專利名稱：：可變輸入增益裝置及該裝置處理模擬輸入電壓信號的方法
技術領域：
：本發明有關一種變頻器系統，尤指一種可變輸入增益裝置及具有該可變輸入增益裝置的變頻器系統及該可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號的方法。
背景技術：
：變頻器是將固定頻率與電壓的交流電源整流轉換為直流電后，將直流電轉換為電壓與頻率均為可變的交流電源的電能轉換裝置。借助于變頻器可將直流電轉換為交流電源，因此變頻器被廣泛應用于太陽能發電系統、電動車及不斷電系統等。由于變頻器可同時改變電壓/頻率(V/f)，并借此改變電動機轉速，因此變頻器被大量應用于冷凍空調、高速鐵路及快捷運輸等，以達到變速或增加電動機使用效率，以提升能源使用效率。圖l為公知變頻器系統的方框圖，主機10A可以經由模擬輸入/輸出模塊20A而送出對于變頻器30A的模擬控制信號。該變頻器30A內具有一個模擬數字轉換器(ADC，analogtodigitalconverter)(圖中未示出)，以將該模擬控制信號轉換成數字信號，并由微控制器(MCU,microcontrollerunit)300A加以處理，以控制變頻器30A的輸出電壓/頻率(V/f)。現今的變頻器大多有外部模擬輸入電壓(0+10V)控制輸出電壓頻率的功能，但此模擬輸入電壓必須通過一個比例增益器后再進到MCU的模擬輸入接腳(inputpin)。目前一般MCU的工作電壓為+5V或+3.3V，因此該比例增益通常為一個固定的縮小比例增益值。圖2為更進一步說明模擬輸入/輸出模塊20A的模擬輸入信號21A(例如模擬輸入電壓信號VAI)傳送到變頻器30A的處理狀況，該外部模擬輸入電壓信號VAI(0V~+10V)經由一個固定比例增益(P)為1/2的非反相放大器22A將輸入信號線性對應轉換成0~+5V，再輸入至MCU的模擬輸入接腳，由MCU內部的模擬數字轉換器(ADC)24A來解析外部模擬輸入電壓的準位(level)。然而在上述電路中，當模擬輸入電壓值低于+lV時，其MCU內部ADC解析外部模擬輸入電壓準位的準確度并不高。圖3所示為使用圖2的電路單元對于VAI(0V-+10V)的模擬數字轉換結果(假設分辨率為10-bit)。若該MCU的模擬數字轉換器(ADC)24A的參考電壓源VREF為5.12V，其最低位(LSB，LeastSignificantBit)的電壓變化量為5mV(參見式1),且其數據手冊提供的誤差若為士3LSB，當外部模擬輸入電壓準位為l.OOV時，其MCU讀取到的A-D計數值(N)范圍為100±3(參見式2)。1隱LSB寬度(width)=^^=5mV1024A-D計數值(N)計算如下Mvd畫，11024innN=VAIxPx-=1x—x-=100V虹f25.12(式1)(式2)因此外部模擬輸入電壓的范圍可以由MCU讀取到的A-D計數值來反推出，公式如式3:v一NxV鵬/1024±(3+1/2)xV腿/1024"一P—P(式3)當MCU讀取到的A-D計數值為100時，其外部模擬輸入電壓準位范圍為1士0.035V。由此可知，MCU本身的計算誤差量因為這固定比例增益(P=0.5<1)而被放大了，考慮最大測量誤差的情況下此測量誤差值為0.035V,當外部模擬輸入電壓準位越低時，這測量誤差率則上升，換言之，外部模擬輸入電壓準位越低其MCU檢測的準確度越低，因此在外部模擬輸入電壓準位低時無法達到精密控制。參見表1可以更清楚看出，由于A-D轉換的最大測量誤差值及固定比例增益，MCU判斷準確度會隨著模擬輸入電壓值下降而變差。表1:考慮MCU最大測量誤差下所判斷外部模擬輸入電壓的誤差率與準確<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表1為了提高在外部模擬輸入電壓信號微弱時MCU判讀的準確度，如能設計一個最佳增益自動切換電路來提高外部模擬輸入電壓低位準時的比例增益值，提高信號輸入至A-D轉換器的電壓準位，即可降低MCU的判斷誤差率。
