TWI458989B - 測量高壓ａｃ信號的方法以及電路 - Google Patents

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Description

測量高壓AC信號的方法以及電路
本發明涉及測量高壓AC信號的方法及用於測量高壓AC信號的電壓測量電路。
現有技術中通常採用電容分壓器電路來測量AC電壓。在這樣一個已知電路中，串聯在一起的第一、第二和和第三電容器構成電容器鏈，選擇電容器的電容值以將施加在電容器鏈上的AC電壓的電平降低到與低壓電子電路一致的最中心電容器(the centre-most capacitor)上的電壓電平。例如，低壓電子電路可包括模數轉換器和之後的數位處理電路。因此，第一至第三電容器的值例如被選擇為可將電容器鏈上的230Vrm電壓擺動降低到在最中心電容器上的大約3V的電壓擺動。
本發明人意識到用於測量AC電壓的電容分壓器電路中所存在的缺陷(當電容分壓器電路中的電容器構成印刷電路板的一部分時)。更具體地說，本發明人意識到當電容器的極板由印刷電路板的導電層定義、且電容器的電介質由印刷電路板的非導電部分所定義時所引發的缺陷。
因此，本發明的目的在於提供一種改進的測量高壓AC信號的方法，所使用的電壓測量電路包括電容分壓器電路，其中電容分壓器電路中的電容器構成印刷電路板的一部分。
本發明的另一目的在於提供一種改進的電壓測量電路，用於測量高壓AC信號，該電壓測量電路包括電容分壓器電路，其中電容分壓器電路中的電容器構成印刷電路板的一部分。
本發明提供一種改進的測量高壓AC信號的方法，所使用的電壓測量電路包括電容分壓器電路和補償電路；所述電容分壓器電路包括：第一和第二輸入端，以及第一、第二和第三電容器；所述第一電容器的第一極板電連接於所述第一輸入端，所述第一電容器的相對的第二極板電連接於所述第三電容器的第一極板，所述第二電容器的第一極板電連接於所述第二輸入端，所述第二電容器的相對的第二極板電連接於所述第三電容器的第二極板；所述第一、第二和第三電容器中的每一電容器的極板由印刷電路板的導電層定義，所述第一、第二和第三電容器中的每一電容器的電介質由印刷電路板的非導電部分定義；所述補償電路具有可配置的轉移函數(transfer function)並包括輸入端以及輸出端，其中所述輸入端電連接於所述第三電容器的第一和第二極板之間；所述方法包括：在所述電容分壓器電路的第一和第二輸入端之間施加已知電壓信號；測量所述第三電容器的第一和第二極板之間的電壓；確定轉移函數，用於改變所測量的電壓，使其符合於第三電容器的第一和第二極板之間基於第一、第二和第三電容器的相對的理想阻抗的期望電壓；使用所確定的轉移函數配置所述補償電路；及使用所述電壓測量電路測量高壓AC信號，使得所述補償電路根據所確定的轉移函數改變其輸入端所接收的電壓，並在其輸出端提供改變後的電壓。
在使用中，已知電壓信號被施加在電容分壓器電路的第一和第二輸入端，並測量第三電容器的第一和第二極板之間的電壓。將所測得的電壓與基於第一至第三電容器的相對的理想阻抗的期望電壓相比較，並根據該比較確定轉移函數。例如當在第一和第二輸入端施加230Vrm信號時，可能期望在第三電容器上獲得4V的信號。當第一和第二輸入端施加230Vrm信號時，可能在第三電容器上測得3.2V的信號。因此，可以確定轉移函數使得補償電 路對其輸入端接收的電壓施加1.25的增益，以在其輸出端提供改變後的4V電壓。如上所提及，可以對第一至第三電容器的阻抗值進行選擇以實現期望的電壓分配。但是，印刷電路板製造過程中的許多變化中的一個或多個將導致第一至第三電容器的實際阻抗值偏離實現期望的電壓分配的理想值。這些變化與以下有關：用於定義電容器極板的金屬面積；用於定義電容器的電介質的印刷電路板的非導電部分的介電常數；用於定義電容器的電介質的印刷電路板的非導電部分的厚度。本發明人意識到這些變化很容易出現，例如，因為印刷電路板的製造包括在不同的階段形成電容器的電介質和極板對，要精確地匹配電容器的電介質和極板對是一個難題。另外，本發明人還意識到要控制印刷電路板的非導電部分的介電常數以使電容器與電容器之間精確匹配是困難的。
