經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) 一、發明背景 1. 發明領域 本發明係關於一種算術單元，此算術單元根據測量系 統所量得之電壓與電流計算電功率或電能。 2. 先前技藝說明 如先前技藝中之一種算術單元以計算電功率或電能， 例如，曾有一種如第1圖所示之算術單元。在第1圖中，參 考符號T1及T2分別代表電壓VI及A1的輸入端，而電壓VI及 A1正比於測量系統的輸入電壓及電流；參考符號201及202 代表第一個及第二個類比/數位轉換器以分別轉換電壓V1 及A1成爲數位數值；參考符號203代表中央處理單元，其 每隔一預定時間用軟體方式進行類比/數位轉換器2 01及 202輸出數位數值之乘法與積分運算。此算術單元可計算 電功率W = V1· A'lcosW。因此，一般而言，假如該算術單 元將電功率積分超過一個週期，然後將積分後電功率轉換 爲單位電功率，其作用如瓦特計；假如該算術單元對於胃 間作不定積分計算電功率，也可作用如瓦時計。 相反地，假如算術單兀需計算無功功率，因爲必彡買II* 算Q = V1· AlsinW，需要90°相位移。在先前技藝中，因 在實際使用上VI電壓相位移較容易，中央處理單元2 0 3處 理.V 1電壓之相位移以計算無功功率。 然而，就先前技藝之算術單元必須計算電功率與無# 功率而論，會有下列各種問題： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 4 nn· In —^1 nn ml (請先鬩讀背面之注意事項再填寫本頁) 、-ιτ A7 B7 五、發明説明（2 ) (1) 因爲乘法是在中央處理單元中以軟體執行，會花 費相當多時間處理乘法指令。 (2) 因爲乘法是在中央處理單元中以軟體執行，軟體 會忙於計算，導致中央處理單元難以執行其他任務。 (3) 因爲採用類比/數位轉換器，類比/數位轉換需要 許多時間，所以很難增加取樣頻率。而且，假如必須增加 類比/數位轉換器位元數以改善轉換精準度，會花許多時 間轉換，此外，算術單元會變貴。 此外，尤其在計算無功功率情況，例如假設類比/數 位轉換器輸出16位元資料，因爲電壓VI資料用中央處理單 元以軟體處理相位移，所有16位元必須進行相位移，會有 複雜運算問題，且需要更多的記憶體與暫存器。 二、發明概述 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (#先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)
IV '本發明是鑑於上述情況而發明的，且其目的在提供一 種算術單元，能整體藉由硬體組成瓦特計及瓦時計；或藉 由將軟體處理減到最少而縮小中央處理單元尺寸，以達到 系統成本降低，假如以大型積體電路製做’可縮小算術單 元尺寸，因爲在此方面較少的類比裝置可達到低成本；藉 由提高取樣頻率，達到更高精準度的性能。 本發明另一目的在提供一種算術單元能計算無功功率 ，只要增加簡單相位移電路硬體至該算術單元，以使用在 計算有效功率。 爲了達到上述目的’提供一種算術單元’其包括第一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2丨OX297公釐）_ 5 _ 經濟都中央標準局員工消費合作社印製 A7 ____B7_ 五、發明説明（3 ) 個及第二個1位元類比/數位轉換器，分別轉換正比於測量 系統所量得電壓及電流之輸入電壓成爲〗位元碼；第一個 及第二個上下數計數器，其時脈端上/下數分別受控於上 述第一個及第二個1位元類比/數位轉換器之i位元碼輸出 ，以分別輸出上述輸入電壓之類比/數位轉換數值；一閂 以保持前一個時脈之輸入資料，並輸出該資料；一加減器 以分別加/減上述第一個及第二個上下數計數器輸出資料 ’ 一數值1至/從上述閂之輸出資料分別受控於上述第一個 及第二個1位元類比/數位轉換器輸出資料及該輸出資料之 互斥或值’且輸出與上述閂的輸入電壓乘積成比例之算術 資料；一加法器將上述閂之輸出資料積分。 根據上述構型，輸入電壓藉由第一個及第二個丨位元 類比/數位轉換器分別被轉換成1位元碼，該輸入電壓正比 於測量系統所量得電壓及電流。該輸入電壓的類比/數位 轉換數值可分別藉由第一個及第二個上下數計數器得到。 與該輸入電壓乘積成比例之計算資料可依據類比/數位轉 換值而得。電能（瓦時）可藉由加法器來加該計算資料量得 。因爲電能算術單元可全部用硬體建構，可完成計算而不 需在中央處理單元中以軟體執行。