TWI390213B - 量測直流電壓的方法及直流電壓量測器 - Google Patents

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Description

量測直流電壓的方法及直流電壓量測器
本發明係有關於電壓的量測,特別是有關於直流電壓的量測。
一般而言,可攜式電子裝置係以電池供電。電池所供應的係直流電壓。電池在供電一段時間後,其所供應的電壓會隨著時間經過而下降。當電池供應的電壓下降到一個程度時,便不足以支持可攜式電子裝置的運作,而使可攜式電子裝置失效。因此,為維持可攜式電子裝置的運作,可攜式電子裝置必須具備直流電壓量測器,時時監測電池供應的電壓大小,以便讓使用者能隨時得知電池的使用狀況,而在電池的電力不足前預先更換可攜式電子裝置的電池。
因為大部分的可攜式電子裝置都是數位裝置,一般的直流電壓量測器會以類比至數位轉換器將接收到的輸入直流電壓轉換為數位值,再將該數位值輸出。當可攜式電子裝置收到該數位值之後,便可將該數位值轉換為圖示顯示於可攜式電子裝置的螢幕上,以表示電池目前的電量。然而,受限於類比至數位轉換器的精確度,由輸入直流電壓轉換得到的數位值時常無法精確表示輸入直流電壓目前的電量。舉例來說,輸入電壓範圍為0V~3V的5位元類比至數位轉換器共有32(=25 )種輸出值,其精確度約為0.09V(=3/32),在此精確度範圍內的電壓變化便無法被類比至數位轉換器量測到。
第1圖為習知直流電壓量測方法的示意圖。假設直流電壓量測器的類比至數位轉換器共有5種輸出值,分別為0、1、2、3、4。輸出值0、1、2、3、4分別對應-0.5V~0.5V、0.5V~1.5V、1.5V~2.5V、2.5V~3.5V、3.5V~4.5V的輸入電壓範圍。當一輸入直流電壓為2.8V時,該輸入直流電壓落在2.5V~3.5V的電壓範圍,因此類比至數位轉換器會將該輸入直流電壓轉換為數位輸出值3。即使直流電壓量測器不斷在t1、t2、t3、t4、t5時點進行量測,類比至數位轉換器也只會輸出5個數位輸出值3。因此,使用者僅能得到電池的概略電壓3V,無法得知精確電壓2.8V。這樣會造成使用者對電池電量的誤判,從而無法及時的更換電池。因此,需要一種量測直流電壓的方法,可以在類比至數位轉換器有限的精確度下,仍可量測到精確的電壓值。
有鑑於此,本發明之目的在於提供一種量測直流電壓的方法,以解決習知技術存在之問題。首先,接收一輸入直流電壓。接著,加載一暫時性擾動電壓信號於該輸入直流電壓上,以得到一變化電壓,其中該暫時性擾動電壓信號之擾動幅度大於一類比至數位轉換器之一精確度。接著,以該類比至數位轉換器對該變化電壓進行類比至數位轉換,以得到多個大小不完全相同的樣本值。接著,依據該等樣本值導出一平均樣本值。接著,輸出該平均樣本值作為該輸入直流電壓的量測值。
本發明更提供一種直流電壓量測裝置。於一實施例中,該直流電壓量測裝置包括一擾動電路、一類比至數位 轉換器、以及一控制器。該擾動電路接收一輸入直流電壓,並加載一暫時性擾動電壓信號於該輸入直流電壓上以得到一變化電壓,其中該暫時性擾動電壓信號之擾動幅度大於一類比至數位轉換器之一精確度。該類比至數位轉換器對該變化電壓進行類比至數位轉換,以得到多個大小不完全相同的樣本值。該控制器依據該等樣本值導出一平均樣本值,並輸出該平均樣本值作為該輸入直流電壓的量測值。
為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂,下文特舉數較佳實施例,並配合所附圖示,作詳細說明如下:
第2圖為依據本發明之直流電壓量測裝置200的區塊圖。直流電壓量測裝置200接收一輸入直流信號Vin ,並將該輸入直流信號Vin 轉換為一數位輸出值A。於一實施例中,直流電壓量測裝置200包括擾動電路202、類比至數位轉換器204、以及控制器206。第3圖為依據本發明之量測直流電壓的方法300的流程圖。直流電壓量測裝置200依據方法300轉換該輸入直流信號Vin 為數位輸出值A,其中該數位輸出值A的精確度高於類比至數位轉換器204的精確度。由於習知直流電壓量測器會受限於類比至數位轉換器的精確度,而依據本發明之直流電壓量測裝置200可產生具有高於類比至數位轉換器204的精確度的數位輸出值A,本發明之直流電壓量測裝置200具有較習知直流電壓量測器為高的效能。