更具體地，所述方法包括依照單獨一個施加的已知電壓確定轉移函數，相應地測量第三電容器的第一和第二極板之間的電壓。這樣，轉移函數可用於單獨地對所測量的高壓AC信號施加增益。該單獨的一個施加的已知電壓可以是最大電壓或接近最大電壓，例如230Vrm。
作為另一選擇或又，所述方法包括依照兩個施加的不同電平的已知電壓來確定轉移函數，並對應地測量第三電容器的第一和第二極板之間的電壓。這樣轉移函數可以對測量到的高壓AC信號施加偏移和增益。兩個已知電壓中的第一個可以是最大電壓或接近最大電壓。兩個已知電壓中的第二個可以是最小電壓或接近最小電壓，例如0V。
作為另一選擇或又，所述方法包括依照多個(例如多於兩個)施加的不同電平的已知電壓來確定轉移函數，並對應地測量第三電容器的第一和第二極板之間的電壓。這樣，例如轉移函數可以提供偏移、增益、非線性、或許也有雜訊。轉移函數可基於多個測量來確定，使得其具有二階或更高階多項式的形式。
作為另一選擇或又，所述電容分壓器電路可以配置為DC隔離器。這樣，由第一和第二電容構成隔離阻障(isolation barrier)，電容分壓器電路可用於在高壓輸入級和低壓輸出級之間提供DC隔離。
作為另一選擇或又，所述電壓測量電路可包括差分有源電路(differential active circuit)，其具有第一和第二差分輸入端和輸出端，其中，第一差分輸入端電連接於第三電容器的第一極板，第二差分輸入端電連接於第三電容器的第二極板。因此，所述方法可包括在電容分壓器的第一和第二輸入端之間施加已知電壓，並據此測量有源電路的第一和第二差分輸出端之間的電壓。這樣，第三電容器的第一和第二極板之間的電壓可以通過在有源電路的差分輸出端之間測得，而替代直接在第三電容器的第一和第二極板之間測量。
更具體地，所述差分有源電路包括緩衝器和放大器中的至少一個。在使用中，確定轉移函數的步驟可以考慮有源電路中的誤差，和/或替代電容分壓器中的誤差。例如，定義和控制有源電路的輸入阻抗是困難的；偏離理想輸入阻抗容易對電容分壓器的分壓比產生不利影響。還有，例如差分有源電路的增益容易不同於違背期望的增益相反地影響所測量電壓。
作為另一選擇或又，所述補償電路可包括模數轉換器，其用於將測量的第三電容器的第一和第二極板之間的電壓轉換成數位信號。該數位信號可以例如進行處理以確定轉移函數。因此，所述補償電路可以包括數位處理電路，用於根據至少一個施加的已知電壓和所述第三電容器的第一和第二極板之間的對應的至少一個測量電壓來確定所述轉移函數。例如，處理電路可用於基於施加的兩個不同的已知電壓和對應的測量電壓確定一階多項式(即關於偏移和增益)，或者基於施加的多個不同的已知電壓和對應的測量電壓確定二階或更高階多項式。
作為另一選擇或又，所述方法包括在存儲裝置中存儲至少一個轉移函數的值。所述存儲裝置可以包含於所述補償電路中。所述存儲裝置可以是電子記憶體，諸如EFUSE器件或EPROM器件。因而，當所述轉移函數是一階多項式時，所述存儲裝置可以例如存儲增益值和偏移值。
作為另一選擇或又，所述補償電路包括數位加法器和數位乘法器中的至少一個。數位加法器可用於接收測量電壓的數位形式，並將偏移值添加到數位測量電壓上，以進行有效修正。數位乘法器用於接收測量電壓的數位形式，並將數位測量電壓與增益值相乘，以進行有效修正。當轉移函數是二階或更高階多項式時，數位乘法器可將測量電壓的數位形式自身相乘需要的次數，以確定多項式中的特定項。例如，在二階多項式中，測量電壓的數位形式自身相乘一次，以確定多項式中的二次項。轉移函數的應用需要在各個項相互相加之前，將多項式中的各個項臨時存儲。因此，補償電路可包括臨時資料記憶體，諸如RAM(其可構成微處理器的一部分)。數位加法器和數位乘法器中的每一個都可以從模數轉換器接收測量電壓的數位形式，所述模數轉換器可以是在確定轉移函數的步驟之前，用於轉換第三電容器的第一和第二極板之間的測量電壓的相同的電路。