因爲在類比部份需要很 少釣裝置，也就是僅有1位元類比/數位轉換器，假如做成 大型積體電路，算術單元可製造成很小尺寸》又假如調高 取樣頻率，在類比/數位轉換器部份可獲得更精準的運算 〇 在本發明的較佳實施例中，每隔一預定時間，上述加 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）~ .--^----_裝------訂-- - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 ___ B7__ 五、發明説明（4 ) 法器輸出資料會被清除根據此構型，可完成電功率算術 單元。 爲達成上述目的，除上述構型外，所提供算術單元還 包括一延遲電路，其位於前述第一個1位元類比/數位轉換 器與第一個上下數計數器之間，以延遲第一個1位元類比/ 數位轉換器輸出資料達輸入電壓的四分之一相位時間，該 輸入電壓正比於前述測量系統所量得電壓，且輸出延遲後 輸出資料至第一個上下數計數器。 根據此構型，可完成無功電能算術單元，其具有上述 電能算術單元類似的優點。 爲達成上述目的，除上述構型外，所提供算術單元還 包括一頻率偵測電路，以繼續地偵測前述正比於測量系統 所量得電壓之輸入電壓，且提供該頻率資訊給延遲電路。 根據此構型，即使測量系統電壓的頻率改變，可正確 地完成精準的四分之一相位延遲。 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閣讀背面之注意事項再填寫本頁) 在本發明的較佳實施例中，延遲電路包括眾多的移位 暫存器串接在一起，並以時脈4爲參考訊號同步運作，且 第一個1位元類比/數位轉換器的輸出訊號輸入眾多的移位 暫存器的第一級；一解碼器以對頻率偵測線路的輸出訊號 解碼；眾多的及閘，一輸入端接收解碼器輸出訊號，另一 輸入端分別地接收眾多的移位暫存器輸出訊號；一或閘以 接收所有眾多的及閘輸出訊號。 在本發明的較佳實施例中，每隔一預定時間，上述加 法器輸出資料會被清除。根據此構型，可完成無功電功率 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 7 _ " A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（5 ) 算術單元。 在本發明的較佳實施例中，至少第一個及第二上下數 計數器、閂、加減器及加法器部份功能以軟體在中央處理 單元中執行。 根據此構型，可完成能夠計算電能、電功率、無功電 能及無功電功率的算術單元，其至少比先前技藝之算術單 元具高精準度及低成本。 當下列的詳細說明與附圖同時閱讀，本發明的本質、 原理與實用會變得更容易明白^ 三、較佳實施例之說明 在下文中，本發明的實施例會參考附圖做詳細解釋。 第2圖顯示根據本發明第一實施例的算術單元構型。 在第2圖中，參考符號T1及T2分別代表電壓VI及A1的輸入 端，而電壓VI及A1正比於測量系統的輸入電壓及電流。參 考符號101及102代表第一個及第二個1位元類比/數位轉換 器，稱爲差量調變器，其中分別建構比較器10 3與104、積 分器105與106、D型正反器107與108，將輸入電壓VI與A1 分別地編碼成脈衝串f(n)與g(n)，然後輸出。第一個與第 二個1位元類比/數位轉換器101與102的輸出時序同步於時 脈炎。更特別地，在第一個（或第二個）1位元類比/數位轉 換器101(或102)中，在時脈4上升時，比較器10 3(或104) 將積分器105(或106)的輸出電壓F(n)(或G(n))與輸入電壓 VI(或A1)比較，假如Vl>Fa(n)(或Al>Ga(n))，則經由D型 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本筲) !!· -* Γ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）_ 8 _ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 _ B7 五、發明説明（6 ) 正反器107(或108)輸出一Η位準訊號，在這之後，積分罨 105(或106)的輸出增加+ Λνβ相反地，假如Vl<Fa(n)(或 Al<Ga(n))，則經由D型正反器107(或108)輸出一 L位準訊 號，在這之後，積分器105(或106)的輸出增加-Δν，即減 少+ Λν。參考符號109與110代表第一個與第二個上下數計 數器，其上/下數受控於1位元類比/數位轉換器101與102 的輸出f(n)與g(n)，計數時脈f的時脈數。