專(zhuān)利名稱(chēng)：電子設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生電力信號(hào)Pav的電子設(shè)備，Pav是從供給正弦形電壓Vs的電壓源VB中得到的平均電量的測(cè)量值。
這樣的電子設(shè)備是公知的，而且通常包含一個(gè)乘法器。該乘法器的運(yùn)行建立在乘法運(yùn)算法則的基礎(chǔ)上。現(xiàn)有的乘法運(yùn)算法則，其中有，“三角平均乘數(shù)法”，“時(shí)間分割乘數(shù)法”，“四分之一方乘數(shù)法”，“可變互導(dǎo)乘數(shù)法”以及一種依次包含“取樣”，“A/D轉(zhuǎn)換”，和“數(shù)字乘法”的運(yùn)算法則。這些運(yùn)算法則記載在，例如，“Greame J.G.和Tobey G..E，運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，McGraw-Hill，1971，pp.273-276”和“Rogers A.E.，工程設(shè)計(jì)中的模擬運(yùn)算，McGraw-Hill，1960，pp.22-28”中。
這些已有的乘法運(yùn)算法則中的任何一條在產(chǎn)生電力信號(hào)的電子設(shè)備上的應(yīng)用都具有以下缺陷有限的精確性，溫度靈敏度，電子電路的復(fù)雜性和由此而來(lái)的高成本。至于應(yīng)用的后面的運(yùn)算法則，尤其明顯的是，在低“取樣速率”，特別在電壓和電流之間發(fā)生相移或電流的形狀充分偏離正弦波形的情況下，是非常不精確的。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種由于自身結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單因而加工制作比較便宜，并且能夠產(chǎn)生電壓源VB輸出電量的比較精確量度的電力信號(hào)的電子設(shè)備。
為了達(dá)到該目的，一種如開(kāi)始的段落中所述的電子設(shè)備包括-用于產(chǎn)生電壓Vs有效值量度信號(hào)U的電路部分I，-用于產(chǎn)生與正弦形電壓Vs同相的方波電壓Vb的電路部分II，-用于產(chǎn)生電壓源VB輸出的電流Is和方波電壓Vb之乘積Q的量度信號(hào)的電路部分III，-用于產(chǎn)生信號(hào)Q的平均值的量度信號(hào)Qav的電路部分IV，和-用于產(chǎn)生信號(hào)Qav和信號(hào)U之乘積的量度信號(hào)的電路部分V，由電路部分V生成的信號(hào)形成電力信號(hào)Pav。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備能夠具體實(shí)施，所以比較簡(jiǎn)單。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備能夠產(chǎn)生電壓源VB輸出電量的非常精確量度電力信號(hào)，所述電力信號(hào)另外還有很高的溫度獨(dú)立性。
如果電壓源VB輸出的電流Is是正弦波形而且與電壓Vs同相，同時(shí)如果方波電壓VB僅在正弦形電壓Vs也等于零的瞬時(shí)才等于零，則電力信號(hào)Pav與電壓源輸出的電量是成正比的。然而，通常從電壓源Vb采集的電流Is不是正弦波形但是可以用傅立葉分析描繪成無(wú)窮個(gè)正弦項(xiàng)的總和，第一項(xiàng)的頻率等于正弦形電壓Vs的頻率，其他項(xiàng)的頻率為正弦形電壓Vs的頻率的倍數(shù)。相應(yīng)地，方波電壓Vb能夠用所述的傅立葉分析描繪成無(wú)窮個(gè)正弦項(xiàng)的總和。但是，由于方波電壓的對(duì)稱(chēng)性，該總和僅包含頻率為正弦形電壓Vs頻率的奇數(shù)倍的項(xiàng)。由此可以導(dǎo)出電流Is與方波電壓Vb的乘積P可以表示為無(wú)窮項(xiàng)的和，其中每一項(xiàng)為兩個(gè)正弦函數(shù)的乘積。僅當(dāng)該乘積中的兩個(gè)正弦函數(shù)具有相同的頻率時(shí)，乘積P的相關(guān)項(xiàng)才具有一個(gè)有限的平均值。于是能夠算術(shù)地導(dǎo)出，在電流Is是非正弦形的和方波電壓Vb僅當(dāng)正弦形電壓Vs也等于零才等于零的情況下，電力信號(hào)Pav能夠表示為無(wú)窮項(xiàng)的總和，方波電壓Vb的每一項(xiàng)服從于電力信號(hào)Pav的項(xiàng)。