首先,擾動電路202接收一輸入直流電壓Vin (步驟 302)。接著,擾動電路202加載一暫時性擾動電壓信號於該輸入直流電壓Vin 上,以得到一變化電壓Vin ’(步驟304)。暫時性擾動電壓信號之擾動只持續一小段時間,且擾動幅度大於類比至數位轉換器204之精確度。當擾動電路202產生變化電壓Vin ’之後,變化電壓Vin ’便會暫時性的在輸入直流電壓Vin 的位準附近做小幅偏移。接著,擾動電路202產生的變化電壓Vin ’被輸入類比至數位轉換器204。類比至數位轉換器204接著對該變化電壓Vin ’進行類比至數位轉換,以得到對應不同量測時點的多個樣本值S(步驟306)。由於變化電壓Vin ’會暫時性的在輸入直流電壓Vin 的位準附近做小幅偏移,由變化電壓Vin ’轉換所得的多個樣本值S之大小亦不完全相同。
類比至數位轉換器204產生的多個樣本值S被輸入控制器206。接著,控制器206依據該等樣本值S導出一平均樣本值A(步驟308)。於一實施例中,控制器206自該等樣本值選取多個樣本值,接著平均該等被選取樣本值以得到該平均樣本值A。於另一實施例中,控制器206自該等樣本值選取多個樣本值,接著對該等被選取樣本值進行加權平均以得到該平均樣本值A。該等被選取樣本值的權重依變化電壓Vin ’的變化方式而定。若變化電壓Vin ’隨時間增加逐漸趨近輸入直流電壓Vin ,則取樣時點愈晚的被選取樣本值的權重愈大。
由於該等被選取樣本值之大小不完全相同且都近似於該輸入直流電壓Vin 的位準,因此平均樣本值A可作為輸入直流電壓Vin 的近似值。此外,由於平均樣本值A係由 多個被選取樣本值進行平均或加權平均而得,因此平均樣本值A的精確度會高於被選取樣本值的精確度。另外,若變化電壓Vin ’並非以輸入直流電壓Vin 之值為中心變動,則控制器406於平均被選取樣本值以得到平均值後,需再將該平均值加一補償值,以得到該平均樣本值A。最後,控制器206輸出該平均樣本值A作為該輸入直流電壓Vin 的量測值(步驟310)。
第4圖為依據本發明之直流電壓量測裝置400的一實施例之區塊圖。直流電壓量測裝置400包括擾動電路402、類比至數位轉換器404、及控制器406。擾動電路402首先將該變化電壓Vin ’由輸入直流電壓Vin 下拉至一地電位,接著使變化電壓Vin ’由該地電位逐步充電到該輸入直流電壓Vin 之電位。於一實施例中,擾動電路402包括一電容412及一開關元件414。於一實施例中,擾動電路402具有一輸出節點416,以輸出變化電壓Vin ’至類比至數位轉換器404。電容412耦接於輸出節點416與地電位之間。同樣的,開關元件414亦耦接於輸出節點416與地電位之間。輸入直流電壓Vin 亦耦接至輸出節點416。
第5圖為依據本發明之直流電壓量測裝置400之擾動電路402所產生的變化電壓Vin ’的示意圖。變化電壓Vin ’係以曲線500表示。於時點t0之前,擾動電路402之開關元件414係打開。此時輸出節點416耦接至輸入直流電壓Vin ,因此變化電壓Vin ’維持在輸入直流電壓Vin 的大小。接著,擾動電路402於時點t0將開關元件414關上,從而將輸出節點416耦接至地電位。因此,輸出節點416之變 化電壓Vin ’於時點t0被下拉至地電位。接著,擾動電路402又將開關元件414打開,從而除去輸出節點416與地電位之間的耦接。因為輸出節點416仍耦接至輸入直流電壓Vin ,變化電壓Vin ’隨時間經過逐漸回升趨近於輸入直流電壓Vin 的大小。
變化電壓Vin ’被送至類比至數位轉換器404。假設類比至數位轉換器404分別於時點t1、t2、t3、t4、t5取樣,以分別得到樣本502、504、506、508、510。假設類比至數位轉換器404共有5種輸出值,分別為0、1、2、3、4。輸出值0、1、2、3、4分別對應-0.5V~0.5V、0.5V~1.5V、1.5V~2.5V、2.5V~3.5V、3.5V~4.5V的電壓範圍。樣本502、504之電壓落在1.5V~2.5V的電壓範圍,從而類比至數位轉換器會轉換樣本502、504為數位輸出值2。樣本506、508、510之電壓落在2.5V~3.5V的電壓範圍,從而類比至數位轉換器會轉換樣本506、508、510為數位輸出值3。
接著,控制器406對樣本502~510的數位輸出值2、2、3、3、3進行平均,得到平均值2.6。由於擾動電路402係將輸入直流電壓Vin 下拉以得到變化電壓Vin ’,樣本平均值會較輸入直流電壓Vin 的大小為低,因此控制器406再將平均值2.6加上補償值0.2以得到最終輸出的平均樣本值2.8。此平均樣本值2.8相當接近輸入直流電壓Vin 的大小2.8V。相較於第1圖之習知方法僅能得到電池的概略電壓3V,本發明的量測值2.8V很明顯的較習知方法所得的量測值更為精確。