作為另一選擇或又，所述電容分壓器可以配置為接收頻率小於500Hz的高壓AC信號，例如，對於家用該頻率可以是60Hz或50Hz，對於航運用途可以是400Hz。
作為另一選擇或又，本發明中所述的高壓AC信號可以是遵循國際電工委員會規定的標準的50Vrm或更高的AC電壓，諸如110Vrm或230Vrm AC電壓。這樣，高壓AC信號可以是家用主電壓信號或航運中的主電壓信號。
作為選擇，第三電容器可工作在低電壓。作為另一選擇，本發明中所述的低壓信號可以是遵循國際電工委員會規定的標準的 小於50Vrm的AC電壓或小於120V的DC電壓。更具體地，低壓信號可以是小於15V的DC電壓，例如12V電壓。更具體地，低壓信號可以是小於5V的DC電壓，例如3V電壓。
作為選擇，第一和第二電容器中的每一個可以具有小於100pF的電容值。更具體地，第一和第二電容器中的每一個可以具有小於50pF的電容值。更具體地，第一和第二電容器中的每一個可以具有小於10pF的電容值，例如5pF。
作為選擇，第三電容器可具有小於500pF的電容值，例如200pF。更具體地，第三電容器可具有小於200pF的電容值，例如15至20pF。其中，這樣的第三電容器足以獲得期望的電壓分配，DC隔離器可進一步包括寄生阻抗(例如電阻和/或電容)和離散阻抗(例如由離散電容所提供)中的至少一個。
作為選擇，第一、第二和第三電容器中至少之一的極板可由印刷電路板中或上的金屬層定義。該金屬層可形成於印刷電路板上表面，例如上表面或下表面。因此，電容器的第一和第二極板可以在印刷電路板的相對的上和下表面形成，從而使得印刷電路板的非導電體構成電容器的電介質。作為替代，至少一個金屬層可嵌入印刷電路板內。從而，電容器的第一和第二極板可以在印刷電路板內部形成，使得它們之間相互分隔開，且其焊墊(footprints)重疊，其中在第一和第二極板之間的印刷電路板的非導電部分構成電容器的電介質。第一和第二極板可以共用同一個焊墊。
作為選擇，第三電容器可包括至少部分離散電容器，例如陶瓷電容器。
作為選擇，第三電容器可以是寄生電容。該寄生電容可以由連接於所述第一和第二電容器的電子器件或電路(例如差分有源電路)的輸入端形成。作為選擇，所述寄生電容可存在于或形成於印刷電路板中。
在本發明的一種形式中，第一電容器的第一極板可以由印刷電路板的第一表面的第一表面層定義，第二電容器的第一極板可以由印刷電路板的相對的第二表面的第二表面層定義，第一電容器的第二極板由印刷電路板內的第一嵌入層定義，第二電容器的第二極板由印刷電路板內的第二嵌入層定義，所述第二嵌入層的焊墊與所述第二嵌入層的焊墊重疊，且所述第一和第二嵌入層相互分隔開。第一和第二表面層的焊墊可以至少部分地與第一和第二嵌入層的焊墊重疊。還有，相比第二電容器的第二極板來說，第一電容器的第二極板更靠近第一電容器的第一極板。這樣，第三電容器的第一極板可由第一嵌入層定義，第三電容器的第二極板可由第二嵌入層定義，第三電容器的電介質可以由在所述第一嵌入層和第二嵌入層之間的印刷電路板的非導電部分定義。第一和第二嵌入層相互間隔一定距離，該距離小於第一表面層和第一嵌入層之間的間隔、以及小於第二表面層和第二嵌入層之間的距離。因此，相比第一電容器和第二電容器，第三電容器具有更大的電容值。
作為另一選擇或又，所述電壓測量電路進一步包括整流電路，例如二極體或橋式整流器，用於在高壓AC信號到達電容分壓器之前，對高壓AC信號進行整流。
作為另一選擇或又，所述電壓測量電路進一步包括電阻分壓器，用於降低施加到電容分壓器上的高壓AC信號的電壓電平。