第一個與第二 個上下數計數器109與110的輸出給定爲Fd(n-l)與Gd(n-l) ，分別爲前述輸入電壓VI與A1的類比/數位轉換值》參考 符號111代表一互斥或閘，其輸出h(n)爲第一個與第二個1 位元類比/數位轉換器101與102的輸出F(n)與g(n)之互斥 或輸出。參考符號112代表一加減器，其進行四輸入A、B 、（：及D(也就是閂113的輸出值W(n-l)、第一個上下數計 數器10 9的輸出值Fd(n-l)、第二個上下數計數器no的輸 出值Gd(n -1)及數值1)的加法與減法。對加減器Π2的輸 入B、C及D進行加法或減法，分別依照輸入加減器112的（ + /-)端訊號（即g(n)、f(n)、h(n))而定》也就是，假如（+ /-)端位於Η位準’則進行加法；假如（ + /_)端位於l爲準 ，則進行減法。加.減器112的輸出給定爲w(n)，其與瞬間 輸入電壓的乘積VI· A1成比例。參考符號113代表一閂， 其根據時脈彡鎖定加減器112的訊號w(n-l)，該訊號爲輸 出訊號W(n)之前一個時脈資料。參考符號n4代表一加法 器’在時脈0時序下’其進行閂113的輸出及加法 器114從0至前一時脈總和的加法，即w(i)的積分值爲對w( 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2IOX297公着）~一 -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) --!--------. ^----------.-IT----- 經濟部中央標準局員.工消費合作社印製 A7 ________B7_ 五、發明説明（ϊ ) i)積分’ i從0到η-2。結果可得到瞬間輸入電壓VI及A1乘 積值的積分值$ W(i)。 接下來，會參考第3A至3G圓解說如上所述算術單元的 運作。第3A至3G圖顯示該算術單元各部份的波形圖。第3A 圖的VI電壓與第3D圖A1電壓分別正比於測量系統所量得的 電壓與電流。第3C圖的f(n)脈衝與第3F圖的g(n)脈衝分別 自VI與A1差量調變獲得。脈衝值被限制爲-1或-1。第3B 圖的Fa(n)與第3E圖的Ga(n)爲在第一個與第二個1位元類 比/數位轉換器101與.102內之積分器105與106的輸出，其 分別爲輸入電壓VI與A1的編碼值。第3G圖的η表示第3 A至 3F圖的第η位數* 根據第一實施例，該算術單元的目的爲計算輸入電壓 的乘積VI· Α1。因爲VI實質上相等於F(n)且Α1實質上也相 等於G(n)，可定義F(n)· G(n)=W(n)。假設第一個1位元類 比/數位轉換器101運作η次的輸出爲f(l), f(2)，f(3)， …，f(n)，此時，積分器105的輸出電壓Fa(n)可表示爲 F(a) = (f (l) + f (2) + f (3) + L+f (η)) · Δν …（1) 此外，因爲第一個上下數計數器109的輸出上/下數受 控於f(n)，以計數時脈必，該輸出可推導爲數值Fd，其爲 Fa(n)的數位碼。但第n-1值Fd(n-l)代替Fd(n)值輸出與時 脈f有關。計算F(n)· G(n)=W(n)值可表示爲 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ .^ _#裝IT-e (請先聞讀背面之注意事碩再填寫本頁) B7_____ 五、發明説明（8 ) ’ W(n)=F(n)(n) = (f(l) + f(2) + f(3) +…+ f(n)) · g(l) + g(2) + g(3) +…+ g(n)) = (F(n-l) + f (η)) · (G(n-l) + g(n)) ...(2) 因爲在式（2)，f(n)= 且g(n)= ’所以式（2)可表示 成下列四種狀況（I至IV) (I) 假如 f(n) = +l 且 g(n) = +l，.則 W(n) = (F(n-l) + f(n)) · (G(n-l) + g(n)) = F(n-l)· G(n-1 ) + F(n-l ) + G(n-l ) + 1 = W(n-l ) + F(n_l ) + G(n-l ) + 1 …（3) (II) 假如 f(n) = + l 且 g(n) = -l* 則 'W(n) = (F(n-l) + f(n)) · (G(n-l) + g(n)) =F(n-l)· G(n-1)-F(n-1)+G(n-1)-1 = W(n-l )~F(n_l ) + G(n-l)_1 …（4) (III) 假如 f(n)=-l且 g(n)=+l’ 則 