發(fā)布時(shí)間：2017-04-28 19:08

  本文關(guān)鍵詞：電能計(jì)量的低功耗集成電路實(shí)現(xiàn)及采樣方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：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(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)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(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(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(duì)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(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。 非均勻同步過采樣方法利用過采樣和時(shí)鐘的非均勻特性,降低了對(duì)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(jiǎn)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(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∑-△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(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)頻率控制機(jī)制中的相位差或者頻率差,而是輸入信號(hào)頻率與輸出頻率值的商。整個(gè)測(cè)頻算法可以等效成為開環(huán)系統(tǒng),提高了環(huán)路的穩(wěn)定性并縮短了環(huán)路的響應(yīng)時(shí)間。 濾除諧波與基波差頻的濾波器以及環(huán)路中的求相位差運(yùn)算給基波頻率的測(cè)量帶來了一定的局限性。在今后的工作中將對(duì)這些問題進(jìn)行更深入的研究。
【關(guān)鍵詞】：低功耗 電能計(jì)量集成電路 非均勻同步過采樣 正交信號(hào)恢復(fù)環(huán)路
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM933.4
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 目錄10-14
• 1 引言14-20
• 1.1 研究背景14-17
• 1.1.1 普通電能表的低功耗需求14-16
• 1.1.2 諧波電能表的大運(yùn)算量現(xiàn)狀16-17
• 1.2 研究目的17-18
• 1.2.1 低功耗的電能計(jì)量運(yùn)算電路17-18
• 1.2.2 低功耗、低成本的諧波計(jì)量方法18
• 1.3 本文結(jié)構(gòu)18-20
• 2 技術(shù)背景和傳統(tǒng)方法20-40
• 2.1 低功耗技術(shù)概述20-22
• 2.2 普通電能計(jì)量方法22-26
• 2.3 諧波電能計(jì)量方法26-38
• 2.3.1 基于FFT的方法26-30
• 2.3.2 小波包變換的方法30-33
• 2.3.3 基于瞬時(shí)無功理論的方法33-35
• 2.3.4 基于非均勻采樣的方法35-38
• 2.4 小結(jié)38-40
• 3 普通電能計(jì)量的電路實(shí)現(xiàn)40-92
• 3.1 設(shè)計(jì)考慮和參數(shù)40-41
• 3.1.1 設(shè)計(jì)考慮40-41
• 3.1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)41
• 3.2 功能劃分和電路結(jié)構(gòu)41-43
• 3.3 前置處理電路43-45
• 3.4 DCU的運(yùn)算任務(wù)45-50
• 3.4.1 H_A的微分器45-46
• 3.4.2 H_B的積分器46
• 3.4.3 相位濾波器H_C46-47
• 3.4.4 帶通濾波器H_D47-48
• 3.4.5 H_E的積分器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 功率和有效值計(jì)算49
• 3.4.9 其他計(jì)算49-50
• 3.5 DCU的電路結(jié)構(gòu)50-70
• 3.5.1 指令集50-53
• 3.5.2 整體結(jié)構(gòu)53-54
• 3.5.3 指令譯碼單元OPD54-55
• 3.5.4 寄存器組單元REG55-56
• 3.5.5 運(yùn)算單元ALU56-61
• 3.5.6 存儲(chǔ)器接口單元MMU61-63
• 3.5.7 執(zhí)行控制單元CTRL63-67
• 3.5.8 指令生成單元PROG67-70
• 3.6 能量計(jì)數(shù)器和電能脈沖產(chǎn)生70-73
• 3.6.1 累加速率與計(jì)量變差的關(guān)系70-72
• 3.6.2 電路結(jié)構(gòu)72-73
• 3.7 過零點(diǎn)檢測(cè)73
• 3.8 通信接口73-76
• 3.9 SRAM76-77
• 3.10 時(shí)鐘、復(fù)位、DFT77-80
• 3.11 芯片設(shè)計(jì)流程和結(jié)果80-82
• 3.12 計(jì)量測(cè)試結(jié)果和功耗對(duì)比數(shù)據(jù)82-88
• 3.13 擴(kuò)展性和移植性88-89
• 3.14 小結(jié)89-92
• 4 用于諧波電能計(jì)量的非均勻同步過采樣方法92-138
• 4.1 設(shè)計(jì)概述92-93
• 4.2 總體結(jié)構(gòu)93-94
• 4.3 過采樣ADC94-96
• 4.4 降采樣低通濾波96-97
• 4.5 非均勻同步時(shí)鐘產(chǎn)生97-121
• 4.5.1 DLL原理98-99
• 4.5.2 DDLL時(shí)鐘產(chǎn)生電路99-106
• 4.5.3 非均勻和同步機(jī)制106-107
• 4.5.4 非均勻采樣噪聲與M以及R_(DS)的關(guān)系107-111
• 4.5.5 頻率分辨率與R_(DS)以及N_D的關(guān)系111-112
• 4.5.6 d的選擇及其對(duì)采樣噪聲和頻譜泄漏的影響112-120
• 4.5.7 DDLL總結(jié)120-121
• 4.6 非均勻同步過采樣對(duì)濾波器的影響121-123
• 4.7 仿真分析123-135
• 4.7.1 DDLL輸出時(shí)鐘的頻率123-124
• 4.7.2 非均勻采樣噪聲和頻譜泄漏124-128
• 4.7.3 非均勻同步采樣對(duì)信號(hào)幅值和相位的影響128-135
• 4.8 小結(jié)135-138
• 5 非均勻同步過采樣下的基波頻率測(cè)量138-152
• 5.1 正交信號(hào)恢復(fù)環(huán)路138-140
• 5.2 降采樣低通濾波器H_(FCIC)140-141
• 5.3 正交基波信號(hào)恢復(fù)141-143
• 5.4 低通濾波器HLPF143-144
• 5.5 頻率計(jì)算144-145
• 5.6 環(huán)路濾波器145-146
• 5.7 非均勻同步過采樣對(duì)濾波器的影響146-147
• 5.8 仿真分析147-151
• 5.9 小結(jié)151-152
• 6 結(jié)論和未來工作展望152-156
• 6.1 普通電能計(jì)量的電路實(shí)現(xiàn)152
• 6.2 用于諧波電能計(jì)量的非均勻同步過采樣方法152-153
• 6.3 非均勻同步過采樣下的基波頻率測(cè)量153-154
• 6.4 未來工作展望154-156
• 參考文獻(xiàn)156-168
• 攻讀博士學(xué)位期間的主要學(xué)術(shù)成果168

