CN112630525B - 一种功率测量方法、装置、pcb电路结构及存储介质 - Google Patents

一种功率测量方法、装置、pcb电路结构及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率测量方法、装置、PCB电路结构及存储介质，包括将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；利用输入电流对所述目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；将所述目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，以完成功率测量。本发明将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；利用输入电流对目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；将目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，本发明方法能够优化电路结构设计，提高功率测量精度。

Description

一种功率测量方法、装置、PCB电路结构及存储介质
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种功率测量方法、装置、PCB电路结构及存储介质。
背景技术
当前，基于时分割乘法器的功率测量模块大部分都是由印制电路板级(PCB级)实现的。PCB级功率测量模块，其精度受到其所使用的IC芯片影响。并且相同类型的IC芯片在实际工作中并不完全相同，更加会恶化功率测量模块的精度。PCB级电路在制造及调试过程中，通常会花费大量的时间，增加人力成本。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率测量方法、装置、PCB电路结构及存储介质，用于优化电路结构设计，提高功率测量精度。
为达到上述目的，第一方面本发明实施例提出一种功率测量方法，包括：
将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
利用输入电流对所述目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；
将所述目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，以完成功率测量。
可选的，将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波，包括：
通过第一运算放大器基于所述输入电压对第一电容进行充放电，以及通过所述脉宽调制脉冲波反馈控制所述第一电容的充放电时机，以将所述输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
其中，所述目标脉宽调制脉冲波的占空比跟随所述输入电压变化。
可选的，将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波，还包括：
利用第二运算放大器对所述目标脉宽调制脉冲波进行延时补偿；
利用第三运算放大器对延时补偿后的所述目标脉宽调制脉冲波进行缓冲和边沿整形。
可选的，利用输入电流对所述目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号，包括：
基于所述目标脉宽调制脉冲波交换控制所述输入电流的端口，以实现对所述目标脉宽调制脉冲波进行幅值调制；
对幅值调制后的所述目标脉宽调制脉冲波进行低通滤波，以获得目标电压信号。
可选的，将所述目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，包括：
对经过积分和滞回比较处理后的所述目标电压信号基于预设时钟频率进行触发，以获得所述指定频率的脉冲输出。
第二方面本发明实施例提出一种功率测量装置，包括：
PWM模块，用于将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
PAMLPF模块，用于利用输入电流对所述目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；
VFC模块，用于将所述目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，以完成功率测量。
可选的，所述PWM模块包括第一运算放大器，第一开关组件和第一电容；
所述第一运算放大器，用于基于所述输入电压对第一电容进行充放电；
所述开关组件，用于所述脉宽调制脉冲波反馈控制所述第一电容的充放电时机，以将所述输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
其中，所述目标脉宽调制脉冲波的占空比跟随所述输入电压变化。
可选的，所述PWM模块还包括第二运算放大器和第三运算放大器；
所述第二运算放大器，用于对所述目标脉宽调制脉冲波进行延时补偿；
所述第三运算放大器，用于对延时补偿后的所述目标脉宽调制脉冲波进行缓冲和边沿整形。
可选的，PAMLPF模块包括低通滤波器和第二开关组件；
所述第二开关组件，用于基于所述目标脉宽调制脉冲波交换控制所述输入电流的端口，以实现对所述目标脉宽调制脉冲波进行幅值调制；
所述低通滤波器，用于对幅值调制后的所述目标脉宽调制脉冲波进行低通滤波，以获得目标电压信号。