W(n) = (F(n-l) + f(n)) · (G(n-l) + g(n)) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (諳先閔讀背面之注意事碩再填寫本頁) = F(n-l) · G(n-l) + F(n_l)-G(n_l)-l = W(n_l )+F(n-l )-G(n-l)-1 …（5) (IV) 假如 ί(η)=·-1 且 g(n) = -l，則 W(n) = (F(n-l) + f(n))· (.G(n-l) + g(n)). = F(n_l) · G(n-l)-F(n_l)_G(n-l) + l = W(n_l)-F(n~l )-G(n-l) + 1 …（6) 因此，在加減器112的輸出資料W(n)被閂113以延遲時 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 11 _ 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（9 ) 脈於一個時脈取樣爲η-1)之後，假如加減器112完成閂 113的輸出資料W(n-l)、第一個上下數計數器109的輸出資 料Fd(n-l)、第二個上下數計數器110的輸出資料Gd(n-l) 、數值1的加減運算，則計算得到W ( η )。 參考第4Α至4D圖，將明白地解釋加減計算的意義。上 述狀況I至IV分別對應於第4Α至4D圖。在每一圖中，實線 所包圍部份相當於W(n)，虛線所包圍部份相當於W(n-l)» 向右下斜線部份相當於F(n-l)，向左下斜線部份相當於 G(n-1 )。 在上述狀況I中，如第4A圖，即使F(n-l)與G(n-l)已 加至W(n-l)，仍短缺1，因此爲獲得W(n)需再加1。在上述 狀況II中，如第4B圖，當從W(n-l)減去F(n-l)，再加上 G( n-1)，卻多加1，因此爲獲得W(n)需再減1。在上述狀 況III中，如第4C圖，當F(n-l)加至W(n-l)，再減去 G(n-l)，卻多加1，因此爲獲得W(n)需再減1。在上述狀況 IV中，如第4D圖，當從W(n-l)減去F(n-l)及G(n)，卻發生 短缺1，因此爲獲得W(n)需再加1。 輸出資料Fd(n-l)、Gd(n-l)及1的加減分別地受控於 g(n)、f(n)、h(n)(即f(n)與g(n)的互斥反或輸出）。因此 ，加減器112的輸出資料可推導爲W(n)，其與輸入電壓的 乘積VI · A1成比例。此外，因爲此W(n)爲VI與A1的第η個 瞬時乘積值，需要VI· Al=W(n)或W(n-l)的積分值，以計 算實際電功率及電能。最後，加法器114藉由進行W(n-l) 與加法器114本身的輸出資料加法運算而執行積分運算， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 12 _ —I------裝———ϋ——ϋ ϋ—ϋ—^w (請先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（10 ) 即積分值爲對W( i )積分，i從1至n-2。 第一實施例有上述結構與優點，在加法器114執行不 定積分情況，可完成電能算術單元以測量電能。 如上所述，根據第一實施例，因爲電能算術單元可全 部用硬體建構，可完成計算而不需在中央處理單元中以軟 體執行，其導致縮小中央處理單元尺寸。因爲在類比部份 需要很少的裝置，也就是僅有1位元類比/數位轉換器，假 如做成大型積體電路，算術單元可製造成很小尺寸，導致 算術單元低成本。又假如調高取樣頻率，在類比/數位轉 換器部份可獲得更精準的運算。 此外，假如加法器114每次在一固定時間被清除，例 如一秒，或每次計數數週期待測量間隔的訊號，然後其積 分值轉成單位時間值，則可完成電功率算術單元以測量電 功率。 此外，假如在第一個與第二個上下數計數器109與110 之後各級的部份或全部處理方法以軟體在中央處理單元中 執行，可以低成本製做電能算術單元或電功率算術單元》 尤其在加減器112之後各級以軟體在中央處理單中執行更 實用且有效。 ' 在第一實施例中，加減器112的輸出W(n)可用來代替 閂113的輸出W(n-l)當作加法器114的輸入。假如差量調變 器（1位元類比/數位轉換器101與102)是由差量總合調變器 組成，同樣地可達成如上所述的相同運作與優點》 第5圖爲根據本發明第二實施例的算術單元構型，其 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 13 _ I-；——’----II .t n .