第6圖為依據本發明之直流電壓量測裝置600的另一 實施例之區塊圖。直流電壓量測裝置600包括擾動電路602、類比至數位轉換器604、及控制器606。擾動電路602包括一弦波產生器612及一相加電路614。弦波產生器612首先產生一弦波D以作為暫時性擾動電壓信號。於一實施例中,該弦波D之振幅大於類比至數位轉換器604的精確度之幅度的二分之一,因此可利用弦波D產生幅度大於類比至數位轉換器604的精確度之擾動。接著,相加電路602將弦波D加載於輸入直流電壓Vin 上以得到變化電壓Vin ’。因此變化電壓Vin ’之電位係一以輸入直流電壓Vin 為中心進行小幅震盪,而類比至數位轉換器604可取樣變化電壓Vin ’而得到多個數位樣本值S,該等數位樣本值S之大小不同但都近似於輸入直流電壓Vin 之值。因此,控制器606可藉該等數位樣本值S導出具有高精確度的平均樣本值A,以作為該輸入直流電壓Vin 的量測值。
第7圖為依據本發明之直流電壓量測裝置600之擾動電路602所產生的變化電壓Vin ’的示意圖。變化電壓Vin ’係以曲線700表示。於時點t0之前,擾動電路602之弦波產生器612尚未產生弦波D,因此相加電路614產生的變化電壓Vin ’維持在輸入直流電壓Vin 的大小。接著,弦波產生器612於時點t0開始產生弦波D,從而相加電路614產生的變化電壓Vin ’於時點t0開始以輸入直流電壓Vin 為中心進行小幅震盪。變化電壓Vin ’被送至類比至數位轉換器604。假設類比至數位轉換器604分別於時點t1、t2、t3、t4、t5取樣,以分別得到樣本702、704、706、708、710。假設類比至數位轉換器604共有5種輸出值,分別為0、1、 2、3、4。輸出值0、1、2、3、4分別對應-0.5V~0.5V、0.5V~1.5V、1.5V~2.5V、2.5V~3.5V、3.5V~4.5V的電壓範圍。
由於樣本702、706、710之電壓落在2.5V~3.5V的電壓範圍,從而類比至數位轉換器會轉換樣本702、706、710為數位輸出值3。樣本704、708之電壓落在3.5V~4.5V的電壓範圍,從而類比至數位轉換器會轉換樣本704、708為數位輸出值4。接著,控制器606對樣本702~710的數位輸出值3、4、3、4、3進行平均,得到平均樣本值3.4。此平均樣本值3.4相當接近輸入直流電壓Vin 的大小3.3V。若採取第1圖之習知方法,則僅能得到電池的概略電壓3V。因此,本發明的量測值3.4V很明顯的較習知方法所得的量測值更為精確。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此項技術者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作些許之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
(第2圖)
200‧‧‧直流電壓量測裝置
202‧‧‧擾動電路
204‧‧‧類比至數位轉換器
206‧‧‧控制器
(第4圖)
400‧‧‧直流電壓量測裝置
402‧‧‧擾動電路
404‧‧‧類比至數位轉換器
406‧‧‧控制器
412‧‧‧電感
414‧‧‧開關元件
(第6圖)
600‧‧‧直流電壓量測裝置
602‧‧‧擾動電路
604‧‧‧類比至數位轉換器
606‧‧‧控制器
612‧‧‧弦波產生器
614‧‧‧相加電路
第1圖為習知直流電壓量測方法的示意圖;第2圖為依據本發明之直流電壓量測裝置的區塊圖;第3圖為依據本發明之量測直流電壓的方法的流程圖;第4圖為依據本發明之直流電壓量測裝置的一實施例之區塊圖;第5圖為依據本發明之第4圖的直流電壓量測裝置之擾動電路所產生的變化電壓的示意圖; 第6圖為依據本發明之直流電壓量測裝置的另一實施例之區塊圖;以及第7圖為依據本發明之第6圖的直流電壓量測裝置之擾動電路所產生的變化電壓的示意圖。

Claims (18)

  1. 一種量測直流電壓的方法,包括下列步驟:接收一輸入直流電壓;加載一暫時性擾動電壓信號於該輸入直流電壓上,以得到一變化電壓,其中該暫時性擾動電壓信號之擾動幅度大於一類比至數位轉換器之一精確度;以該類比至數位轉換器對該變化電壓進行類比至數位轉換,以得到多個大小不完全相同的樣本值;依據該等樣本值導出一平均樣本值;以及輸出該平均樣本值作為該輸入直流電壓的量測值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之量測直流電壓的方法,其中該暫時性擾動電壓信號之加載步驟包括:將該變化電壓下拉至一地電位;以及將該變化電壓由該地電位逐步充電到該輸入直流電壓之電位。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之量測直流電壓的方法,其中該暫時性擾動電壓信號之加載步驟包括:耦接輸出該變化電壓之一輸出節點至該輸入直流電壓;耦接一電容於該輸出節點及該地電位之間;以及耦接一開關元件於該輸出節點及該地電位之間;其中該變化電壓之下拉步驟包括:關上該開關元件以耦接該輸出節點及該地電位;其中該變化電壓之充電步驟包括:打開該開關元件以去除該輸出節點及該地電位間的耦 接。