作為另一選擇或又，所述電壓測量電路可進一步包括電源，所述電源可以用於提供高壓AC信號給電容分壓器。所述電源可例如是主電源的電龍頭(electric tap)。
根據本發明的第二方面，提供了一種用於測量高壓AC信號的電壓測量電路，所述電壓測量電路包括電容分壓器和補償電路，所述電容分壓器電路包括：第一和第二輸入端，在使用時，在所述第一和第二輸入端之間接收高壓AC信號，以及第一、第二和第 三電容器；所述第一電容器的第一極板電連接於所述第一輸入端，所述第一電容器的相對的第二極板電連接於所述第三電容器的第一極板，所述第二電容器的第一極板電連接於所述第二輸入端，所述第二電容器的相對的第二極板電連接於所述第三電容器的第二極板；所述第一、第二和第三電容器中的每一電容器的極板由印刷電路板的導電層定義，所述第一、第二和第三電容器中的每一電容器的電介質由印刷電路板的非導電部分定義；所述補償電路具有可配置的轉移函數並包括輸入端以及輸出端，其中所述輸入端電連接於所述第三電容器的第一和第二極板之間；所述補償電路用於依照轉移函數改變在其輸入端接收的電壓以提供改變的電壓作為其輸出。
本發明的第二方面的實施例可包括本發明的第一方面的一個或多個特徵。
根據本發明的另一方面，提供了一種使用電壓測量電路測量高壓AC信號的方法，所述電壓測量電路包括電容分壓器電路和補償電路；所述電容分壓器電路包括：第一和第二輸入端，以及第一、第二和第三電容器；所述第一電容器的第一極板電連接於所述第一輸入端，所述第一電容器的相對的第二極板電連接於所述第三電容器的第一極板，所述第二電容器的第一極板電連接於所述第二輸入端，所述第二電容器的相對的第二極板電連接於所述第三電容器的第二極板；所述補償電路具有可配置的轉移函數(transfer function)並包括輸入端以及輸出端，其中所述輸入端電連接於所述第三電容器的第一和第二極板之間；所述方法包括：在所述電容分壓器電路的第一和第二輸入端之間施加已知電壓信號；測量所述第三電容器的第一和第二極板之間的電壓；確定轉移函數，用於改變所測量的電壓，使其符合於第三電容器的第一和第二極板之間基於第一、第二和第三電容器的相對的理想阻抗的期望電壓；使用所確定的轉移函數配置所述補償電路；及使用 所述電壓測量電路測量高壓AC信號，使得所述補償電路根據所確定的轉移函數改變其輸入端所接收的電壓，並在其輸出端提供改變後的電壓。
更具體地，所述第一、第二和第三電容器中的至少一個電容器的極板由印刷電路板的導電層定義，所述第一、第二和第三電容器中的每一電容器的電介質由印刷電路板的非導電部分定義。
作為另一選擇或又，所述第一、第二和第三電容器中的至少一個電容器是離散部件。更具體地，所述第一和第二電容器可為X類電容器或Y類電容器。所述第三電容器可為陶瓷電容器。
根據後續結合附圖對本發明具體實施例的詳細介紹，本發明的特徵和優點可以顯而易見。
10‧‧‧電壓測量電路
12‧‧‧第一和第二輸入端
14‧‧‧電容器分壓器
16‧‧‧緩衝器
18‧‧‧模數轉換器
20‧‧‧微處理器
22‧‧‧臨時工作記憶體
24‧‧‧一次性可編程記憶體
26‧‧‧數位乘法器和加法器電路
28‧‧‧輸出端
36‧‧‧第三電容器
48‧‧‧第一電容器
50‧‧‧第二電容器
52‧‧‧第一極板
54‧‧‧第二極板
56‧‧‧第一極板
58‧‧‧第二極板
64‧‧‧第一極板
66‧‧‧第二極板
68‧‧‧非導電基底
80‧‧‧電容器分壓器
82‧‧‧第一電容器
84‧‧‧第二電容器
86‧‧‧第三電容器
90‧‧‧印刷電路板
92‧‧‧第一表面層
94‧‧‧第二表面層
96‧‧‧第一嵌入層
98‧‧‧第二嵌入層
110‧‧‧電路
112‧‧‧二極體
120‧‧‧電路
130‧‧‧電路
132‧‧‧第一電阻器
134‧‧‧第二電阻器
136‧‧‧第三電阻器