=I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .1T- 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（11 ) 可計算無功電功率或無功電能。如先前所述，雖然需要 90°相位移以計算無功電功率或無功電能，在第二實施例 的第一個1位元類比/數位轉換器101與第一個上下數計數 器109間安置一延遲電路115。延遲電路115可以移位暫存 器、數位相鎖迴路、電荷藕合裝置等製成。延遲電路115 將第一個1位元類比/數位轉換器101的輸出f(n)比T1端輸 入訊號延遲四分之一相位時間（例如，假如訊號頻率爲50 赫，則爲5毫秒），然後輸出延遲後輸出f ( n )爲訊號ί r ( n ) ο 第一個與第二個1位元類比/數位轉換器101與102、第 —個與第二個上下數計數器1 〇 9與1 1 0、加減器1 1 2、閂1 1 3 及加法器_1 1 4的運作類似應用於第一實施例的運作。然而 ，在第二實施例中，因爲.訊號f(n)藉由延遲電路115相位 移90陛A加減器112計算Fr(n)· G(n)，結果可得到無功電 功率或無功電能。 第6圖爲根據本發明第三實施例的算術單元構型。在 第三實施例中，加入一頻率偵測電路1 1 6至第二實施例構 型。頻率偵測電路116連續地偵測訊號VI的頻率，然後提 供資訊給延遲電路115。因爲延遲電路11 5可從頻率偵測電 路116接收訊號VI的頻率資訊，可精準地進行訊號f(n)的 相位移。 第7圖爲本發明第三實施例之延遲電路115—種詳細構 型實施例》在第7圖中，延遲電路115包括眾多的移位暫存 器122串接在一起，並以時脈炎爲參考訊號運作，且第一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）_ 14 - (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 A7 B7 五、發明説明（12 ) 位元類比/數位轉換器101的輸出訊號輸入移位暫存器 胃~級；一解碼器121以解碼頻率偵測線路116的輸出訊號 ;眾多的及閘123，一輸入端分別地接收解碼器121輸出訊 ^ ’另一輸入端分別地接收眾多的移位暫存器12 2輸出訊 @ ;—或閘124以接收所有眾多的及閘123輸出訊號。 及閘123與或閘124可從眾多的移位暫存器122中選出 Μ當的級輸出，然後輸出訊號fr(n)。根據此構型，即使 ^號VI的頻率變動，訊號f (η)仍可根據頻率偵測電路116 所提供的頻率資訊精準地進行相位移。 應該了解發明的許多修正與調適將使此技藝中技術變 得更明白，且企圖在專利範圍內包含此明顯的修正與改變 (請先閲請背面之注意事項再填寫本頁) 裝-
-、1T 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 圖示簡單說明 /附圖有 第1圖爲在先前技藝中一種算-術--單元之線路方塊圖； 第2圖爲根據本發明第一實施例的算\術單元構型之線 路方塊圖； 第3Α至3G圖爲解釋根據本發明第一實Jt例的算術單元 , ·· _> 各部份運作之波形圖； 第4A至4D圖顯示根據本發明的加減器之―加法與減法計 算意義； 第5圖爲根據本發明第二實施例的算術單元構型之線 ...乂.. 路方塊圖； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2!0'乂297公釐）_ 15 - A7 B7 五、發明説明（13 ) 第6圖_根據本發明第三實施例的算術單元構型之線 路方塊圖； 第7圖爲根據本發明第三實施例的算術單元所使用延 ----------- ----------------- ' · . . 遲線篇範.例之線路圖< 主要元件對照表 201 類比/數位轉換器 116 頻率偵測電路 202 類比/數位轉換器 122 移位暫存器 203 中央處理單元 101 1位元類比/數位轉換器 102 1位元類比/數位轉換器 1 0 3 比較器 1 0 4 比較器 1 0 5 積分器 Γ 0 6 積分器 107D型正反器 108 D型正反器 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 109 上下計數器 110 上下計數器 1 1 1 互斥或閘 1 1 2. 加減器 1 1 3 閂 114 加法器 115 延遲電路 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ , 6 _ .