电能计量的低功耗集成电路实现及采样方法研究

发布时间：2017-04-28 19:08

  本文关键词：电能计量的低功耗集成电路实现及采样方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：降低电能计量集成电路的功耗可以减少电能表给电网带来的额外功耗,能够延长电能表中备用供电电池的使用时间,提高电能表防窃电的灵敏度,降低电能表的制造成本。 本文从结构级设计的低功耗策略出发,给出了普通电能计量中时域积分算法的一种数字集成电路设计实现方法。通过将时域积分算法转化为多速率数据处理,降低了对运算能力的要求,减少了翻转率。针对其运算类型和数据更新率逐级降低的特点,设计了有专用指令集和专用结构的数字信号运算单元。由多数据率运算状态机进行合理调度,通过复用运算单元,在电路翻转率为33.288%的情况下完成了所有的运算任务。针对运算任务设计所需的运算指令集,减少了冗余电路、简化了电路结构,降低了功耗。 在计量性能测试达到设计指标的前提下,从已知的工艺条件来看,芯片使用0.25μm的工艺,其数字电路消耗的电流与使用0.18μm工艺的当前主流同类芯片的数字电路电流相当,即在同等工艺下,芯片的数字电路功耗将仅有其他芯片的1/2左右。应用此电路设计方法的电能计量集成电路已经商业化并量产数千万片。 现有的关于谐波电能计量方法的研究工作大都集中在对采样数据的后处理上,需要依赖复杂的算法进而需要强大的数字信号处理能力进行实现,运算量大。即使是同步采样的方法,同样存在运算量大或者生成同步采样时钟的电路结构复杂、设计代价大等不足之处。 本文从减少运算量、简化电路结构、降低功耗、适合集成电路设计实现的角度,充分结合过采样模数转换器的结构特点,提出了一种用于谐波电能计量的非均匀同步过采样方法；详细介绍了非均匀同步过采样时钟的产生原理,分析了各个设计参数之间的相互关系以及它们对采样结果的影响,确定了采样过程在谐波带宽内带来的采样噪声以及频谱泄漏的分布和幅度,并确定了采样过程对谐波信号的幅值和相位的调制影响,给出了选择快速傅里叶变换运算点数的方法。 非均匀同步过采样方法利用过采样和时钟的非均匀特性,降低了对过采样时钟频率分辨率的要求,大幅减少了延时单元的个数,简化了电路结构。通过合理设计过采样率、过采样和降采样两个阶段中非均匀采样时钟频率的概率分布以及变化周期,减小了非均匀采样噪声对谐波频谱的调制影响,保证了非均匀过采样时钟是统计意义上跟踪基波频率的同步采样时钟。 采样数据可以作为均匀同步采样序列直接进行快速傅里叶变换,无需消除非均匀采样噪声或者消除频谱泄漏的额外运算,大幅减小了对后续处理运算能力的要求。各次谐波在频谱上的位置也不再随基波频率变化而波动,可以根据算法带来的增益衰减进行固定补偿,从而降低了对降采样低通滤波器通带设计指标的要求,简化了其电路结构,降低了功耗。 在延时单元个数ND=11的情况下,非均匀同步过采样和降采样带来的采样噪声和频谱泄漏幅度均接近或者小于∑-△过采样模数转换器量化噪声的幅度-120dB。若增大ND的值,会得到更小的测量误差。 本文还针对采样时钟的非均匀和同步特性,在传统的正交解调方法的基础上,提出了正交信号恢复环路测量基波频率的方法,消除了非均匀时钟的频率时变等因素的影响。环路控制量不是传统锁相环或者自动频率控制机制中的相位差或者频率差,而是输入信号频率与输出频率值的商。整个测频算法可以等效成为开环系统,提高了环路的稳定性并缩短了环路的响应时间。 滤除谐波与基波差频的滤波器以及环路中的求相位差运算给基波频率的测量带来了一定的局限性。在今后的工作中将对这些问题进行更深入的研究。
【关键词】：低功耗 电能计量集成电路 非均匀同步过采样 正交信号恢复环路
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM933.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 目录10-14
• 1 引言14-20
• 1.1 研究背景14-17
• 1.1.1 普通电能表的低功耗需求14-16
• 1.1.2 谐波电能表的大运算量现状16-17
• 1.2 研究目的17-18
• 1.2.1 低功耗的电能计量运算电路17-18
• 1.2.2 低功耗、低成本的谐波计量方法18