電力信號(hào)Pav的第一項(xiàng)代表電壓源VB的輸出電量。根據(jù)電壓源VB輸出的電流的形狀，Pav的第二項(xiàng)和更高項(xiàng)將對(duì)Pav的值作出比較大的，或稍微大的貢獻(xiàn)。換句話說(shuō)，由于電流Is的形狀更多地偏離了正弦波形，Pav的值會(huì)更多地偏離代表電壓源VB輸出電量的Pav的第一項(xiàng)。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在上文所述的方式下產(chǎn)生的電力信號(hào)Pav在許多實(shí)際應(yīng)用中是輸出電量十分精確的量度。然而，如果電力信號(hào)Pav的第二項(xiàng)和更高項(xiàng)導(dǎo)致表現(xiàn)出了不十分精確的電量輸出，則第二項(xiàng)，如果需要，還有任意數(shù)量的Pav的更高項(xiàng)就能夠被零化。要達(dá)到該目的，就要在電壓Vs等于零的瞬時(shí)和其他瞬時(shí)方波電壓Vb都等于零的方式下，通過(guò)改變方波電壓Vb的圖形。為了達(dá)到這個(gè)目的，方波電壓Vb在每半個(gè)周期內(nèi)變?yōu)榱鉔+1次，其中N是一個(gè)偶數(shù)，在方波電壓Vb為零的瞬時(shí)相應(yīng)的相位角αm由下面公式表示αm＝π-αN-m+1and(4/n.π).(1+Σm=1N/2(-1)mcosn.αm)=0,]]>其中m是一個(gè)自然數(shù)，n是一個(gè)大于或等于3的奇數(shù)。第二個(gè)公式等號(hào)左邊的表達(dá)式是方波電壓Vb中的一個(gè)項(xiàng)的振幅。如上文中所述，該方波電壓僅包括頻率為電壓Vs頻率的奇數(shù)倍的項(xiàng)。因此，對(duì)于n＝3，第二個(gè)公式等號(hào)左邊的表達(dá)式等于方波電壓Vb的第二項(xiàng)的振幅。對(duì)于n＝5，該表達(dá)式等于第三項(xiàng)的振幅，等等。如果所述公式中n＝3，則相位角α1＝20°，α2＝160°。也就是說(shuō)，如果方波電壓Vb的圖形這樣選擇，就是在各半個(gè)周期內(nèi)，所述方波電壓不僅在相位角0°和180°時(shí)變?yōu)榱愣以谙辔唤?0°和160°時(shí)也變?yōu)榱?，則獲得描述方波電壓Vb的項(xiàng)的總和中的第二項(xiàng)等于零。結(jié)果，電力信號(hào)Pav的第二項(xiàng)也等于零。于是，代表電壓源VB輸出電量的Pav的第一項(xiàng)與電力信號(hào)Pav的(總)值之間的差別，在這時(shí)比在方波電壓Vb僅當(dāng)Vs等于零才于零的情況下時(shí)的差別小。相應(yīng)地，通過(guò)引入上述公式中當(dāng)n＝5時(shí)所獲得的相位角的零軸交叉點(diǎn)，方波電壓Vb的零軸交叉點(diǎn)的數(shù)量能夠進(jìn)一步增加。于是在描述方波電壓Vb的項(xiàng)的總和中，第二和第三項(xiàng)就等于零了。結(jié)果，電力信號(hào)Pav的第二和第三項(xiàng)也等于零。因此，代表電壓源VB輸出電量的Pav的第一項(xiàng)與電力信號(hào)Pav的值之間的差別進(jìn)一步減少。換句話說(shuō)，代表電壓源VB實(shí)際輸出電量的電力信號(hào)Pav的第一項(xiàng)與電力信號(hào)Pav的(總)值之間的差別能夠通過(guò)增加方波電壓Vb的零軸交叉點(diǎn)的數(shù)量減少至任何值。實(shí)際上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)從描述方波電壓Vb的項(xiàng)的總和中排除第二項(xiàng)或，至多排除第二和第三項(xiàng)，在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)使電力信號(hào)Pav的第一項(xiàng)與電力信號(hào)Pav的總值之間的差別非常小。
根據(jù)本發(fā)明的其中電路部分I包括一個(gè)整流器和一個(gè)低通濾波器的電子設(shè)備的具體實(shí)施例，和其中電路部分IV包括一個(gè)低通濾波器的具體實(shí)施例會(huì)獲得令人滿(mǎn)意的效果。
