TWI409467B - 均方根（ｒｍｓ）測量裝置及方法 - Google Patents

Description

均方根(RMS)測量裝置及方法

本發明大體上係關於測量技術，且更具體而言，本發明係關於在一測量裝置內計算一交流電之均方根值的有效及準確的方法。

本申請案主張2008年10月29日申請之名為「RMS Metering Devices and Methods」的美國臨時申請案第61/109,424號及2009年10月26日申請之名為「RMS Metering Devices and Methods」的美國實用申請案第12/605,663號之優先權，該兩案之全文以引用的方式併入本文中。

熟悉此項技術者能夠理解有效及準確地測量一交流電(下文中稱「AC」)信號之電流、電壓及功率位準的重要性。通常，某種類型之電流及電壓位準之一準確測量需要在測量或計算過程中處理該AC信號之低頻率及高頻率成分兩者。該AC信號內之高頻率成分的測量通常是複雜的，且需要一高速類比至數位轉換器(下文中稱「ADC」)以適當地取樣該高頻率成分。在一測量系統內之此一高速ADC的內容物會明顯地提高該系統之晶粒尺寸、功率消耗及其總成本。結果，當識別某些信號特性諸如均方根(下文中稱「RMS」)電壓及電流位準時，傳統的測量系統通常忽略該AC信號的高頻率成分，且這樣做的話會在此等計算的位準中犧牲準確度的位準。

在電測量裝置的情況中，待測量之一AC信號可包含由通常運用於升高功率效率的功率因數校正電路感應產生的高頻率諧波及高頻率切換電流。其他高頻率成分亦可存在於該AC信號上，所有這些會複雜化該信號之RMS電壓及電流位準之一準確決定。

傳統的測量裝置測量該AC信號上的電壓及電流，並計算對應的功率及RMS電壓及電流位準。此等計算包含通常係簡單實施於使用現代數位信號處理技術之測量裝置的數位域中的平均化、過濾及數學運算。然而，此等數位信號處理技術的使用需要該AC信號被轉換到該數位域中，這通常係由ADC完成。在先前技術系統中，於該測量裝置中需要一高速ADC以容許該信號之高頻率成分至數位域的轉換及該AC信號之低及高頻率成分二者的測量。此高速ADC之成本對於一商業可行測量裝置而言通常係過高，因此較高頻率成分被忽略且某些RMS計算含有一相應的錯誤。

圖1說明一例示性測量裝置，其中在計算一AC信號之一RMS電流中，高頻率成分被忽略。測量裝置110提供一RMS電壓計算、一RMS電流計算及一功率計算。該測量裝置110包括轉換電壓到數位域中的在一第一ADC 115上之一電壓輸入，及轉換低頻率電流到該數位域中的在一第二ADC 120上之一低頻率電流輸入。在該AC信號中之高頻率電流成分可藉由使用在此低頻率電流輸入之前之一低通濾波器(圖中未繪示)而從該電流輸入被移除。在某些實例中，一單一ADC被用於轉換該電壓及電流輸入兩者到該數位域中。

在計算該功率中，該數位化電壓及低頻率電流值係由乘法器125來相乘。一低通濾波器130平均化該乘法器125之輸出並產生一功率讀數。

在計算該RMS電壓中，該數位化電壓係由平方器135來平方且一低通濾波器140平均化該經平方之電壓。一平方根模組145在該經平均化經平方之電壓上執行一平方根運算並產生一對應RMS電壓讀數。

在計算該RMS電流中，該數位化低頻率電流係由平方器150來平方且一低通濾波器155平均化該經平方之電流。一平方根模組160在該經平均化經平方之電流上執行一平方根運算並產生一對應RMS電流讀數。

如前文所討論，在此等運算中未能包含高頻率成分將導致在一個或多個該等讀數中之錯誤。例如，在某些實例中，因為該高頻率電流成分被忽略，該RMS電流讀數可能有該AC信號之真RMS電流的多至20%的誤差。

