CN1211665C - 电子设备 - Google Patents

Abstract

一种用于测量输出正弦形电压的电压源的输出电量的电路，该测量通过将电压源输出的电流瞬时值和与正弦形电压同步的方波的乘积值的平均值，与电压的实际值相乘而得到。

Description

电子设备

本发明涉及一种用于产生电力信号P_av的电子设备，P_av是从供给正弦形电压Vs的电压源VB中得到的平均电量的测量值。

这样的电子设备是公知的，而且通常包含一个乘法器。该乘法器的运行建立在乘法运算法则的基础上。现有的乘法运算法则，其中有，“三角平均乘数法”，“时间分割乘数法”，“四分之一方乘数法”，“可变互导乘数法”以及一种依次包含“取样”，“A/D转换”，和“数字乘法”的运算法则。这些运算法则记载在，例如，“Greame J.G.和Tobey G..E，运算放大器的设计与应用，McGraw-Hill，1971，pp.273-276”和“Rogers A.E.，工程设计中的模拟运算，McGraw-Hill，1960，pp.22-28”中。

这些已有的乘法运算法则中的任何一条在产生电力信号的电子设备上的应用都具有以下缺陷：有限的精确性，温度灵敏度，电子电路的复杂性和由此而米的高成本。至于应用的后面的运算法则，尤其明显的是，在低“取样速率”，特别在电压和电流之间发生相移或电流的形状充分偏离正弦波形的情况下，是非常不精确的。

本发明的一个目的是提供一种由于自身结构比较简单因而加工制作比较便宜，并且能够产生电压源VB输出电量的比较精确量度的电力信号的电子设备。

为了达到该目的，一种如开始的段落中所述的电子设备包括

-用于产生电压Vs有效值量度信号U的电路部分I，

-用于产生与正弦形电压Vs同相的方波电压Vb的电路部分II，

-用于产生电压源VB输出的电流Is和方波电压Vb之乘积Q的量度信号的电路部分III，

-用于产生信号Q的平均值的量度信号Q_av的电路部分IV，和

-用于产生信号Q_av和信号U之乘积的量度信号的电路部分V，由电路部分V生成的信号形成电力信号P_av。

已经发现根据本发明的电子设备能够具体实施，所以比较简单。同时也发现根据本发明的电子设备能够产生电压源VB输出电量的非常精确量度电力信号，所述电力信号另外还有很高的温度独立性。

如果电压源VB输出的电流Is是正弦波形而且与电压Vs同相，同时如果方波电压Vb仅在正弦形电压Vs也等于零的瞬时才等于零，则电力信号P_av与电压源输出的电量是成正比的。然而，通常从电压源VB采集的电流Is不是正弦波形但是可以用傅立叶分析描绘成无穷个正弦项的总和，第一项的频率等于正弦形电压Vs的频率，其他项的频率为正弦形电压Vs的频率的倍数。相应地，方波电压Vb能够用所述的傅立叶分析描绘成无穷个正弦项的总和。但是，由于方波电压的对称性，该总和仅包含频率为正弦形电压Vs频率的奇数倍的项。由此可以导出电流Is与方波电压Vb的乘积P可以表示为无穷项的和，其中每一项为两个正弦函数的乘积。仅当该乘积中的两个正弦函数具有相同的频率时，乘积P的相关项才具有一个有限的平均值。于是能够算术地导出，在电流Is是非正弦形的和方波电压Vb仅当正弦形电压Vs也等于零才等于零的情况下，电力信号P_av能够表示为无穷项的总和，方波电压Vb的每一项服从于电力信号P_av的项。电力信号P_av的第一项代表电压源VB的输出电量。根据电压源VB输出的电流的形状，P_av的第二项和更高项将对P_av的值作出比较大的，或稍微大的贡献。换句话说，由于电流Is的形状更多地偏离了正弦波形，P_av的值会更多地偏离代表电压源VB输出电量的P_av的第一项。但是，已经发现，在上文所述的方式下产生的电力信号P_av在许多实际应用中是输出电量十分精确的量度。然而，如果电力信号P_av的第二项和更高项导致表现出了不十分精确的电量输出，则第二项，如果需要，还有任意数量的P_av的更高项就能够被零化。要达到该目的，就要在电压Vs等于零的瞬时和其他瞬时方波电压Vb都等于零的方式下，通过改变方波电压Vb的图形。为了达到这个目的，方波电压Vb在每半个周期内变为零N+1次，其中N是一个偶数，在方波电压Vb为零的瞬时相应的相位角α_m由下面公式表示