在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)非常簡(jiǎn)單因而非常便宜的電子設(shè)備的實(shí)施例中，電路部分II和電路部分III包括-一個(gè)開(kāi)關(guān)元件，和-與開(kāi)關(guān)元件的控制電極相耦合，當(dāng)方波電壓Vb為零時(shí)如果相位角αm有一值時(shí)，使開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通或不導(dǎo)通的控制電路。
這樣一個(gè)控制電路是能夠得到的，例如，通過(guò)利用一個(gè)其中當(dāng)開(kāi)關(guān)元件必須導(dǎo)通或不導(dǎo)通時(shí)相位角αm的值確定在微處理器中的記憶形成部分中的微處理器。
根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備能夠非常合適地形成一個(gè)具有電路部分VI的電量輸出電路部分，電路部分VI用于從正弦形電壓Vs中產(chǎn)生能夠帶動(dòng)負(fù)載的電流。負(fù)載可能是，例如，一個(gè)燈泡。
本發(fā)明的這些和其他方面將參照下文中所描述的實(shí)施例予以闡明并顯現(xiàn)出來(lái)。
在附圖中

圖1顯示了一個(gè)電量輸出電路，它具有根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備的實(shí)施例和用于從正弦形電壓Vs中產(chǎn)生能夠負(fù)載燈泡的電流的電路部分。圖1還顯示出了連接在該電量輸出電路上的一個(gè)燈泡，和圖2顯示了由圖1中所示的電量輸出電路中的一個(gè)部分產(chǎn)生的方波電壓的圖形。
圖1中，K1和K2是連接在輸出正弦形輸出電壓的電壓源VB上的輸入端。輸入端K1連接到用于從電壓源VB輸出的正弦形電壓Vs中產(chǎn)生能夠負(fù)載燈泡的電流的電路部分VI的第一輸入點(diǎn)。輸入端K2，通過(guò)經(jīng)由一個(gè)連接到電路部分VI的第二輸入點(diǎn)的歐姆電阻器形成的傳感器SE形成。燈泡La將電路部分VI的第一輸出點(diǎn)與電路部分VI的第二輸出點(diǎn)連接起來(lái)。輸入端K1還連接到比較器COMP的第一輸入點(diǎn)和整流器DB的第一輸入點(diǎn)，整流器DB由，例如一個(gè)二極管橋形成。比較器COMP的第二輸入點(diǎn)連接到接地端。比較器COMP的一個(gè)輸出點(diǎn)連接到微處理器MP的第一輸入點(diǎn)。輸入端K2連接到整流器DB的第二輸入點(diǎn)。整流器DB的第一輸出點(diǎn)經(jīng)由歐姆電阻器R7連接到運(yùn)算放大器OA1的第一輸入點(diǎn)。整流器DB的第二輸出點(diǎn)連接到接地端。運(yùn)算放大器OA1的第二輸入點(diǎn)也連接到接地端。運(yùn)算放大器OA1的第一輸入點(diǎn)通過(guò)經(jīng)由歐姆電阻器R8連接到運(yùn)算放大器OA1的一個(gè)輸出點(diǎn)。歐姆電阻器R8通過(guò)電容器C2分流。整流器DB，運(yùn)算放大器OA1，歐姆電阻器R7和R8，以及電容器C2共同組成一個(gè)用于產(chǎn)生電壓Vs有效值的測(cè)量信號(hào)U的電路部分I。運(yùn)算放大器OA1，歐姆電阻器R7和R8以及電容器C2共同組成一個(gè)低通濾波器。運(yùn)算放大器OA1的輸出點(diǎn)還連接到微處理器MP的第二輸入點(diǎn)。一連串歐姆電阻器R1，R3和R4的排列將運(yùn)算放大器OA2的第一輸入點(diǎn)與運(yùn)算放大器OA2的第二輸入點(diǎn)連接起來(lái)。歐姆電阻器R1和R3的一個(gè)連接點(diǎn)連接到傳感器SE的一個(gè)末端。歐姆電阻器R3和R4的一個(gè)連接點(diǎn)通過(guò)開(kāi)關(guān)元件S連接到接地端。運(yùn)算放大器OA2的第一輸入點(diǎn)通過(guò)歐姆電阻器R2連接到運(yùn)算放大器OA2的一個(gè)輸出點(diǎn)。如圖1所示的實(shí)施例中，R1的電阻值選為R2的值。運(yùn)算放大器OA2的輸出點(diǎn)通過(guò)歐姆電阻器R5連接到運(yùn)算放大器OA3的第一輸入點(diǎn)。運(yùn)算放大器OA3的第二輸入點(diǎn)連接到接地端。運(yùn)算放大器OA3的第一輸入點(diǎn)通過(guò)歐姆電阻器R6連接到運(yùn)算放大器OA3的一個(gè)輸出點(diǎn)。歐姆電阻器R6通過(guò)電容器C1分流。運(yùn)算放大器OA3的輸出點(diǎn)連接到微處理器MP的第三輸入點(diǎn)。