制影響，保證了非均勻過采樣時(shí)鐘是統(tǒng)計(jì)意義上跟蹤基波頻率的同步采樣時(shí)鐘。
　　采樣數(shù)據(jù)可以作為均勻同步采樣序列直接進(jìn)行快速傅里葉變換，無需消除非均勻采樣噪聲或者消除頻譜泄漏的額外運(yùn)算，大幅減小了對后續(xù)處理運(yùn)算能力的要求。各次諧波在頻譜上的位置也不再隨基波頻率變化而波動(dòng)，可以根據(jù)算法帶來的增益衰減進(jìn)行固定補(bǔ)償，從而降低了對降采樣低通濾波器通帶設(shè)計(jì)指

6、標(biāo)的要求，簡化了其電路結(jié)構(gòu)，降低了功耗。
　　在延時(shí)單元個(gè)數(shù)ND=11的情況下，非均勻同步過采樣和降采樣帶來的采樣噪聲和頻譜泄漏幅度均接近或者小于∑-Δ過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化噪聲的幅度-120dB。若增大ND的值，會(huì)得到更小的測量誤差。
　　本文還針對采樣時(shí)鐘的非均勻和同步特性，在傳統(tǒng)的正交解調(diào)方法的基礎(chǔ)上，提出了正交信號恢復(fù)環(huán)路測量基波頻率的方法，消除了非均勻時(shí)鐘的頻率時(shí)變等因素的影響。環(huán)路控制量不是傳統(tǒng)鎖相環(huán)或者自動(dòng)頻率控