专利名称：数字式电子能量计算装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种数字式电子能量计算装置及其方法，尤其涉及一种利用具有复级乘法与加法演算的装置所进行的电能功率计算方法。
背景技术：
公知用于计算用户使用电力度数与计费方法，主要利用设装在用电户供电端的一感应式交流电表，该感应式交流电表采用机械式轮转滚进方式来计数用电的数值，这种机械式计数方式由齿轮来带动滚动，相对也存在较高的误差率，如制造公差与齿合比的误差，以至所计数出来的用电数值与实际的用电量经常存在极大的差异，因而可能造成供电方或用电户任何一方的误差损失。再者，受电端用户所处环境散布各地，所以此装置的操作温度范围很广，会导致机械式电表装置产生地域性误差，且损坏率很高。
随着电子工业与数字技术的发展与成熟，当然电能表的数字化也成为本领与发展的方向，如公知的一种“数字式交流电表”，仍然以公知感应式交流电表的机械式轮转滚进方式为计数用电数值的基础，不同的是通过光信号为数字输出，或通过网络来传送该计数值；因此在计数上仍存在与公知技术相同的误差率，并未能改进或解决其计数精准度的缺陷。
如美国发明专利第5862069、5745323、5872469及5760619号专利案，其中，美国发明专利第5862069号，公开了一种四相式乘法结构的电能表计算装置与方法，由双通道输入信号中的一输入信号功率，经过低通滤波器滤波与内插器(INTERPOLATOR)的信号处理，产生一输出功率信号与另一输入信号功率同时输入乘法器进行运算，然后将运算后输出的数字功率信号再通过一低通滤波器的滤波处理，取得数字输出功率即为电力耗用的计数值；此种电能计数计算结构与计算方法，虽可获得比公知的感应式交流电能表更精确的计数结果；但无可置疑的，该专利的结构与方法设计，仅对一输入信号功率进行信号处理，且仅为一级乘法演算，对于电能计数的演算精确性能有待进一步的提高，以更能确使供电方或用电户双方都可以更精确的根据所供应电量或实际使用电量来计算电价，求取双方的公平性与降低无谓误差所造成的任一方的损失。
本发明的内容本发明的主要目的在于解决传统电能表所存在的缺陷，本发明将数字式电能表重新设计后，让数字式电能表在计算上更加精确。
为了实现上述目的，本发明的数字式电子能量计算装置及其方法，主要利用一第一逻辑演算单元，耦合第三低通滤波单元，将由双通道输入的第一输入信号与第二输入信号进行第一级逻辑演算，并输出一数字信号；以及利用第二逻辑演算单元，将经第一及第二低通滤波单元处理的双通道输入的第一输入信号与第一输入信号进行第二级逻辑演算并输出另一数字信号；将所述两逻辑演算单元演算输出的数字信号耦合输入一第三逻辑演算单元演算，产生一与输入信号乘积呈正比的数字功率信号输出。
本发明能够更加精的确计算电能使用量。
附图的简要说明
图1为本发明一具体实施例的结构方框图。
图2为本发明一具体实施例的计算流程图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下11-第一输入通道12-第二输入通道21-第一信号转换单元22-第二信号转换单元31-第一降频滤波单元32-第二降频滤波单元41-第一逻辑演算单元42-第二逻辑演算单元51-第一低通滤波单元52-第二低通滤波单元53-第三低通滤波单元61-第三逻辑演算单元
700～714-流程具体实施方式