圖1是根據本發明的電壓測量電路的框圖；圖2是圖1的電容器分壓器和緩衝器的電路圖；圖3提供了配置成圖2的電容器分壓器的一部分的印刷電路板的平面圖和截面圖；圖4A是圖2的電容器分壓器的電路圖；圖4B提供了配置成圖4A的電路的一部分的印刷電路板的截面圖；圖5是具有第一形式的輸入級(a first form of input stage)的電壓測量電路的電路圖；圖6是具有第二形式的輸入級的電壓測量電路的電路圖；圖7是具有第三形式的輸入級的電壓測量電路的電路圖；圖8是根據本發明的測量電壓信號的方法的流程圖。
圖1示出了根據本發明的電壓測量電路。該電壓測量電路10包括第一和第二輸入端12，所述第一和第二輸入端12配置成接收高壓AC信號，如230Vrm主信號。所述電壓測量電路10還包括 電容器分壓器14、緩衝器16和模數轉換器18，所述電容器分壓器14參照圖2進行了更詳細的描述，所述緩衝器16構成差分有源電路。從以下描述可以清楚瞭解到，電容器分壓器14是用於將高壓AC信號降低到一個電壓電平(voltage level)，該電壓電平可與電處理電路相容，如約3伏特的電平。在模數轉換器18將降低的電壓進行模數轉換之前採用緩衝器16緩衝。該電壓測量電路10也可包括微處理器20，其為已知的形式和功能，並且可包括RAM形式的臨時工作記憶體22，一次性可編程記憶體24，如EFUSE設備，和數位乘法器和加法器電路26。該電壓測量電路10配置成微處理器20從模數轉換器18接收數位形式的測量電壓，並用作生成轉移函數的數值，所述轉移函數存儲在一次性可編程記憶體24中。從以下描述可以清楚瞭解到，轉移函數用於提供電壓測量電路10的誤差補償，否則該誤差將增加高電壓信號測量的誤差。在微處理器20的控制下，數位乘法器和加法器電路26將存儲在一次性可編程記憶體中的轉移函數的數值和從模數轉換器18接收的數位形式的測量電壓一起操作，以在所述數位乘法器和加法器電路26的輸出端28提供補償測量電壓信號。
圖2中示出了圖1的電容器分壓器14和緩衝器16的電路圖。圖2還示出某些輸入和輸出波形。以下將參照圖8詳細描述這些波形。該電容器分壓器14是以串聯的第一電容器48、第二電容器50和第三電容器36的形式。第一電容器48的第一極板52電連接至高壓AC電源(未示出)的第一正極輸入端，第一電容器48的第二極板54電連接至第三電容器36的第一極板和緩衝器16的正相輸入端。所述第二電容器50的第一極板56電連接到高壓AC電源(未示出)的第二負極輸入端，所述第二電容器50的第二極板58電連接到第三電容器36的第二極板和緩衝器16的反相輸入端。這樣，施加到第一和第二輸入端12的AC電壓信號被分壓，這樣在第三電容器36兩端生成降低的電壓，該第三電容器36兩端的降 低的電壓將在差分緩衝器16中緩衝以用於後續處理。電容器分壓器14分壓AC電壓信號的程度由第一-第三電容器的電容的相對值確定。在本實施例中，將230Vrm，50Hz的家用主電壓信號施加到輸入端12，第一電容器和第二電容器的電容分別約為5pF，第三電容器的電容約為200pF以提供約3伏特的降低的電壓。從圖2可知，第一和第二電容器48,50形成DC隔離阻障(DC isolation barrier)，這樣低電壓電路(也就是緩衝器16和後續處理電路)將從高電壓側隔離。
圖3中示出了圖2的第一電容器48、第二電容器50和第三電容器36的平面和截面圖。可見，電容器的第一極板64和第二極板66可由印刷電路板的頂層和底層上的不同金屬材料定義。沉積金屬層使其共用相同的焊墊(footprint)，這樣印刷電路板的非導電基底68定義電容器的電介質。在印刷電路板上金屬跡線(metal track)和大表層結構(large surface structure)的形成，如第一和第二極板的金屬層是本領域技術人員眾所周知的。或，嵌入到該基底的金屬層定義一個或多個電容器極板。提供嵌入的金屬跡線和大表面區域，如第一和第二極板的金屬層是本領域技術人員眾所周知的。以下將參照圖4A-4B描述嵌入的金屬層的應用。