可选的，所述VFC模块包括积分器、滞回比较器和触发器；
所述积分器和滞回比较器，分别用于对所述目标电压信号进行积分和滞回比较处理；
所述触发器，用于对经过积分和滞回比较处理后的所述目标电压信号基于预设时钟频率进行触发，以获得所述指定频率的脉冲输出。
第三方面本发明实施例提出一种PCB电路结构，包括前述的功率测量装置。
第四方面本发明实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被至少一个处理器执行时，实现前述的功率测量方法的步骤。
本发明的有益效果在于：本发明将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；利用输入电流对目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；将目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，本发明方法能够优化电路结构设计，提高功率测量精度。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明第一实施例基本流程图；
图2为本发明第二实施例电路结构示意图；
图3为本发明第二实施例PWM模块结构示意图；
图4为本发明第二实施例PAMLPF模块结构示意图；
图5为本发明第二实施例VFC模块结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
在本发明的描述中，需要理解的是下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
实施例一
本发明第一实施例提出一种功率测量方法，如图1所示，包括：
S101、将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
S102、利用输入电流对所述目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；
S103、将所述目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，以完成功率测量。
本发明将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；利用输入电流对目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；将目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，本发明方法能够优化电路结构设计，提高功率测量精度。
可选的，将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波，包括：
通过第一运算放大器基于所述输入电压对第一电容进行充放电，以及通过所述脉宽调制脉冲波反馈控制所述第一电容的充放电时机，以将所述输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
其中，所述目标脉宽调制脉冲波的占空比跟随所述输入电压变化。
具体地说，在实际电路设计过程中，可以通过第一运算放大器基于所述输入电压对第一电容进行充放电，然后通过所述脉宽调制脉冲波反馈控制所述第一电容的充放电时机，由此获得占空比跟随输入电压变化的目标脉宽调制脉冲波。
可选的，将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波，还包括：
利用第二运算放大器对所述目标脉宽调制脉冲波进行延时补偿；
利用第三运算放大器对延时补偿后的所述目标脉宽调制脉冲波进行缓冲和边沿整形。
具体地说，若输入电压恒定，则不需要进行补偿。若当输入电压在变化时，占空比的变化需要一些时间才能反映在输出端，所以这就造成了延时(相移)，本实施例中针对这种情况提出利用第二运算放大器对所述目标脉宽调制脉冲波进行延时补偿。在延时补偿后，利用第三运算放大器对延时补偿后的所述目标脉宽调制脉冲波进行缓冲和边沿整形。第三运算放大器的主要作用是缓冲与边沿整形。如果第二运算放大器的带负载能力比较弱，或者PWM输出需要更陡的边沿，那么第三运算放大器就是必须的，否则可以不使用第三运算放大器。
可选的，利用输入电流对所述目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号，包括：
基于所述目标脉宽调制脉冲波交换控制所述输入电流的端口，以实现对所述目标脉宽调制脉冲波进行幅值调制；
对幅值调制后的所述目标脉宽调制脉冲波进行低通滤波，以获得目标电压信号。
在前述获得目标脉宽调制脉冲波的基础上，本实施例中进行脉冲幅度PAM调制，可以通过目标脉宽调制脉冲波交换控制输入电流的端口，当目标脉宽调制脉冲波对应的电压与输入电流的功率因数在0～1之间时，输出为正值；功率因数在-1～0之间时，输出为负值。
然后对PAM调制后的目标脉宽调制脉冲波进行低通滤波，即可获得目标电压信号。
可选的，将所述目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，包括：
对经过积分和滞回比较处理后的所述目标电压信号基于预设时钟频率进行触发，以获得所述指定频率的脉冲输出。
在前述获得目标电压信号后，本实施例中进行触发。在触发之前对目标电压信号进行积分和滞回比较处理，然后基于预设时钟频率进行触发，以获得所述指定频率的脉冲输出。
本发明实施例还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被至少一个处理器执行时，实现前述的功率测量方法的步骤。