图1为本发明一优选实施例的数字式电子能量计算装置的结构方框图。如图1所示，包括第一及第二输入通道11、12；第一及第二信号转换单元21、22；第一及第二降频滤波单元31、32；一第一逻辑演算单元41；第一及第二低通滤波单元51、52；一连接第一逻辑演算单元41输出端的低通滤波单元53；一第二逻辑演算单元42以及一第三逻辑演算单元61。其中，第一输入通道11为获取模拟的电压实时信号为第一输入信号；第二输入通道12为获取模拟的电流实时信号为第二输入信号。
第一及第二信号转换单元21、22，分别由输入端耦合取得第一输入通道11与第二输入通道12输入的模拟实时信号，用于将模拟信号转换为数字信号，并分别作为两降频滤波单元31、32的输入信号。
第一及第二信号转换单元21、22分别进行信号转换运作，其取样频率与输出数据传输率相同，即可将任何输入的模拟信号转换成1比特(bit)数字信号输出，且该输出的信号将完全表示输入信号。当然，两个信号转换单元21、22的取样频率与输出数据传输率也相同。
第一及第二降频滤波单元31、32的输入端分别与两个信号转换单元21、22耦合连接，用于滤除噪声，并将输入的1比特数字信号转换为n-比特数字信号输出；其中，第一降频滤波单元31的输出信号成为第一逻辑演算单元41的一输入端以及第一低通滤波单元51的输入信号；第二降频滤波单元32的输出信号成为第一逻辑演算单元41的另一输入端以及第二低通滤波单元51的输入信号。
第一及第二降频滤波单元31、32用于执行降频演算的降频因子，等于上述输入信号的取样频率与输出数据传输率比值，并以2补码的逻辑运算方式进行降频演算。第一及第二降频滤波单元31、32，由其降频因子分别将第一及第二信号转换单元21、22的输出进行降频处理，使第一及第二降频滤波单元31、32的输出数据传输率与第一及第二信号转换单元21、22的输入取样频率产生不同。第一及第二降频滤波单元31、32采用相同的降频因子。
第一逻辑演算单元41，在本发明具体实施例中采用一数字乘法器，其一输入端耦合连接第一降频滤波单元31的输出端，用于输入由第一降频滤波单元31输出的第一信号转换单元21的输出信号；另一输入端耦合连接第二降频滤波单元32的输出端，用于输入由第二降频滤波单元32输出的第二信号转换单元22的输出信号，以进行两数字功率信号的乘法演算，并输出一数字信号。
第三低通滤波单元53，耦合连接第一逻辑演算单元41的输出端，以取得经乘法演算后的数字信号，并对该数字信号进行滤波并输出，作为第三逻辑演算单元61的一输入信号。
第一及第二低通滤波单元51、52的输入端分别与两个降频滤波单元31、32的输出端耦合连接，并分别对两个降频滤波单元31、32的输出信号进行滤波并输出，作为第二逻辑演算单元42之两输入信号。
第一及第二低通滤波单元51、52，在一具体实施例中，采用无限脉冲暂存式低通滤波单元耦合连接使用，其内部包括有多个加法器，用于执行输入信号、顺向导入信号及逆向回授信号的加法运算，且为第三逻辑演算单元61的加法器前均需由一数字乘法器进行信号的演算，并由该数字乘法器的演算输出结果作为其相对耦合连接的加法器的一输入端。
第一、第二及第三低通滤波单元51、52、53，其各自的输入取样频率与输出数据传输率相同。同时第一、第二及第三低通滤波单元51、52、53的输入取样频率也相同。
一第二逻辑演算单元42，在本发明具体实施例中采用一数字乘法器，耦合演算第一及第二低通滤波单元51、52的滤波输出信号，并产生一乘法演算的数字信号并输出，作为第三逻辑演算单元61的另一输入信号。
第一逻辑演算单元41与第二逻辑演算单元42的演算执行，将由输入端输入的信号暂存于一缓存器中，再由移位缓存器及单一位加法器执行数字乘法器的运算。第一逻辑演算单元41与第二逻辑演算单元42，其各自的输入取样频率与输出数据传输率相同。