α_m＝π-α_N-m+1

$(4/n.\mathrm{\π}).(1+{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{N/2}{(-1)}^m\cos n.{\mathrm{\α}}_m)=0,$

其中m是一个自然数，n是一个大于或等于3的奇数。第二个公式等号左边的表达式是方波电压Vb中的一个项的振幅。如上文中所述，该方波电压仅包括频率为电压Vs频率的奇数倍的项。因此，对于n＝3，第二个公式等号左边的表达式等于方波电压Vb的第二项的振幅。对于n＝5，该表达式等于第三项的振幅，等等。如果所述公式中n＝3，则相位角α₁＝20°，α₂＝160°。也就是说，如果方波电压Vb的图形这样选择，就是在各半个周期内，所述方波电压不仅在相位角0°和180°时变为零而且在相位角20°和160°时也变为零，则获得描述方波电压Vb的项的总和中的第二项等于零。结果，电力信号P_av的第二项也等于零。于是，代表电压源VB输出电量的P_av的第一项与电力信号P_av的(总)值之间的差别，在这时比在方波电压Vb仅当Vs等于零才于零的情况下时的差别小。相应地，通过引入上述公式中当n＝5时所获得的相位角的零轴交叉点，方波电压Vb的零轴交叉点的数量能够进一步增加。于是在描述方波电压Vb的项的总和中，第二和第三项就等于零了。结果，电力信号P_av的第二和第三项也等于零。因此，代表电压源VB输出电量的P_av的第一项与电力信号P_av的值之间的差别进一步减少。换句话说，代表电压源VB实际输出电量的电力信号P_av的第一项与电力信号P_av的(总)值之间的差别能够通过增加方波电压Vb的零轴交叉点的数量减少至任何值。实际上已经发现从描述方波电压Vb的项的总和中排除第二项或，至多排除第二和第三项，在大多数实际应用中，会使电力信号P_av的第一项与电力信号P_av的总值之间的差别非常小。

根据本发明的其中电路部分I包括一个整流器和一个低通滤波器的电子设备的具体实施例，和其中电路部分IV包括一个低通滤波器的具体实施例会获得令人满意的效果。

在根据本发明的一个非常简单因而非常便宜的电子设备的实施例中，电路部分II和电路部分III包括

-一个开关元件，和

-与开关元件的控制电极相耦合，当方波电压Vb为零时如果相位角α_m有一值时，使开关元件导通或不导通的控制电路。

这样一个控制电路是能够得到的，例如，通过利用一个其中当开关元件必须导通或不导通时相位角α_m的值确定在微处理器中的记忆形成部分中的微处理器。

根据本发明的电子设备能够非常合适地形成一个具有电路部分VI的电量输出电路部分，电路部分VI用于从正弦形电压Vs中产生能够带动负载的电流。负载可能是，例如，一个灯泡。

本发明的这些和其他方面将参照下文中所描述的实施例予以阐明并显现出来。

在附图中：

图1显示了一个电量输出电路，它具有根据本发明的电子设备的实施例和用于从正弦形电压Vs中产生能够负载灯泡的电流的电路部分。图1还显示出了连接在该电量输出电路上的一个灯泡，和

