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(lái)的額外功耗，能夠延長(zhǎng)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(jí)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(guò)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(duì)運(yùn)算能力的要求，減少了翻轉(zhuǎn)率。針對(duì)其運(yùn)算類型和數(shù)據(jù)更新率逐級(jí)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(hào)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(guò)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(duì)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(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了功耗。
　　在計(jì)量性能測(cè)試達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，從已知的工藝條件來(lái)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(wàn)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(duì)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(hào)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(jiǎn)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(guò)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(guò)

4、采樣方法;詳細(xì)介紹了非均勻同步過(guò)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(duì)采樣結(jié)果的影響，確定了采樣過(guò)程在諧波帶寬內(nèi)帶來(lái)的采樣噪聲以及頻譜泄漏的分布和幅度，并確定了采樣過(guò)程對(duì)諧波信號(hào)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(guò)采樣方法利用過(guò)采樣和時(shí)鐘的非均勻特性，降低了對(duì)過(guò)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(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)過(guò)采樣率、過(guò)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(duì)諧波頻譜的調(diào)制影響，保證了非均勻過(guò)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(wú)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(duì)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(lái)的增益衰減進(jìn)行固定補(bǔ)償，從而降低了對(duì)降采樣低通濾波器通帶設(shè)計(jì)指

6、標(biāo)的要求，簡(jiǎn)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(guò)采樣和降采樣帶來(lái)的采樣噪聲和頻譜泄漏幅度均接近或者小于∑-Δ過(guò)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(cè)量誤差。
　　本文還針對(duì)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(hào)恢復(fù)環(huán)路測(cè)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