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 劉林;田進(jìn)軍;劉朝輝;;基于DDS和直接頻率合成技術(shù)的超寬帶捷變頻源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J];兵工學(xué)報(bào);2010年12期

2 吳靜;金海彬;;電網(wǎng)信號(hào)高準(zhǔn)確度頻譜插值測(cè)量算法[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2010年04期

3 文俊,涂大石;對(duì)負(fù)載與諧波及電能計(jì)量問題的分析[J];電測(cè)與儀表;2000年12期

4 高玉凱;張維;;非均勻采樣信號(hào)的頻譜分析方法[J];電測(cè)與儀表;2009年02期

5 郭敏;趙成勇;曹東升;趙靜;孫一瑩;;同步采樣和諧波分析方法的實(shí)現(xiàn)[J];電測(cè)與儀表;2011年04期

6 黃純,彭建春,劉光曄,江亞群;周期電氣信號(hào)測(cè)量中軟件同步采樣方法的研究[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2004年01期

7 周莉,劉開培;電能計(jì)量誤差分析與電能計(jì)費(fèi)問題的討論[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2005年02期

8 溫和;滕召勝;卿柏元;;Hanning自卷積窗及其在諧波分析中的應(yīng)用[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2009年02期

9 張鵬;李紅斌;;一種基于離散小波變換的諧波分析方法[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2012年03期

10 肖帥;孫建波;耿華;吳艦;;基于FPGA實(shí)現(xiàn)的可變模全數(shù)字鎖相環(huán)[J];電工技術(shù)學(xué)報(bào);2012年04期

  本文關(guān)鍵詞：電能計(jì)量的低功耗集成電路實(shí)現(xiàn)及采樣方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：333387