圖4A示出的電容器分壓器80具有第一電容器80、第二電容器84和第三電容器86。圖4B示出了印刷電路板90的截面圖，從圖4B可見印刷電路板90的第一表面上的第一表面層92定義了第一電容器81的第一極板。該第二電容器84的第一極板是印刷電路板90的第二相對表面上的第二表面層94定義。第一電容器82的第二極板是由印刷電路板中的第一嵌入層96定義的，且第二電容器的第二極板是由第二嵌入層98定義的，該第二嵌入層98具有覆蓋第一嵌入層的焊墊的焊墊。所述第一和第二嵌入層96、98彼此間隔。第一和第二表面層92、94的焊墊與所述第一和第二嵌入層96、98的焊墊部分重疊。第一電容器96的第二極板比所 述第二電容器98的第二極板更靠近第一電容器92的第一極板。這樣，第三電容器86包括第一極板和第二極板。所述第一極板和第二極板由第一和第二嵌入層96,98定義，所述第一和第二嵌入層96,98具有電介質，該電介質由第一和第二嵌入層96,98件的基底部分定義。所述第一和第二嵌入層96,98彼此間隔，其間距小於第一嵌入層96和第一表面層92的間距，和第二嵌入層98和第二表面層94的間距。這樣，第三電容器86具有比第一電容器和第二電容器更大的電容。如上所述，本發明的目的是將230Vrm的主電壓信號降低到約3伏特的電壓信號。第一和第二電容器分別使用5pF的電容。在一種形式中，根據常規生產實踐的印刷電路板提供了約15pF到約20pF的第三電容。因此，所需的200pF電容通過使用至少一個寄生部件和附加離散部件獲得，如表面裝配的電容、二極體等等。當使用寄生部件時，其可以至少一個寄生電容器和寄生電阻的形式。例如，如果使用5pF的第一和第二電容以及10M Ohms的寄生電阻，3dB點的截止頻率(cut-off frequency)約為3kHz。假設每十年轉降(roll off)20dB，50Hz需要20年。在此在50Hz有約100的分壓。電容和電阻值可根據普通設計原則改變來獲得期望的分壓因數(division factor)以在特定主頻率運行。在另一形式中，可修正普通的印刷電路板製造過程，例如通過增加層的數量或者包括特定的薄層(thined layer)等，從而增加第三電容並降低第二和第一電容器的電容。因此，可確定相對電容值以獲得期望的電壓分壓。
圖5-7示出了根據本發明的電壓測量電路的電路圖，所述電壓測量電路具有三種不同形式的輸入級。與圖2的電路相同的部件採用了相同的附圖標記。讀者的注意力可貫注在圖2給出的這些部件的形式和功能的描述上。圖5的電路110包括與第一電容器48串聯的二極體112，該二極體用作整流器。圖6的電路120包括位於輸入級32和所述第一和第二電容器48,50的輸入連接之 間的橋式整流器112。所述橋式整流器用於全波整流施加到輸入級的家用主信號。圖7的電路130包括由串聯的第一電阻器132、第二電阻器134和第三電阻器136形成的電阻分壓器。第一和第二電容器48,50的第一極板均連接到第二電阻器134的相對側從而提供家用主電壓信號的衰減形式給第一和第二電容器。該第一電阻器132、第二電阻器134和第三電阻器136的選擇取決於家用主電壓信號的電平和期望的施加到第一和第二電容器的電壓電平。
電壓測量電路的操作將參照圖8的流程圖150和圖1-7示出的裝置進行描述。在步驟152中將已知振幅(amplitude)的信號施加到第一和第二輸入端12以提供給電容分壓器14。在本實施例中，已知振幅的信號為約230Vrm，也就是最大輸入電壓。在步驟154中，測得的第三電容器36兩端生成的電壓，採用模數轉換器18提供該測量電壓的數位表示。接著，在步驟156中將測量電壓的數位表示的振幅與已知振幅進行比較，確定將要改變測量電壓的數位表示的增益值(其構成用於轉移函數的值)以將測量電壓的數位表示的振幅與已知振幅大致對應。該增益值由微處理器確定，該微處理器依照眾所周知的固件設計流程工作。接著在步驟158中將該增益值存儲在一次性可編程記憶體24中。