微處理器MP的第一輸出點(diǎn)連接到開(kāi)關(guān)元件S的一個(gè)控制電極。微處理器MP，開(kāi)關(guān)元件S，運(yùn)算放大OA2以及歐姆電阻器R1，R2，R3和R4，在該實(shí)施例中，共同組成了用于產(chǎn)生方波電壓的電路部分II和用于產(chǎn)生測(cè)量電壓源VB輸出的電流Is與方波電壓之乘積Q的信號(hào)的電路部分III。歐姆電阻器R5和R6，電容器C1和運(yùn)算放大器OA3共同組成了一個(gè)低通濾波器，在該例中，低通濾波器形成了一個(gè)用于產(chǎn)生測(cè)量信號(hào)Q的平均值的信號(hào)Qav的電路部分IV。微處理器MP的第二輸出點(diǎn)連接到電路部分VI的第三輸入點(diǎn)。
圖1中的實(shí)施例的操作過(guò)程如下。
如果輸入端K1和K2連接到產(chǎn)生正弦形電壓Vs的供電電壓源VB，則電路部分VI從電壓源VB采集電流Is并產(chǎn)生電流流經(jīng)燈泡La。比較器COMP輸出的信號(hào)在正弦形電壓Vs的每個(gè)零軸交叉點(diǎn)從高變到低，或相反。該信號(hào)也出現(xiàn)在微處理器MP的第一輸入點(diǎn)。在所述微處理器的第二輸入點(diǎn)，出現(xiàn)由電路部分I產(chǎn)生的正弦形電壓Vs有效值的量度信號(hào)U。在歐姆電阻器R1和R3的連接點(diǎn)，出現(xiàn)與電流Is的瞬時(shí)值成比例的信號(hào)。這個(gè)信號(hào)乘以頻率與電壓Vs的頻率相同的且相位與微處理器第一輸入點(diǎn)的信號(hào)同相因此也與Vs同相的方波電壓。該乘積能夠歸因于這樣的事實(shí)，就是在方波電壓各個(gè)周期的預(yù)定瞬時(shí)微處理器使開(kāi)關(guān)元件S導(dǎo)通或不導(dǎo)通。這些預(yù)定瞬時(shí)由微處理器中的記憶形成部分中提供的表格來(lái)定義。對(duì)于每一個(gè)所述的預(yù)定瞬時(shí)，方波電壓都有一個(gè)零軸交叉點(diǎn)。要注意的是在電流Is是正弦波形的情況下，比較器COMP輸出點(diǎn)的信號(hào)能直接用做開(kāi)關(guān)元件S的控制信號(hào)。電流Is與方波電壓Vb的乘積瞬時(shí)值的量度信號(hào)Q，出現(xiàn)在運(yùn)算放大器OA2的輸出點(diǎn)。信號(hào)Qav通過(guò)電路部分IV由信號(hào)Q生成，所述信號(hào)Qav是信號(hào)Q的平均值的測(cè)量值，它出現(xiàn)在運(yùn)算放大器OA3的輸出點(diǎn)和微處理器MP的第三輸入點(diǎn)。微處理器通過(guò)將信號(hào)U和信號(hào)Qav相乘，產(chǎn)生測(cè)量電壓源VB輸出的平均電量的電力信號(hào)Pav。要注意的是信號(hào)U和信號(hào)Qav是不隨時(shí)間發(fā)生很大變化的直流信號(hào)，所以用簡(jiǎn)單的方法就能得到該乘積，且微處理器的低“采樣速率”是足夠的。電力信號(hào)Pav由無(wú)窮項(xiàng)組成，第一項(xiàng)代表電壓源VB輸出的電量。通過(guò)配合方波的形狀，減少代表電壓源VB輸出電量的電力信號(hào)Pav的第一項(xiàng)與任何想得到的信號(hào)Pav的值之間的差別就成為可能。當(dāng)方波電壓具有與下面相應(yīng)相位角αm的瞬時(shí)相符合的零軸交叉點(diǎn)時(shí)，這就能通過(guò)選擇預(yù)定瞬時(shí)的數(shù)量來(lái)獲得αm＝π-αN-m+1and(4/n.π).(1+Σm=1N/2(-1)mcosn.αm)=0,]]>其中m是一個(gè)自然數(shù)，n是一個(gè)大于或等于3的奇數(shù)，N+1是每半個(gè)周期內(nèi)方波電壓VB的零軸交叉點(diǎn)的數(shù)量。
通過(guò)微處理器Pav的值與作為想得到的輸出電量值的測(cè)量值的參考信號(hào)相比較，微處理器生成根據(jù)該比較結(jié)果得到的控制信號(hào)。該控制信號(hào)出現(xiàn)在微處理器的第二輸出點(diǎn)和電路部分VI的第三輸入點(diǎn)。在控制信號(hào)的影響下，電路部分VI的運(yùn)行狀態(tài)不斷地與Pav值基本上等于想得到的輸出電量值的狀態(tài)相適應(yīng)。