综上所述，本发明方法将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；利用输入电流对目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；将目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，本发明方法能够优化电路结构设计，提高功率测量精度。
实施例二
本发明第二实施例提出一种功率测量装置，如图2所示，包括：
PWM模块，用于将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
PAMLPF模块，用于利用输入电流对所述目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；
VFC模块，用于将所述目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，以完成功率测量。
本实施例中功率测量装置包括顺次连接的脉冲宽度调制(PWM)模块、脉冲高度调制与低通滤波(PAMLPF)模块和电压频率转换(VFC)模块。本实施例通过PWM模块将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；PAMLPF模块利用输入电流对目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；VFC模块将目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，本发明能够优化电路结构设计，提高功率测量精度。
可选的，所述PWM模块包括第一运算放大器，第一开关组件和第一电容；
所述第一运算放大器，用于基于所述输入电压对第一电容进行充放电；
所述开关组件，用于所述脉宽调制脉冲波反馈控制所述第一电容的充放电时机，以将所述输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
其中，所述目标脉宽调制脉冲波的占空比跟随所述输入电压变化。
具体地说，如图3所示，PWM模块主要作用是将输入电压转换为占空比跟随电压变化的脉宽调制脉冲波，实现的方式如下：
本实施例中，第一运算放大器A1及其周围的电阻Ra、Rb、R1、R2和R3主要实现对第一电容Cu的充放电，其充电电流大小为Iu_in＝Us/Rb+Uin/Ra，其放电电流大小为Iu_out＝Us/Rb-Uin/Ra。而其充放电的时机是由PWM模块输出的脉宽调制脉冲波反馈回来控制S1来确定。
当输入电压Us＝0时，充放电电流相同，所以输出高电平与低电平时间相同，即占空比为50％；当输入电压Us>0时，充电电流大，所以输出高电平时间小于低电平时间，即占空比小于50％；当输入电压Us<0时，放电电流大，所以输出高电平时间大于低电平时间，即占空比大于50％。其数学关系为：
可选的，所述PWM模块还包括第二运算放大器和第三运算放大器；
所述第二运算放大器，用于对所述目标脉宽调制脉冲波进行延时补偿；
所述第三运算放大器，用于对延时补偿后的所述目标脉宽调制脉冲波进行缓冲和边沿整形。
具体地说，如图3所示，在一些可选的实施方式中，可以通过第二运算放大器A2及电阻RΦ、R4、R5、R6，主要实现对前面电路产生的延时(相移)进行补偿。在输入电压恒定时，仅通过第一运算放大器即可获得占空比跟随所述输入电压变化的目标脉宽调制脉冲波，但当输入电压在变化时，占空比的变化需要一些时间才能反映在输出端，从而造成了延时(相移)，这是时分割乘法器做功率测量时所不希望的。所以对于输入电压在变化时，延时(相移)补偿则时必须的。
对于延时补偿，本实施例中的第三运算放大器A3的主要作用是缓冲与边沿整形。如果第二运算放大器A2的带负载能力比较弱，或者PWM模块输出需要更陡的边沿，那么第三运算放大器A3就是必须的，否则第三运算放大器A3就可以去掉。
可选的，PAMLPF模块包括低通滤波器和第二开关组件；
所述第二开关组件，用于基于所述目标脉宽调制脉冲波交换控制所述输入电流的端口，以实现对所述目标脉宽调制脉冲波进行幅值调制；
所述低通滤波器，用于对幅值调制后的所述目标脉宽调制脉冲波进行低通滤波，以获得目标电压信号。
本实施例中PAMLPF模块主要作用是用输入的PWM波调制输入的电流，并将此电流通过低通滤波器得到其平均值，此值即为输入电压与电流对应的有用功率，如图4所示，具体过程如下：
电路输入Ip与In分别为输入电流源的正端和负端。脉冲幅度调制(PAM)是通过用PWM波控制S2和S3实现的。当PWM波为低电平时，Ip接A5的负端；PWM波为高电平时，Ip接A4的负端。这样会使电流和电压的功率因数在0～1之间时，输出为正值；功率因数在-1～0之间时，输出为负值。
运放A4与R7和C1、A5与R9和C2分别构成了一阶低通滤波器，并且级联在了一起，构成了二阶低通滤波器。而运放Am与Rm、Rm1、Cm1、Rm2和Cm2构成一个高频负反馈，将A4构成的低通滤波器仍未滤除的高频部分，反馈回来在A5的负端减掉。在不考虑高频反馈的情况下，可以得到电路的传递函数：
通过上式可知两个极点分别为1/R7C1和1/R9C2，而其DC增益由电阻R7、R8和R9的阻值确定。当R7＝R8时，LPF部分的DC增益仅由R9确定。
可选的，所述VFC模块包括积分器、滞回比较器和触发器；
所述积分器和滞回比较器，分别用于对所述目标电压信号进行积分和滞回比较处理；
所述触发器，用于对经过积分和滞回比较处理后的所述目标电压信号基于预设时钟频率进行触发，以获得所述指定频率的脉冲输出。