• 1.3 本文结构18-20
• 2 技术背景和传统方法20-40
• 2.1 低功耗技术概述20-22
• 2.2 普通电能计量方法22-26
• 2.3 谐波电能计量方法26-38
• 2.3.1 基于FFT的方法26-30
• 2.3.2 小波包变换的方法30-33
• 2.3.3 基于瞬时无功理论的方法33-35
• 2.3.4 基于非均匀采样的方法35-38
• 2.4 小结38-40
• 3 普通电能计量的电路实现40-92
• 3.1 设计考虑和参数40-41
• 3.1.1 设计考虑40-41
• 3.1.2 设计参数41
• 3.2 功能划分和电路结构41-43
• 3.3 前置处理电路43-45
• 3.4 DCU的运算任务45-50
• 3.4.1 H_A的微分器45-46
• 3.4.2 H_B的积分器46
• 3.4.3 相位滤波器H_C46-47
• 3.4.4 带通滤波器H_D47-48
• 3.4.5 H_E的积分器48
• 3.4.6 H_B的微分器48
• 3.4.7 H_E的微分器48-49
• 3.4.8 功率和有效值计算49
• 3.4.9 其他计算49-50
• 3.5 DCU的电路结构50-70
• 3.5.1 指令集50-53
• 3.5.2 整体结构53-54
• 3.5.3 指令译码单元OPD54-55
• 3.5.4 寄存器组单元REG55-56
• 3.5.5 运算单元ALU56-61
• 3.5.6 存储器接口单元MMU61-63
• 3.5.7 执行控制单元CTRL63-67
• 3.5.8 指令生成单元PROG67-70
• 3.6 能量计数器和电能脉冲产生70-73
• 3.6.1 累加速率与计量变差的关系70-72
• 3.6.2 电路结构72-73
• 3.7 过零点检测73
• 3.8 通信接口73-76
• 3.9 SRAM76-77
• 3.10 时钟、复位、DFT77-80
• 3.11 芯片设计流程和结果80-82
• 3.12 计量测试结果和功耗对比数据82-88
• 3.13 扩展性和移植性88-89
• 3.14 小结89-92
• 4 用于谐波电能计量的非均匀同步过采样方法92-138
• 4.1 设计概述92-93
• 4.2 总体结构93-94
• 4.3 过采样ADC94-96
• 4.4 降采样低通滤波96-97
• 4.5 非均匀同步时钟产生97-121
• 4.5.1 DLL原理98-99
• 4.5.2 DDLL时钟产生电路99-106
• 4.5.3 非均匀和同步机制106-107
• 4.5.4 非均匀采样噪声与M以及R_(DS)的关系107-111
• 4.5.5 频率分辨率与R_(DS)以及N_D的关系111-112
• 4.5.6 d的选择及其对采样噪声和频谱泄漏的影响112-120
• 4.5.7 DDLL总结120-121
• 4.6 非均匀同步过采样对滤波器的影响121-123
• 4.7 仿真分析123-135
• 4.7.1 DDLL输出时钟的频率123-124
• 4.7.2 非均匀采样噪声和频谱泄漏124-128
• 4.7.3 非均匀同步采样对信号幅值和相位的影响128-135
• 4.8 小结135-138
• 5 非均匀同步过采样下的基波频率测量138-152
• 5.1 正交信号恢复环路138-140
• 5.2 降采样低通滤波器H_(FCIC)140-141
• 5.3 正交基波信号恢复141-143
• 5.4 低通滤波器HLPF143-144
• 5.5 频率计算144-145
• 5.6 环路滤波器145-146
• 5.7 非均匀同步过采样对滤波器的影响146-147
• 5.8 仿真分析147-151
• 5.9 小结151-152
• 6 结论和未来工作展望152-156
• 6.1 普通电能计量的电路实现152
• 6.2 用于谐波电能计量的非均匀同步过采样方法152-153
• 6.3 非均匀同步过采样下的基波频率测量153-154
• 6.4 未来工作展望154-156
• 参考文献156-168
• 攻读博士学位期间的主要学术成果168

【参考文献】

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本文编号：333387