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之量測直流電壓的方法,其中該暫時性擾動電壓信號為一弦波,該弦波之振幅大於該精確度的二分之一。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之量測直流電壓的方法,其中該暫時性擾動電壓信號之加載步驟包括:以一弦波產生器產生一弦波以作為該暫時性擾動電壓信號,其中該弦波之振幅大於該精確度的二分之一;以及將該弦波加載於該輸入直流電壓上,以得到該變化電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之量測直流電壓的方法,其中該平均樣本值之導出步驟包括:自該等樣本值選取多個第一樣本值;以及平均該等第一樣本值以得到該平均樣本值。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之量測直流電壓的方法,其中該平均樣本值之導出步驟包括:自該等樣本值選取多個第一樣本值;以及加權平均該等第一樣本值以得到該平均樣本值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之量測直流電壓的方法,其中該變化電壓隨時間逐漸趨近於該輸入直流電壓,且該等第一樣本值之取樣時點愈晚,該等第一樣本值之權重愈大。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之量測直流電壓的方法,其中該輸入直流電壓為一電池電壓。
  10. 一種直流電壓量測裝置,包括: 一擾動電路,接收一輸入直流電壓,並加載一暫時性擾動電壓信號於該輸入直流電壓上以得到一變化電壓,其中該暫時性擾動電壓信號之擾動幅度大於一類比至數位轉換器之一精確度;該類比至數位轉換器,對該變化電壓進行類比至數位轉換,以得到多個大小不完全相同的樣本值;以及一控制器,依據該等樣本值導出一平均樣本值,並輸出該平均樣本值作為該輸入直流電壓的量測值。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之直流電壓量測裝置,其中該擾動電路將該變化電壓下拉至一地電位,接著將該變化電壓由該地電位逐步充電到該輸入直流電壓之電位,以產生該變化電壓。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之直流電壓量測裝置,其中該擾動電路包括:一電容,耦接於該變化電壓之一輸出節點與一地電位之間,其中該輸出節點更耦接至該輸入直流電壓;以及一開關元件,耦接於該輸出節點與該地電位之間,被關上以耦接該輸出節點及該地電位從而下拉該變化電壓,接著被打開以去除該輸出節點及該地電位間的耦接從而充電該變化電壓。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之直流電壓量測裝置,其中該暫時性擾動電壓信號為一弦波,該弦波之振幅大於該精確度的二分之一。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之直流電壓量測裝置,其中該擾動電路包括: 一弦波產生器,產生一弦波以作為該暫時性擾動電壓信號,其中該弦波之振幅大於該精確度的二分之一;以及一相加電路,將該弦波加載於該輸入直流電壓上以得到該變化電壓。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之直流電壓量測裝置,其中該控制器自該等樣本值選取多個第一樣本值,以及平均該等第一樣本值以得到該平均樣本值。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之直流電壓量測裝置,其中該控制器自該等樣本值選取多個第一樣本值,以及加權平均該等第一樣本值以得到該平均樣本值。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之直流電壓量測裝置,其中該變化電壓隨時間逐漸趨近於該輸入直流電壓,且該等第一樣本值之取樣時點愈晚,該等第一樣本值之權重愈大。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之直流電壓量測裝置,其中該輸入直流電壓為一電池電壓。
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