一第三逻辑演算单元61，耦合连接第三低通滤波单元53的输出端，其将第一逻辑演算单元41输出的乘法信号经滤波处理，以及第二逻辑演算单元42输出的乘法信号，经减法功能演算，输出一与输入实时信号乘积呈正比的数字功率信号并输出。
第三逻辑演算单元61的演算，采用单一位执行串接式加法演算，以产生和位位及进位位，以提供与下一位执行加法演算。
根据本发明实施例的数字式电子能量计算装置的结构。以下由图2来说明一具体实施例的本发明的数字式电能表的计算方法的计算运作流程。该数字式电能表的计算方法包括由第一及第二输入通道11、12获取模拟的第一输入信号与第二输入信号700。
将两个输入通道11、12获取的第一输入信号与第二输入信号，分别经相应耦合连接的第一及第二信号转换单元21、22进行信号频域模式转换为数字信号并输出702。
由耦合连接第一及第二信号转换单元21、22输出端的第一及第二降频滤波单元31、32对第一及第二信号转换单元21、22的输出信号进行噪声滤除704。
根据第一及第二降频滤波单元31、32的信号输出，分别由其第一输出路径输出至与其耦合连接的第一逻辑演算单元41的输入端，以进行两信号的乘法演算，并输出一数字信号706。
第一逻辑演算单元41输出的数字信号，输入与第一逻辑演算单元41耦合连接的第三低通滤波单元53，产生一滤波的数字信号并输出至第三逻辑演算单元708。
根据第一及第二降频滤波单元31、32的信号输出，分别由其第二输出路径输出至与其耦合连接的第一及第二低通滤波单元51、52的输入端，产生经滤波的信号分别输入至第二逻辑演算单元42进行演算710。
第二逻辑演算单元42输出的数字信号，耦合输入第三逻辑演算单元53的另一输入端712。
由第三逻辑演算单元61，根据第一逻辑演算单元41输入的数字信号，耦合第二逻辑演算单元42输出的数字信号，执行一减法功能运算，产生一与输入信号乘积呈正比的数字功率信号并输出714，得以更精确计算电能使用量。
权利要求
1.一种数字式电子能量计算装置，其特征在于，所述装置至少包括第一及第二输入通道，用于获取模拟的第一输入信号与第二输入信号；第一及第二信号转换单元，其输入端分别耦合连接所述第一输入通道与第二输入通道的输出端，用于将模拟信号转换为数字信号，并作为降频滤波单元的输入信号；第一及第二降频滤波单元，分别耦合连接所述第一及第二信号转换单元，产生滤除噪声的输出信号；一个第一逻辑演算单元，其两输入端分别耦合连接第一信号转换单元与第二信号转换单元的输出端，以取得其输出信号进行逻辑演算；一第三低通滤波单元，耦合连接所述第一逻辑演算单元的输出端，将由所述第一逻辑演算单元输入的数字信号滤波并输出，作为第三逻辑演算单元的一输入信号；第一及第二低通滤波单元，其输入端分别耦合连接所述第一及第二降频滤波单元的输出端，并分别将由第一及第二降频滤波单元输入的信号滤波并输出，作为第二逻辑演算单元的输入信号；一第二逻辑演算单元，耦合演算所述第一及第二低通滤波单元的滤波输出信号，并产生一数字信号输出作为第三逻辑演算单元的另一输入信号；一第三逻辑演算单元，耦合所述第一逻辑演算单元输出的数字信号以及第二逻辑演算单元输出的数字信号，经减法功能演算，输出一与输入信号匹配的数字功率信号输出。
2.如权利要求1所述的数字式电子能量计算装置，其特征在于所述第一输入信号与第二输入信号为分别为电压与电流的模拟实时信号。
3.如权利要求1所述的数字式电子能量计算装置，其特征在于所述第一信号转换单元的取样频率与输出数据传输率相同；第二信号转换单元的取样频率与输出数据传输率相同；所述第一及第二信号转换单元的取样频率与输出数据传输率相同。
