引言

智能電能表作為智能電網(wǎng)的主要設(shè)備和基礎(chǔ),與傳統(tǒng)電能表相比,其功能已從開始單一的計(jì)量,發(fā)展到分時計(jì)量、階梯計(jì)費(fèi)、電量凍結(jié)、數(shù)據(jù)存儲以及事件記錄等多種復(fù)雜功能,而這些功能均要求智能電能表要精確計(jì)時,這需要電能表具備準(zhǔn)確的RTC(實(shí)時時鐘)。自從兩大電網(wǎng)公司對電能表實(shí)施統(tǒng)一招標(biāo)以來,新的標(biāo)準(zhǔn)增加了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的難度,也帶來了技術(shù)和成本的挑戰(zhàn)。

日計(jì)時誤差是判定時鐘準(zhǔn)確度的一項(xiàng)重要指標(biāo),智能電能表要求在參比溫度及工作電壓范圍內(nèi),時鐘誤差不應(yīng)超過0.5s/d:在工作溫度范圍-25~60℃內(nèi),時鐘準(zhǔn)確度隨溫度的改變量不應(yīng)超過0.1s/(d·℃),在該溫度范圍內(nèi)時鐘誤差不應(yīng)超過1s/d。如何保證在-25~60℃內(nèi)時鐘的準(zhǔn)確度,已成為眾多芯片及電能表廠家研究的課題。

電能表日計(jì)時誤差主要受環(huán)境溫度、補(bǔ)償溫度及晶振器件等的影響,而晶振器件選定及環(huán)境溫度穩(wěn)定后,補(bǔ)償溫度就成為了主要的影響因素。因此,本文對日計(jì)時誤差超差進(jìn)行討論,并對如何進(jìn)行日計(jì)時誤差補(bǔ)償作出一定的分析研究。

1時鐘日計(jì)時誤差分析

實(shí)現(xiàn)時鐘功能的方案一般有兩種:一種是基于諧振器件的時鐘方案,如晶振、陶瓷諧振器等:一種是基于相移電路的時鐘方案,如RC、LC振蕩器等。前者精度高:后者精度相對較低,成本也低。

1.1時鐘誤差影響因素

造成時鐘日計(jì)時誤差的因素較多,從大體上可以歸類為元器件、溫度偏差、工藝制造等三大類,又可對應(yīng)細(xì)分為晶體老化程度、晶體損壞、晶體溫度與芯片溫度有偏差、溫度調(diào)校不一致、三防工藝等等。在眾多的因素中,只有晶體溫度與芯片溫度偏差引起的日計(jì)時誤差不可把控,需要進(jìn)一步研究分析。

1.2晶體溫度與芯片溫度偏差分析

以目前所采用的典型的32.768kHz晶體為例,32.768kHz晶體不能在寬溫范圍內(nèi)提供較高精度,在一定溫度范圍內(nèi)精度呈拋物線型(圖1),特定頻率f和溫度T的典型晶體頻率Af關(guān)系如下:

式中,f為晶體標(biāo)稱頻率:k為曲率常數(shù):T為溫度:T0為頂點(diǎn)溫度:f0是頂點(diǎn)溫度下的相對頻偏。

從32.768kHz晶體拋物線圖可以看出,在20~30℃溫度范圍內(nèi),拋物線頻率變化較小,晶體溫度和芯片溫度溫差影響不大,可以忽略。同時由于晶體外置,表內(nèi)發(fā)熱器件發(fā)熱后導(dǎo)致晶體和芯片感應(yīng)的溫度不同,這個溫差也會影響高低溫下日計(jì)時誤差的精度。當(dāng)晶體實(shí)際溫度為40℃,Af/f=-10×10-6,而若芯片測得溫度為45℃,Af/f=-16×10-6,相差6×10-6×24×60x60=0.518s/d。由圖1也可得出越往溫度兩端,Af/f相差越大。所以在高溫及低溫條件下,日計(jì)時誤差較大,需要在高溫及低溫環(huán)境下進(jìn)行日計(jì)時誤差實(shí)時補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)一種寬溫度范圍內(nèi)高精度的實(shí)時時鐘。

2時鐘日計(jì)時誤差實(shí)時補(bǔ)償

由以上分析可知,實(shí)時時鐘芯片的時間誤差主要來源于時鐘芯片中晶振的頻率誤差,而晶振的頻率誤差主要是由于晶體溫度與芯片溫度不一致引起的。所以,有效地補(bǔ)償溫度偏差對晶振諧振頻率所產(chǎn)生的誤差,是提高時鐘精度的關(guān)鍵。