在某些環境中AC信號測量中之準確性係重要的，諸如有許多電腦裝置操作，且在適當操作中功率管理及熱監測係為關鍵的資料中心。未能適當測量及計算功率、RMS電壓及RMS電流位準可能導致該等裝置的管理不善及可能的損壞。因此，需要的是能夠在測量測定及計算中有效地納入一AC信號之高頻率成分之一裝置及方法。

本發明之實施例提供用於有效計算一AC信號之一真均方根(RMS)值(電壓或電流)的系統、裝置及方法。該RMS值係從在該系統內無一高速ADC被整合的該AC信號之高及低頻率成分二者所產生。該高頻率成分係由計算該高頻率成分之一平均電流波形及使用一波形因數近似化一對應RMS值予以處理。該波形因數係有效地將該高頻率成分之該平均電流波形與一適當RMS值聯繫起來的一純量。此波形因數依高頻率成分的形狀而改變且可使用此處描述之多種方法決定。結果，可使用相對小及成本上有利的電路結構，識別一準確RMS值。

以下將以本發明之實施例作為參考，此等實施例之實例可能在圖式中有所說明。該等圖式只為說明性而用，無限制之意義。儘管本發明大體上在該等實施例之內容中描述，但應瞭解的是本發明之範圍不受該等特殊實施例之限制。

在以下描述中，為解釋之目的，提出特殊細節以提高對於本發明之一理解。然而，對於熟悉此項技術者將顯而易見的是，本發明可在無此等細節下被實踐。熟悉此項技術者將認識到的是，其中一些將在下文中描述的本發明之實施例可被併入到許多不同電子組件、電路、裝置及系統中。本發明之實施例可作用在阻抗匹配相關之包含高頻率RF應用的多種不同類型的環境中。下文在方塊圖中繪示的結構及裝置係本發明之例示性實施例的說明且有意避免模糊本發明。此外，在圖中組件之間的連接不規定限制於直接連接。更正確的是，此等組件之間的連接可被修改、重排格式又或者由中間組件而改變。

在說明書中對於「一個實施例」或「一實施例」作出的敘述表示連同該實施例描述之一特殊特徵、結構、特性或功能被包含在本發明之至少一實施例中。片語「在一實施例中」在說明書中的多種位置的出現不必全指相同的實施例。

在以下描述中，將按照產生一AC信號之一功率位準、RMS電流位準及RMS電壓位準的一測量裝置描述本發明之實施例。然而，熟悉此項技術者將認識到的是，本發明可適用於執行高頻率成分信號被處理之準確及有效RMS計算的多種不同裝置及技術。此外，熟悉此項技術者將認識到的是，可使用包含不同信號類型、波形、頻率等的本發明之不同實施例分析多種信號。

根據本發明之多種實施例，提供三個信號路徑被整合到該裝置電路中之一測量裝置。一第一路徑計算與一AC信號相關之一功率位準。一第二路徑計算與該AC信號相關之一RMS電壓。一第三路徑計算與該AC信號相關之一RMS電流。

如前文所描述，該AC信號包括低頻率及高頻率成分二者。圖2說明具有容納在一整流正弦波之一包絡中的一高頻率成分且從一功率因數校正電路產生之一例示性電流波形。在此說明中，一波形包括由通過一線圈感應器在該功率因數校正電路內部持續地導通及斷開電流而產生之一三角形、高頻率成分220。在某些實例中，取決於附加在該電源上之負載，該高頻率電流可為從100KHz至400KHz。熟悉此項技術者將認識到的是，該高頻率成分可具有多種波形且從在一信號路徑內之不同源所產生。

一引入的AC信號被分離成高頻率及低頻率，致使其每一個可獨立地被處理。如前文所述，由於在系統內整合一高速ADC之成本，先前技術系統無法有效處理高頻率成分。一高速ADC被定義為具有一取樣率大於1Msps之一ADC。