图2显示了由图1中所示的电量输出电路中的一个部分产生的方波电压的图形。

图1中，K1和K2是连接在输出正弦形输出电压的电压源VB上的输入端。输入端K1连接到用于从电压源VB输出的正弦形电压Vs中产生能够负载灯泡的电流的电路部分VI的第一输入点。输入端K2，通过经由一个连接到电路部分VI的第二输入点的欧姆电阻器形成的传感器SE形成。灯泡La将电路部分VI的第一输出点与电路部分VI的第二输出点连接起来。输入端K1还连接到比较器COMP的第一输入点和整流器DB的第一输入点，整流器DB由，例如一个二极管桥形成。比较器COMP的第二输入点连接到接地端。比较器COMP的一个输出点连接到微处理器MP的第一输入点。输入端K2连接到整流器DB的第二输入点。整流器DB的第一输出点经由欧姆电阻器R7连接到运算放大器OA1的第一输入点。整流器DB的第二输出点连接到接地端。运算放大器OA1的第二输入点也连接到接地端。运算放大器OA1的第一输入点通过经由欧姆电阻器R8连接到运算放大器OA1的一个输出点。欧姆电阻器R8通过电容器C2分流。整流器DB，运算放大器OA1，欧姆电阻器R7和R8，以及电容器C2共同组成一个用于产生电压Vs有效值的测量信号U的电路部分I。运算放大器OA1，欧姆电阻器R7和R8以及电容器C2共同组成一个低通滤波器。运算放大器OA1的输出点还连接到微处理器MP的第二输入点。一连串欧姆电阻器R1，R3和R4的排列将运算放大器OA2的第一输入点与运算放大器OA2的第二输入点连接起来。欧姆电阻器R1和R3的一个连接点连接到传感器SE的一个末端。欧姆电阻器R3和R4的一个连接点通过开关元件S连接到接地端。运算放大器OA2的第一输入点通过欧姆电阻器R2连接到运算放大器OA2的一个输出点。如图1所示的实施例中，R1的电阻值选为R2的值。运算放大器OA2的输出点通过欧姆电阻器R5连接到运算放大器OA3的第一输入点。运算放大器OA3的第二输入点连接到接地端。运算放大器OA3的第一输入点通过欧姆电阻器R6连接到运算放大器OA3的一个输出点。欧姆电阻器R6通过电容器C1分流。运算放大器OA3的输出点连接到微处理器MP的第三输入点。微处理器MP的第一输出点连接到开关元件S的一个控制电极。微处理器MP，开关元件S，运算放大OA2以及欧姆电阻器R1，R2，R3和R4，在该实施例中，共同组成了用于产生方波电压的电路部分II和用于产生测量电压源VB输出的电流Is与方波电压之乘积Q的信号的电路部分III。欧姆电阻器R5和R6，电容器C1和运算放大器OA3共同组成了一个低通滤波器，在该例中，低通滤波器形成了一个用于产生测量信号Q的平均值的信号Q_av的电路部分IV。微处理器MP的第二输出点连接到电路部分VI的第三输入点。

图1中的实施例的操作过程如下。

如果输入端K1和K2连接到产生正弦形电压Vs的供电电压源VB，则电路部分VI从电压源VB采集电流Is并产生电流流经灯泡La。比较器COMP输出的信号在正弦形电压Vs的每个零轴交叉点从高变到低，或相反。该信号也出现在微处理器MP的第一输入点。在所述微处理器的第二输入点，出现由电路部分I产生的正弦形电压Vs有效值的量度信号U。在欧姆电阻器R1和R3的连接点，出现与电流Is的瞬时值成比例的信号。这个信号乘以频率与电压Vs的频率相同的且相位与微处理器第一输入点的信号同相因此也与Vs同相的方波电压。该乘积能够归因于这样的事实，就是在方波电压各个周期的预定瞬时微处理器使开关元件S导通或不导通。这些预定瞬时由微处理器中的记忆形成部分中提供的表格来定义。对于每一个所述的预定瞬时，方波电压都有一个零轴交叉点。要注意的是在电流Is是正弦波形的情况下，比较器COMP输出点的信号能直接用做开关元件S的控制信号。电流Is与方波电压Vb的乘积瞬时值的量度信号Q，出现在运算放大器OA2的输出点。信号Q_av通过电路部分IV由信号Q生成，所述信号Q_av是信号Q的平均值的测量值，它出现在运算放大器OA3的输出点和微处理器MP的第三输入点。微处理器通过将信号U和信号Q_av相乘，产生测量电压源VB输出的平均电量的电力信号P_av。要注意的是信号U和信号Q_av是不随时间发生很大变化的直流信号，所以用简单的方法就能得到该乘积，且微处理器的低“采样速率”是足够的。电力信号P_av由无穷项组成，第一项代表电压源VB输出的电量。通过配合方波的形状，减少代表电压源VB输出电量的电力信号P_av的第一项与任何想得到的信号P_av的值之间的差别就成为可能。当方波电压具有与下面相应相位角α_m的瞬时相符合的零轴交叉点时，这就能通过选择预定瞬时的数量来获得：