已知的補(bǔ)償方法中,有晶體諧振頻率誤差補(bǔ)償法,該方法是在晶振諧振頻率隨著溫度的變化存在誤差已知的基礎(chǔ)上,對產(chǎn)生1Hz頻率的分頻計(jì)數(shù)器進(jìn)行補(bǔ)償[6]。該方法通過仿真證明了其在-25~60℃的補(bǔ)償效果,但是實(shí)際試驗(yàn)中效果難以保證。

在晶體溫度與芯片溫度偏差的分析中,可以得出常溫下日計(jì)時誤差可以忽略的結(jié)論,故采用在高低溫條件下實(shí)測計(jì)算補(bǔ)償值,對日計(jì)時誤差值進(jìn)行實(shí)時累加,從而滿足高精度要求。

高低溫條件下,誤差補(bǔ)償修正公式為:

式中,μA為誤差修正量:Tonc=24×60×60為日計(jì)時標(biāo)準(zhǔn)量:Mc為對應(yīng)補(bǔ)償量:α、8為補(bǔ)償系數(shù)。

式中,μi為原始日計(jì)時誤差值:μA(i)為對應(yīng)的誤差修正值:μi'為對應(yīng)的補(bǔ)償后日計(jì)時誤差值。

在高低溫條件下,通過對日計(jì)時誤差進(jìn)行實(shí)時累加得到修正量,從而保證對應(yīng)溫度下的精度,可以實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍的高精度實(shí)時時鐘。

3試驗(yàn)結(jié)果

通過建立的試驗(yàn)環(huán)境,將試驗(yàn)表計(jì)包括補(bǔ)償前的表計(jì)Meter1和補(bǔ)償后的表計(jì)Meter2分別放入高低溫箱中,在高、低溫時預(yù)熱2h,利用時鐘測試儀分別對兩種智能表進(jìn)行日計(jì)時誤差的測試。

3.1高溫結(jié)果

選取60℃條件下Meter1與Meter2各兩組表計(jì)的日計(jì)時誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖2所示。

從圖2中可以明顯得出,未補(bǔ)償時,表計(jì)在高溫條件的誤差偏差較大,當(dāng)累加補(bǔ)償量時,誤差明顯變小,均可以達(dá)到±0.02s/d以內(nèi),精度明顯提高。

3.2低溫結(jié)果

選取-25℃條件下Meter1與Meter2各兩組表計(jì)的日計(jì)時誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,如圖3所示。

從圖3中可以明顯得出,未補(bǔ)償時,表計(jì)在低溫條件的誤差偏差較大,當(dāng)累加補(bǔ)償量時,誤差明顯變小,均可以達(dá)到±0.03s/d以內(nèi),精度明顯提高。

3.3寬溫度范圍結(jié)果

對高溫60℃及低溫-25c補(bǔ)償后,精度明顯提高,此時對Meter1及Meter2表計(jì)分別在-25c到60c之間的溫度進(jìn)行驗(yàn)證,選取-20c、-10c、0c、10c、20c、30c、40℃、50℃等溫度點(diǎn),對比數(shù)據(jù)如圖4所示。

從圖4中可以得出,補(bǔ)償后的表計(jì)Meter2,在選取的溫度點(diǎn)的日計(jì)時誤差,均可以滿足要求,誤差均在±0.04s/d以內(nèi),比Meter1誤差明顯減小。

通過上述高溫60℃、低溫-25℃以及中間溫度點(diǎn)日計(jì)時誤差數(shù)據(jù)的測試對比,可知本文采用的實(shí)時誤差補(bǔ)償方法,在寬溫度范圍內(nèi)能夠有效地提高日計(jì)時精度。

4結(jié)語

通過對影響智能電能表時鐘日計(jì)時誤差因素的分析,指出了晶體溫度與芯片溫度不一致引起的頻率誤差是關(guān)鍵因素,針對此因素確定了日計(jì)時誤差補(bǔ)償?shù)姆较颉Ｓ裳芯糠治黾霸囼?yàn)驗(yàn)證可知,采用的實(shí)時補(bǔ)償法,在提高智能電能表日計(jì)時誤差精度方面有良好的改進(jìn)效果。本文介紹的智能電能表時鐘日計(jì)時誤差補(bǔ)償思路,也可應(yīng)用于其他具有高精度計(jì)時功能的相關(guān)設(shè)備。