在本發明之多種實施例中，使用濾波器分離該AC信號之該高頻率成分及低頻率成分。在許多實例中，該兩個頻率成分係明顯不同的(例如，低頻率成分大約60Hz及高頻率成分大約400KHz)，因此該濾波過程係相對簡單的。圖3說明由高頻率及低頻率成分二者產生之一例示性電流波形。電流波形310由一低頻率電流成分320及一高頻率電流成分330二者組成。藉由分別處理該等成分之每一者，對於該引入的AC信號，功率位準、RMS電流位準及RMS電壓位準可被計算，其中該等成分二者均被包含在該等計算中。

使用該等公式(其中T代表該低頻率AC輸入波形之週期)可計算使用該等成分二者之一AC信號的功率位準、RMS電流位準及RMS電壓位準：

在以上方程式中，<VI_H >及<I_L I_H >二者變成零，因為該低頻率成分信號在一非常短的平均時間週期T_a 中幾乎為一常數因數，而該高頻率成分信號之平均被定義為零(也就是，<I_H >=0)。此可在數學上描述為以下：

注意到Ta代表該高頻率電流輸入波形之典型週期。

該功率方程式P=<VI>表示功率可藉由在該電壓與電流之低頻率成分之間取得該平均功率值而被計算。該電壓之RMS值不受到該高頻率電流成分之存在的影響。然而，熟悉此項技術者將認識到的是，該RMS電流之一測量需要計算<I_H ² >。如前文所述，先前技術系統將需要高頻率電流成分被轉換到數位域中，此係複雜且昂貴的過程。然而，根據本發明之多種實施例，代替直接轉換該高頻率電流成分到數位域中，在該高頻率成分之一平均波形與該RMS電流之間的一關係被平衡以近似該高頻率電流成分之一數位值。

在本發明之某些實施例中，該高頻率成分之一絕對值被用於識別該平均高頻率成分。圖4說明從該高頻率成分之絕對值產生之一平均或中數(mean)波形的一實例。如所繪示，該平均波形I_mn 430可從該高頻率電流成分的該絕對值|I_H | 420中被識別出來，該絕對值係從該高頻率波形I_H 410中所產生的。可執行在包含運用一比較器及開關之一簡單類比硬體電路的使用之技術內已知的多種技術而獲得該高頻率電流成分410之絕對值。此運算可在數學上描述為如下：

由於相對於該高頻率電流成分之頻率的縮減，現可由一慢ADC而數位化該平均波形430。使用該數位化平均波形並平衡其與一對應電流值之關係，可使用一波形因數近似該高頻率電流成分之一RMS電流值。前文所述，使用一慢ADC代替該快ADC之能力容許在計算RMS電流值中之一更具成本效率之解決方案。

圖5說明定義一平均或中數量值與基於繪示為一波形因數的一純量之一RMS值之間的關係之波形因數之實例。熟悉此項技術者將認識到的是，可存在其他將一中數量值與一RMS值聯繫起來之波形因數。

使用該波形因數，一AC信號之該RMS電流可由以下方程式而近似：

圖6說明根據本發明之多種實施例的一測量裝置。該裝置具有包括一RMS電壓路徑、一功率路徑及一RMS電流路徑之三個信號路徑。

該RMS電壓路徑接收經由多工器610通過一低通ADC 640而切換的一AC信號之一電壓輸入。該ADC 640數位化由平方器645而平方的該電壓輸入。該平方器645之輸出由一低通濾波器646在一特殊時間週期當中被平均化。該平均化電壓信號接著由平方根模組647而經平方根運算，此產生對應於該AC信號之電壓輸入的一RMS電壓。

參考該功率路徑，一電流輸入在輸出該AC信號之一低頻率成分到該多工器610的一低通濾波器620被接收。該AC信號的該電壓輸入亦在該多工器610處接收，該多工器切換該電壓輸入及該低頻率成分至該ADC 640而致使此二者可被數位化。該數位化電壓及該數位化低頻率成分在一乘法器650相乘且所得之信號由一低通濾波器651而平均化。該低通濾波器651輸出對應於該AC信號之一功率計算。