圖2中，相位角的度數(shù)沿著橫軸劃分，任意單元的電壓沿著縱軸劃分。圖2顯示了當(dāng)N的值＝2時(shí)方波電壓Vb的圖形。通過(guò)上述公式，可以容易地導(dǎo)出方波電壓Vb的圖形在對(duì)應(yīng)于相位角0°，20°，160°，180°，200°，340°和360°的瞬時(shí)具有零軸交叉點(diǎn)。如果該方波電壓的圖形在對(duì)應(yīng)于這些相位角的瞬時(shí)通過(guò)使開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通或不導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)，則得到信號(hào)Pav的第二項(xiàng)等于零。如上所述，信號(hào)Pav的任意個(gè)項(xiàng)可以通過(guò)適應(yīng)方波電壓Vb的圖形減少至零。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生電力信號(hào)Pav的電子設(shè)備，該信號(hào)是經(jīng)由電壓源VB的電極，從輸出正弦形電壓Vs的電壓源VB中得到的平均電量的量度，該電子設(shè)備具有-用于產(chǎn)生電壓Vs有效值的量度信號(hào)U的電路部分I，-用于產(chǎn)生與正弦形電壓Vs同相的方波電壓Vb的電路部分II，-用于產(chǎn)生電壓源VB輸出的電流Is和方波電壓Vb之乘積Q的量度的信號(hào)的電路部分III，-用于產(chǎn)生信號(hào)Q的平均值的量度的信號(hào)Qav的電路部分IV，和-用于產(chǎn)生信號(hào)Qav和信號(hào)U之乘積的量度的信號(hào)的電路部分V，由電路部分V生成的信號(hào)形成電力信號(hào)Pav。
2.如權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備，其中方波電壓Vb僅在正弦形電壓Vs等于零的瞬時(shí)等于零。
3.如權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備，其中方波電壓Vb在每半個(gè)周期內(nèi)變?yōu)榱鉔+1次，這里N是一個(gè)偶數(shù)，在方波電壓Vb為零時(shí)相位角αm由下面公式給出αm＝π-αN-m+1and(4/n.π).(1+Σm=1N/2(-1)mcosn.αm)=0,]]>其中m是一個(gè)自然數(shù)，n是一個(gè)大于或等于3的奇數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備，其中電路部分I包括一個(gè)整流器和一個(gè)低通濾波器。
5.如權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備，其中電路部分II和電路部分III包括-一個(gè)開(kāi)關(guān)元件，和-一個(gè)與開(kāi)關(guān)元件的控制電極相耦合，當(dāng)方波電壓Vb為零時(shí)相位角αm有一值時(shí)，使開(kāi)關(guān)元件導(dǎo)通或不導(dǎo)通的控制電路。
6.如權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備，其中電路部分IV包括一個(gè)低通濾波器。
7.如權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備，其中該電子設(shè)備包括一個(gè)微處理器。
8.如權(quán)利要求1所述的電子設(shè)備，其中該電子設(shè)備還具有用于從正弦形電壓Vs中產(chǎn)生能夠帶動(dòng)負(fù)載的電流的電路部分VI。
9.如權(quán)利要求8所述的電子設(shè)備，其中負(fù)載是一個(gè)燈泡。
全文摘要
一種用于測(cè)量輸出正弦形電壓的電壓源的輸出電量的電路，該測(cè)量通過(guò)將電壓源輸出的電流瞬時(shí)值和與正弦形電壓同步的方波的乘積值的平均值，與電壓的實(shí)際值相乘而得到。
文檔編號(hào)G01R21/127GK1394283SQ01803227
公開(kāi)日2003年1月29日 申請(qǐng)日期2001年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月26日
發(fā)明者R·H·范德沃爾特, M·A·M·亨德里克斯 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司