4.如权利要求1所述的数字式电子能量计算装置，其特征在于所述第一降频滤波单元的降频因子等于所述输入信号的取样频率与输出数据传输率比值；所述第二降频滤波单元的降频因子等于所述输入信号的取样频率与输出数据传输率比值；所述第一及第二降频滤波单元的降频因子相同；所述第一降频滤波单元的输出数据传输率与第一信号转换单元的输入取样频率不同；而所述第二降频滤波单元的输出数据传输率与第二信号转换单元的输入取样频率不同；所述的第一及第二降频滤波单元分别以2补码的逻辑运算方式进行降频演算。
5.如权利要求1所述的数字式电子能量计算装置，其特征在于所述第一及第二低通滤波单元采用无限脉冲暂存式低通滤波单元耦合连接使用，其内部包括多个加法器，用于执行输入信号、顺向导入信号及逆向回授信号的加法运算；所述的多个加法器的输入端分别耦合连接一数字乘法器的演算结果输出端。
6.如权利要求1所述的数字式电子能量计算装置，其特征在于所述第一低通滤波单元的输入取样频率与输出数据传输率相同；第二低通滤波单元的输入取样频率与输出数据传输率相同；第三低通滤波单元的输入取样频率与输出数据传输率相同；所述第一、第二及第三低通滤波单元为相同的取样频率。
7.如权利要求1所述的数字式电子能量计算装置，其特征在于所述第一逻辑演算单元与第二逻辑演算单元分别包括有一缓存器暂存输入端输入的信号以及由一移位缓存器及单一位加法器，执行数字乘法运算。
8.如权利要求1所述的数字式电子能量计算装置，其特征在于所述第一逻辑演算单元的输入取样频率与输出数据传输率相同；所述第二逻辑演算单元的输入取样频率与输出数据传输率相同。
9.如权利要求1所述的数字式电子能量计算装置，其特征在于所述第三逻辑演算单元，采用单一位执行串接式加法演算，以产生和位位及进位位，以提供与下一位执行加法演算。
10.一种数字式电子能量计算方法，其特征在于，所述方法包括由两个平行输入通道用以获取模拟的输入信号；将所述两个输入通道获取的模拟输入信号，分别经耦合连接的第一及第二信号转换单元进行信号频域模式转换为数字信号输出；由耦合连接所述第一及第二信号转换单元输出端的第一及第二降频滤波单元进行噪声滤除；根据所述第一及第二降频滤波单元的信号输出，分别由其第一输出路径输出至耦合连接的第一逻辑演算单元的输入端，以进行两信号的逻辑演算，并输出一数字信号；所述第一逻辑演算单元输出的数字信号，耦合输入第三低通滤波单元，产生一经滤波的数字信号并输出至第三逻辑演算单元；根据所述第一及第二降频滤波单元的信号输出，分别由其第二输出路径输出至耦合连接的第一及第二低通滤波单元的输入端，产生经滤波的信号并分别输入至第二逻辑演算单元进行演算；所述第二逻辑演算单元输出的数字信号，耦合输入第三逻辑演算单元的另一输入端；由第三逻辑演算单元，根据所述第一逻辑演算单元输入的数字信号，耦合第二逻辑演算单元输出的数字信号，执行运算产生一与输入信号匹配的数字功率信号输出。
全文摘要
一种数字式电子能量计算装置及其方法，主要利用双通道输入的电压与电流信号进行第一级逻辑演算，并输出一数字信号，并耦合至第三低通滤波单元；以及利用第二逻辑演算单元，将经第一及第二低通滤波单元处理的双通道输入的电压与电流信号，进行第二级逻辑演算并输出另一数字信号；将上述两逻辑演算单元演算输出的数字信号耦合输入一第三逻辑演算单元，产生一与输入信号乘积呈正比的数字功率信号输出，得以更精确计算电能使用量。
文档编号G01R22/00GK1776438SQ20041008868
公开日2006年5月24日 申请日期2004年11月15日 优先权日2004年11月15日
发明者袁国元, 黄一洲, 容绍泉 申请人:富晶半导体股份有限公司