該RMS電流路徑從該AC信號接收一電流輸入，並分離該輸入電流為高頻率及低頻率成分。在某些實施例中，該低通濾波器620移除該高頻率成分，並輸出該AC信號之一低頻率成分到該多工器610。一高通濾波器625移除該低頻率成分，並輸出一高頻率成分到一絕對值模組630。提供來自該絕對值模組630之輸出到一低通濾波器635，該低通濾波器產生對應於該AC信號之該高頻率成分的平均化、絕對值波形。該平均化波形被提供到該多工器610，該多工器610切換該低頻率成分及對應於該高頻率成分之該平均化波形到數位化兩信號之該ADC 640。

該數位化低頻率成分係由平方器660平方，且該輸出被提供到加法器661。從該高頻率成分之絕對值產生之該數位化平均化波形被提供到一乘法器670，其以一波形因數680與該平均化波形相乘。如前文所述，該波形因數680操作係一將該平均波形與一RMS值聯繫起來的純量。熟悉此項技術者將認識到可使用不同方法識別一適當波形因數680，稍後討論其實例。

該乘法器670輸出關於該高頻率成分之一RMS值到一平方該RMS值並提供該輸出到該加法器661的平方器665。該加法器661添加關於該高頻率成分及該平方化、數位化低頻率成分之該經平方的RMS值，並提供該輸出到該低通濾波器662。該低通濾波器662平均化該信號，並提供該信號到一平方根模組663，其產生對於該AC信號之一RMS電流位準。此RMS電流位準納入該AC信號內之高頻率及低頻率成分二者。

熟悉此項技術者將認識到的可運用其他電路來完成相同的結果。例如，圖7說明不連續低速ADC 726、727、728及用於代替該多工器610及該低速ADC 640的一電路。

在本發明之多種實施例中，該波形因數680可使用多種方法識別。在一第一實例中，該波形因數680被識別並優先基於一待測量信號之高頻率成分的波形之一先存在知識而程式化到該電路中。此先存在知識可基於該高頻率成分之來源及關於來自該來源而產生之波形的一理解。在一第二實例中，該波形因數680在校準期間藉由觀測該高頻率成分(諸如在一示波器上觀察它)及以一適當波形因數手動匹配該波形而被識別。在一第三實例中，該電路藉由提供具有已知RMS電流值之測試信號到該電路中並識別一適當波形因數680而被校準。此校準過程可被執行多次，致使一較佳波形因數被重複識別，從而致使該電路之效能被明確地調整到起操作的該環境中。