這確定本方法的校準階段。其後，在步驟160中，電壓測量電路用於使用施加到電容分壓器14的第一和第二輸入端12的高壓AC信號測量高壓AC信號。在步驟162，模數轉換器18測量第三電容器36兩端生成的電壓信號以提供測量電壓162的數位表示。接著，在步驟164中，數位乘法器和加法器電路26的乘法器用於將測量電壓的數位表示與存儲在一次性可編程記憶體24中的增益值相乘。這樣，來自數位乘法器和加法器電路26的輸出構成了一測量電壓，該測量電壓已經考慮了誤差並被補償過了，這些誤差是源於第一-第三電容器的實際電容值和期望的、理想值的誤差。在步驟166中，讀取或使用該補償後的測量電壓。其後，重複步驟160-166構成的 測量階段用於後續的高壓AC信號的後續測量。
在後一段描述的另一形式的方法中，在步驟152中，將兩個已知的但是具有不同振幅的信號施加到第一和第二輸入端12以提供給電容分壓器14。一個信號為約230Vrm，也就是最大輸入電壓。另一信號為約0Vrm。在步驟154中，測得的第三電容器36兩端生成的對應兩個已知的但是具有不同振幅的信號的電壓，採用模數轉換器18提供該測量電壓的第一和第二數位表示。接著，在步驟156中將測量電壓的第一和第二數位表示的振幅與已知振幅進行比較，確定將要改變測量電壓的每個數位表示的增益值和偏移值(其構成用於轉移函數的值)以將測量電壓的數位表示的振幅與已知振幅大致對應。接著在步驟158中將該增益值和偏移存儲在一次性可編程記憶體24中從而確定本方法的校準階段。因此，如上所述電壓測量電路用於測量實際的高壓AC信號，該信號具有已經施加並補償測量電壓的增益值和偏移值。根據本形式的方法，數字乘法器和加法器電路26的加法器用於施加該偏移值，該數位乘法器和加法器電路26的乘法器用於施加增益值。
在後一段描述的另一形式的方法中，在步驟152中，將三個或更多個已知的但是具有不同振幅的信號施加到第一和第二輸入端12以提供給電容分壓器14。在步驟154中，測得的第三電容器36兩端生成的所述三個或更多個已知的但是具有不同振幅的信號的電壓，採用模數轉換器18提供該測量電壓的三個或多個對應的數字表示。接著，微處理器用於確定將要用於補償測量的高壓AC信號的二階或高階多項式。該二階或高階多項式可用於提供偏移、增益和非線性修正。三個或更多施加的已知電壓信號將用於一階多項式(也就是如後段所述)以提高係數的準確性，例如，處理源於參考信號中的雜訊的誤差。當完成校準階段時，使用如上所述電壓測量電路測量實際高壓AC信號。在本發明的該形式中，數位乘法器和加法器電路26的乘法器用於將測量電壓的數位表示與 其自身相乘需要的次數(requisite number of time)以確定多項式的特定項。例如，在二階多項式中，所述測量電壓的數位表示與其自身相乘一次以確定多項式的二次項。另外，將零次項用作偏移值，一次或高次項的係數用作增益值。微處理器中的臨時工作記憶體22用於在多項式的項彼此相加之前將其存儲以提供補償的測量電壓信號。
在電容分壓器電路的另一形式中，除了上述印刷電路板形成的電容器外，X類和/或Y類離散電容器也可以用於第一和第二電容器，且陶瓷電容器可用於第三電容器。第一-第三電容器的電容可參照對圖2的描述。
圖8為流程圖，無元件符號說明。

Claims (10)

  1. 