具体地说，如图5所示，在一些可选的实施方式中，VFC模块主要作用是根据低通滤波器输出的电压转换为所需的固定频率的脉冲数输出，具体过程如下：
A6和C4构成积分器，A7、R11和M1构成了电流源。A8、R12和R13构成了滞回比较器，此比较器的作用将在后面部分说明。积分器的输入电流由输入电压和A8的输出反馈决定。当A8输出为低电位时，积分器的输入电流为：Iin＝Vin/R10；而当A8输出为高电位时，积分器的输入电流为：Iin＝Vin/R10-Iref。于是有，当Vin/R10＝0.5×Iref时，A8输出的高电平时间与低电平时间相同，即占空比为50％；当Vin/R10<0.5×Iref时，A8输出的高电平时间小于低电平时间，占空比小于50％。
当电路没有滞回比较器时，触发器DFF的输入大部分情况下出在高低电平过渡区内并不能识别，输入高于高电平阈值，DFF才能输出高；输入低于低电平阈值，DFF才能输出低。且在集成电路内部，阈值在长时间的工作过程中逐渐改变，会使得输入电压对应的占空比发生变化。所以在DFF之前增加一个滞回比较器会使得电路精度提升。并且可以通过调整R12和R13来改变A8的输出频率，使得A8输出频率远小于输入时钟频率。
而对于后面由DFF与NOR组成的电路，其作用就是将A8的输出占空比转换为脉冲数。输出脉冲数＝A8输出占空比×输入时钟频率(Hz)。
发明实施例还提出一种PCB电路结构，包括第二实施例的功率测量装置。
综上所述，通过模拟集成电路的方式实现，使得电路元器件差异化减小，继而功率测量精度更高，本发明能够优化电路结构设计，提高功率测量精度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种功率测量方法，其特征在于，包括：
将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
利用输入电流对所述目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；
将所述目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，以完成功率测量；将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波，包括：
通过第一运算放大器基于所述输入电压对第一电容进行充放电，以及通过所述脉宽调制脉冲波反馈控制所述第一电容的充放电时机，以将所述输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
其中，所述目标脉宽调制脉冲波的占空比跟随所述输入电压变化；
将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波，还包括：
利用第二运算放大器对所述目标脉宽调制脉冲波进行延时补偿；
利用第三运算放大器对延时补偿后的所述目标脉宽调制脉冲波进行缓冲和边沿整形；
利用输入电流对所述目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号，包括：
基于所述目标脉宽调制脉冲波交换控制所述输入电流对应的端口，以实现对所述目标脉宽调制脉冲波进行幅值调制；
对幅值调制后的所述目标脉宽调制脉冲波进行低通滤波，以获得目标电压信号；
将所述目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，包括：对经过积分和滞回比较处理后的所述目标电压信号基于预设时钟频率进行触发，以获得所述指定频率的脉冲输出。
2.一种功率测量装置，其特征在于，包括：
PWM模块，用于将输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
PAMLPF模块，用于利用输入电流对所述目标脉宽调制脉冲波进行调制，以获得目标电压信号；
VFC模块，用于将所述目标电压信号转换为指定频率的脉冲输出，以完成功率测量；
所述PWM模块包括第一运算放大器，第一开关组件和第一电容；
所述第一运算放大器，用于基于所述输入电压对第一电容进行充放电；所述开关组件，用于所述脉宽调制脉冲波反馈控制所述第一电容的充放电时机，以将所述输入电压转换为目标脉宽调制脉冲波；
其中，所述目标脉宽调制脉冲波的占空比跟随所述输入电压变化；
所述PWM模块还包括第二运算放大器和第三运算放大器；
所述第二运算放大器，用于对所述目标脉宽调制脉冲波进行延时补偿；所述第三运算放大器，用于对延时补偿后的所述目标脉宽调制脉冲波进行缓冲和边沿整形；
PAMLPF模块包括低通滤波器和第二开关组件；
所述第二开关组件，用于基于所述目标脉宽调制脉冲波交换控制所述输入电流对应的端口，以实现对所述目标脉宽调制脉冲波进行幅值调制；
所述低通滤波器，用于对幅值调制后的所述目标脉宽调制脉冲波进行低通滤波，以获得目标电压信号；
所述VFC模块包括积分器、滞回比较器和触发器；
所述积分器和滞回比较器，分别用于对所述目标电压信号进行积分和滞回比较处理；
所述触发器，用于对经过积分和滞回比较处理后的所述目标电压信号基于预设时钟频率进行触发，以获得所述指定频率的脉冲输出。
3.一种PCB电路结构，其特征在于，包括如权利要求2所述的功率测量装置。
4.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被至少一个处理器执行时，实现如权利要求1所述的功率测量方法的步骤。
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