本發明之前述說明已為清楚及理解的目的而描述。不希望限制本發明為所揭示的精確形式。在附加技術方案之範圍及其等效物內多種修正係可能的。

110．．．測量裝置

115．．．第一ADC

120．．．第二ADC

125．．．乘法器

130．．．低通濾波器

135．．．平方器

140．．．低通濾波器

145．．．平方根模組

150．．．平方器

155．．．低通濾波器

160．．．平方根模組

220．．．三角形、高頻率成分

310．．．電流波形

320．．．低頻率電流成分

330．．．高頻率電流成分

410．．．高頻率波形

420．．．絕對值

430．．．平均波形

610．．．多工器

620．．．低通濾波器

625．．．高通濾波器

630．．．絕對值模組

635．．．低通濾波器

640．．．低通ADC

645．．．平方器

646．．．低通濾波器

647．．．平方根模組

650．．．乘法器

651．．．低通濾波器

660．．．平方器

661．．．加法器

662．．．低通濾波器

663．．．平方根模組

665．．．平方器

670．．．乘法器

680．．．波形因數

726．．．不連續低速ADC

727．．．不連續低速ADC

728．．．不連續低速ADC

圖1係提供功率、RMS電壓及RMS電流運算之一先前技術測量裝置。

圖2係由功率因數校正電路產生之一代表性高頻率電流切換波形。

圖3說明繪示根據本發明之多種實施例的高頻率及低頻率成分二者的一波形。

圖4說明繪示根據本發明之多種實施例的一高頻率成分及一絕對高頻率成分二者之一平均電流波形。

圖5繪示根據本發明之多種實施例的多種波類型之例示性波形因數。

圖6係根據本發明之多種實施例的具有功率、RMS電壓及RMS電流運算之一測量裝置的一方塊圖。

圖7係根據本發明之多種實施例的具有功率、RMS電壓及RMS電流運算之一測量裝置的另一方塊圖。

610．．．多工器

620．．．低通濾波器

625．．．高通濾波器

630．．．絕對值模組

635．．．低通濾波器

640．．．低通ADC

645．．．平方器

646．．．低通濾波器

647．．．平方根模組

650．．．乘法器

651．．．低通濾波器

660．．．平方器

661．．．加法器

662．．．低通濾波器

663．．．平方根模組

665．．．平方器

670．．．乘法器

680．．．波形因數

Claims (20)