一種使用電壓測量電路測量高壓AC信號的方法，其特徵在於，所述電壓測量電路包括電容分壓器電路和補償電路；所述電容分壓器電路包括：第一和第二輸入端，以及第一、第二和第三電容器；所述第一電容器的第一極板電連接於所述第一輸入端，所述第一電容器的相對的第二極板電連接於所述第三電容器的第一極板，所述第二電容器的第一極板電連接於所述第二輸入端，所述第二電容器的相對的第二極板電連接於所述第三電容器的第二極板；所述第一、第二和第三電容器中的每一電容器的極板由印刷電路板的導電層定義，所述第一、第二和第三電容器中的每一電容器的電介質由印刷電路板的非導電部分定義；所述補償電路具有可配置的轉移函數並包括輸入端以及輸出端，其中所述輸入端電連接於所述第三電容器的第一和第二極板之間；所述方法包括：在所述電容分壓器電路的第一和第二輸入端之間施加已知電壓信號；測量所述第三電容器的第一和第二極板之間的電壓；確定轉移函數，用於改變所測量的電壓，使其符合於第三電容器的第一和第二極板之間基於第一、第二和第三電容器的相對的理想阻抗的期望電壓；使用所確定的轉移函數配置所述補償電路；及使用所述電壓測量電路測量高壓AC信號，使得所述補償電路根據所確定的轉移函數改變其輸入端所接收的電壓，並在其輸出端提供改變後的電壓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，基於僅一個施加的已知電壓和第三電容器的第一和第二極板間的對應測量確定所 述轉移函數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，基於不同電平的兩個施加的已知電壓和第三電容器的第一和第二極板間的各自的對應測量確定所述轉移函數。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，基於不同電平的兩個以上施加的已知電壓和第三電容器的第一和第二極板間的各自的對應測量確定所述轉移函數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中，所述電容分壓器電路配置為DC隔離器操作。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的方法，其中，所述電壓測量電路包括差分有源電路，所述差分有源電路具有第一和第二差分輸入端和輸出端，其中，第一差分輸入端電連接於第三電容器的第一極板，第二差分輸入端電連接於第三電容器的第二極板。
  7. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的方法，其中，所述補償電路包括模數轉換器，所述模數轉換器用於將所述第三電容器的第一和第二極板之間的測量電壓轉換成數位信號。
  8. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的方法，其中，所述方法包括在存儲設備中存儲用於所述轉移函數的至少一個值。
  9. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述的方法，其中，所述補償電路包括至少一個數位加法器和數位乘法器，所述數位加法器用於接收測量電壓的數位形式並將所述數位測量電壓與偏移值相加以有效修正，且所述數位乘法器用於接收測量電壓的數位形式並將所述數位測量電壓與增益值相乘以有效修正。
  10. 一種用於測量高壓AC信號的電壓測量電路，所述電壓測量電路包括電容分壓器和補償電路，所述電容分壓器電路包括：第一和第二輸入端，在使用時，在所述第一和第二輸入端之間接收高壓AC信號，以及第 一、第二和第三電容器；所述第一電容器的第一極板電連接於所述第一輸入端，所述第一電容器的相對的第二極板電連接於所述第三電容器的第一極板，所述第二電容器的第一極板電連接於所述第二輸入端，所述第二電容器的相對的第二極板電連接於所述第三電容器的第二極板；所述第一、第二和第三電容器中的每一電容器的極板由印刷電路板的導電層定義，所述第一、第二和第三電容器中的每一電容器的電介質由印刷電路板的非導電部分定義；所述補償電路具有可配置的轉移函數並包括輸入端以及輸出端，其中所述輸入端電連接於所述第三電容器的第一和第二極板之間；所述補償電路用於依照轉移函數改變在其輸入端接收的電壓以提供改變的電壓作為其輸出。
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