α_m＝π-α_N-m+1

$(4/n.\mathrm{\π}).(1+{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{N/2}{(-1)}^m\cos n.{\mathrm{\α}}_m)=0,$

其中m是一个自然数，n是一个大于或等于3的奇数，N+1是每半个周期内方波电压VB的零轴交叉点的数量。

通过微处理器P_av的值与作为想得到的输出电量值的测量值的参考信号相比较，微处理器生成根据该比较结果得到的控制信号。该控制信号出现在微处理器的第二二输出点和电路部分VI的第三输入点。在控制信号的影响下，电路部分VI的运行状态不断地与P_av值基本上等于想得到的输出电量值的状态相适应。

图2中，相位角的度数沿着横轴划分，任意单元的电压沿着纵轴划分。图2显示了当N的值＝2时方波电压Vb的图形。通过上述公式，可以容易地导出方波电压Vb的图形在对应于相位角0°，20°，160°，180°，200°，340°和360°的瞬时具有零轴交叉点。如果该方波电压的图形在对应于这些相位角的瞬时通过使开关元件导通或不导通来实现，则得到信号P_av的第二项等于零。如上所述，信号P_av的任意个项可以通过适应方波电压Vb的图形减少至零。

Claims (9)

1.一种用于产生电力信号P_av的电子设备，该信号是经由电压源VB的电极，从输出正弦形电压Vs的电压源VB中得到的平均电量的量度，该电子设备具有

-用于产生正弦形电压Vs有效值的量度信号U的电路部分I，

-用于产生与正弦形电压Vs同相的方波电压Vb的电路部分II，

-用于产生电压源VB输出的电流Is和方波电压Vb之乘积Q的量度的信号的电路部分III，

-用于产生信号Q的平均值的量度的信号Q_av的电路部分IV，和

-用于产生信号Q_av和信号U之乘积的量度的信号的电路部分V，由电路部分V生成的信号形成电力信号P_av。

2.如权利要求1所述的电子设备，其中方波电压Vb仅在正弦形电压Vs等于零的瞬时等于零。

3.如权利要求1所述的电子设备，其中方波电压Vb在每半个周期内变为零N+1次，这里N是一个偶数，在方波电压Vb为零时相位角α_m由下面公式给出

α_m＝π-α_N-m+1

$(4/n.\mathrm{\π}).(1+{\mathrm{\Σ}}_{m=1}^{N/2}{(-1)}^m\cos n.{\mathrm{\α}}_m)=0,$

其中m是一个自然数，n是一个大于或等于3的奇数。

4.如权利要求1所述的电子设备，其中电路部分I包括一个整流器和一个低通滤波器。

5.如权利要求1所述的电子设备，其中电路部分II和电路部分III包括

-一个开关元件，和

-一个与开关元件的控制电极相耦合，当方波电压Vb为零时相位角α_m有一值时，使开关元件导通或不导通的控制电路。

6.如权利要求1所述的电子设备，其中电路部分IV包括一个低通滤波器。

7.如权利要求1所述的电子设备，其中该电子设备包括一个微处理器。

8.如权利要求1所述的电子设备，其中该电子设备还具有用于从正弦形电压Vs中产生能够带动负载的电流的电路部分VI。

9.如权利要求8所述的电子设备，其中负载是一个灯泡。

Images