1. 一種均方根(「RMS」)測量器，包括：一電流介面，一電流信號在其上被接收；至少一類比至數位轉換器，其輸出一對應於該電流信號之一低頻率成分的數位化低頻率電流信號，及一對應於該電流信號之一高頻率成分的數位化平均化絕對值波形；一第一電流平方器，其經耦接以接收該數位化低頻率電流信號，該第一電流平方器產生一數位化低頻率平方電流信號；一第一乘法器，其經耦接以接收該數位化平均化絕對值波形及一波形因數，該第一乘法器產生對應於該電流信號之該高頻率成分之一RMS值之一近似RMS值；一第二電流平方器，其經耦接以接收該近似RMS值，該第二電流平方器產生一經平方RMS值；一加法器，其經耦接以接收該數位化低頻率信號及該平方RMS值，該加法器產生一對應於該電流信號之高及低頻率成分二者的加總平方電流輸出；一第一低通濾波器，其經耦接以接收該加總平方電流輸出，該第一低通濾波器產生一平均化加總平方電流輸出；及一平方根模組，其經耦接以接受該平均化加總平方電流輸出，該平方根模組產生一對應於該電流信號內之該高頻率及低頻率成分二者的RMS電流位準。
2. 如請求項1之RMS測量器，進一步包括：一第一電壓介面，在其上一數位化電壓信號被接收；及一RMS電壓路徑，其經耦接以接收該數位化電壓信號，該RMS電壓路徑包括一電壓平方器、一低通濾波器及為該數位化電壓信號產生一RMS電壓值之一電壓平方根模組。
3. 如請求項2之RMS測量器，進一步包括：一第二乘法器，其經耦接以接收該數位化電壓信號及該數位化低頻率電流信號，該第二乘法器產生一功率信號；及一第二低通濾波器，其經耦接以接收該功率信號，該第二低通濾波器產生一功率計算。
4. 如請求項3之RMS測量器，進一步包括一多工器，該工多器經耦接以接收一電壓信號、該電流信號之該低頻率成分及該電流信號之該高頻率成分，該多工器切換該電壓信號、該電流信號之該低頻率成分及該電流信號之該高頻率成分的每一者到一對應路徑上。
5. 如請求項3之RMS測量器，其中該至少一類比至數位轉換器係耦接至該多工器之一單一類比至數位轉換器，且通過該類比至數位轉換器而提供一電壓路徑、一低頻率電流路徑及一高頻率電流路徑。
6. 如請求項3之RMS測量器，進一步包括：一高通濾波器，其係耦接至該電流介面，該高通濾波 器從該電流信號移除至少一部分該低頻率成分；一絕對值模組，其係耦接至該高通濾波器，該絕對值模組在該高通濾波器之一輸出上施用一絕對值運算；及一低通濾波器，其係耦接於該絕對值模組與一多工器之間，該低通濾波器產生對應於該電流信號之該高頻率成分之一平均化、絕對值波形。
7. 如請求項6之RMS測量器，進一步包括一低通濾波器，其係耦接至該電流介面，該低通濾波器從該電流信號移除一高頻率成分。
8. 如請求項1之RMS測量器，其中該波形因數係先驗地基於該高頻率成分波形之一理解而產生。
9. 如請求項1之RMS測量器，其中該波形因數係藉由觀測該電流信號之該高頻率成分而在一校準過程期間產生。
10. 一種RMS測量系統，其包括：一電壓路徑，其接收一數位化電壓信號並產生對應於該數位電壓信號之一RMS電壓；一電流路徑，其接收一電流信號之一數位化低頻率成分及對應於該電流信號之高頻率成分之一數位化平均化絕對值波形，該電流路徑藉由處理該數位化低頻率成分、該數位化平均化絕對值波形及一波形因數而產生一RMS電流；及一功率路徑，其接收該數位化電壓信號及該電流信號之該數位化低頻率成分，該功率路徑產生對應於該數位化電壓信號及該電流信號之該數位化低頻率成分之一功 率值。
11. 如請求項10之RMS測量系統，其中一類比至數位轉換器從一類比電壓信號產生該數位化電壓信號，且其中該類比至數位轉換器產生該電流信號之該數位化低頻率成分及對應於該電流信號之該高頻率成分之該數位化平均化絕對值波形。
12. 如請求項10之RMS測量系統，其中複數個類比至數位轉換器從一類比電壓信號產生該數位化電壓信號、該電流信號之該數位化低頻率成分及對應於該電流信號之該高頻率成分之該數位化平均化絕對值波形。
13. 如請求項10之RMS測量系統，其中該電流路徑包括：一第一電流平方器，其經耦接以接收該電流信號之該數位化低頻率成分，該第一電流平方器產生一數位化低頻率平方電流信號；一乘法器，其經耦接以接收該數位化平均化絕對值波形及一波形因數，該第一乘法器產生對應於該電流信號之該高頻率成分之一RMS值之一近似RMS值；一第二電流平方器，其經耦接以接收該近似RMS值，該第二電流平方器產生一平方RMS值；一加法器，其經耦接以接收該數位化低頻率信號及該平方RMS值，該加法器產生一對應於該電流信號之高及低頻率成分二者的加總平方電流輸出；一第一低通濾波器，其經耦接以接收該加總平方電流輸出，該低通濾波器產生一平均化加總平方電流輸出；及一平方根模組，其經耦接以接受該平均化加總平方電流輸出，該平方根模組產生一對應於該電流信號內之該高頻率及低頻率成分二者的RMS電流位準。
14. 如請求項10之RMS測量系統，其中該電壓路徑包括一電壓平方器、一低通濾波器及為該數位化電壓信號產生一RMS電壓值之一電壓平方根模組。
15. 如請求項10之RMS測量系統，其中該功率路徑包括：一乘法器，其經耦接以接收該數位化電壓信號及該數位化低頻率電流信號，該第二乘法器產生一功率信號；及一第二低通濾波器，其經耦接以接收該功率信號，該第二低通濾波器產生一功率計算。
16. 一種計算一RMS電流值之方法，該方法包括：接收一類比電流信號；平方對應於該類比電流信號之一低頻率成分之一數位化低頻率電流信號；產生該類比電流信號之一高頻率成分之一近似RMS值，該近似RMS值係以一波形因數與一數位化平均化絕對值波形相乘而產生；平方該近似RMS值；將該數位化低頻率平方電流信號與該近似RMS值相加；平均化該經加總之近似RMS值及數位化低頻率平方電流信號；及藉由平方根該平均化經加總近似RMS值及數位化低頻率平方電流信號來產生一RMS電流值。
17. 如請求項16之方法，進一步包括步驟：藉由從該類比電流信號移除低頻率成分而隔離該類比電流信號之一波形；在該類比信號之該波形上執行一絕對值運算；平均化該絕對值波形；及數位化該平均化絕對值波形，使得建立一數位化平均化絕對值波形。
18. 如請求項16之方法，其中進一步該數位化低頻率電流信號係藉由從該類比電流信號移除一高頻率成分及數位化所得低頻率電流信號而產生。
19. 如請求項16之方法，其中該波形因數係先驗地基於該高頻率成分波形之一理解而產生。
20. 如請求項16之方法，其中該波形因數係在一校準過程期間藉由觀測該類比電流信號之該高頻率成分而產生。