發明內容有鑒于此，本發明的目的即在于提供一種可變輸入增益裝置、該可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號的方法，以及具有該可變輸入增益裝置的變頻器系統，使變頻器可達到精密控制。為達到上述目的，本發明一種可變輸入增益裝置，用于變頻器系統中，所述可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號，并將處理結果傳至變頻器系統，包含能接收該模擬輸入電壓信號并與至少一個電壓臨界值做比較，以判斷模擬輸入電壓信號的電壓范圍的比較單元；接收該模擬輸入電壓信號并加以放大的放大器單元；用以依據該模擬輸入電壓信號的電壓范圍，調整該放大器單元的增益的反饋控制增益單元，所述反饋控制增益單元電連接到該比較單元及該放大器單元;及用以對該放大器單元的輸出做模擬數字轉換的模擬數字轉換單元，所述模擬數字轉換單元電連接到該放大器單元；其中該比較單元輸出用以指示模擬輸入電壓信號的電壓范圍的指示信號。本發明還提供一種具有可變輸入增益裝置的變頻器系統，其中，所述變頻器系統可以變更增益方式處理模擬輸入電壓信號，包含可接收模擬輸入電壓信號并與至少一個電壓臨界值做比較，以判斷模擬輸入電壓信號的電壓范圍的比較單元；接收該模擬輸入電壓信號并加以放大的放大器單元；用以依據該模擬輸入電壓信號的電壓范圍，調整該放大器單元的增益的反饋控制增益單元，所述反饋控制增益單元電連接到該比較單元及該放大器單元；用以對于該放大器單元的輸出做模擬數字轉換的模擬數字轉換單元，所述模擬數字轉換單元電連接到該放大器單元；及微控制器，所述微控制器電連接到該模擬數字轉換單元及該比較單元，其中該微控制器接收該比較單元輸出的指示信號，以獲知該模擬輸入電壓信號的電壓范圍；并接收該模擬數字轉換單元的輸出，以計算該模擬輸入電壓信號的正確數字計數值。本發明還提供一種可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號的方法，其特征在于，所述方法包含設立至少一個電壓臨界值；依據該電壓臨界值決定該模擬輸入電壓信號的電壓范圍；依據該電壓范圍調整對于該模擬輸入電壓信號的增益；及對放大之后的模擬輸入電壓信號做模擬數字轉換。綜上所述，本發明的可變輸入增益裝置、可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號的方法及具有該可變輸入增益裝置的變頻器系統具有下列優點1.在外部模擬輸入電壓準位低時，變頻器可達到精密控制。2.提升MCU判斷外部模擬輸入電壓的準確度。3.可提高韌體濾波的效能。4.電路結構簡單。5.使用零件少，成本低。6.選擇判斷電壓準位范圍的電路設計靈活性好。7.應用范圍廣泛。圖l為公知變頻器系統的方框圖2為處理模擬輸入/輸出模塊的模擬輸入電壓信號VAI的方框圖；圖3所示為使用圖2的電路單元對于V^(0V-+10V)的模擬數字轉換結果的示意圖(假設分辨率為10-bit);圖4為依據本發明的較佳具體實施例的具有可變輸入增益裝置的變頻器系統方框圖5為說明圖4電路操作的電壓-計數值示意圖6為實現圖4具有可變輸入增益裝置的變頻器系統中可變輸入增益裝置部分的電路圖。模擬輸入/輸出模塊20A微控制器(MCU)300A非反相放大器22A24A放大器單元22附圖標記說明主機10A變頻器30A模擬輸入信號21A模擬數字轉換器(ADC)模擬輸入信號21模擬數字轉換單元24微控制器(MCU)300比較單元40指示信號輸出單元44數字計數值N比較器U2A，U2B,U2C，U2D非反向驅動器U3A,U3B，U3C,U3D反饋控制增益單元42指示信號Xin放大器U1A具體實施例方式參見圖4,為依據本發明的較佳具體實施例的具有可變輸入增益裝置的變頻器系統方框圖。所述變頻器系統可以變更增益方式處理模擬輸入電壓信號，該變頻器系統的微控制器(MCU)300可以接收一個經過可變輸入增益處理后、再經過模擬數字處理的數字計數值N，及一個指示輸入電壓范圍的指示信號Xin，以精確判別模擬輸入信號21(如模擬輸入電壓信號VAI)的數值。該變頻器系統主要包含比較單元40、反饋控制增益單元42及指示信號輸出單元44，且另外包含放大器單元22及模擬數字轉換單元24以及微控制器300。該比較單元40可以將接收的模擬輸入電壓信號VAI與至少一個電壓臨界值(threshold)做比較，以判斷模擬輸入電壓信號VM的電壓是落入哪一個電壓范圍(voltagerange)。所述放大器單元22接收該模擬輸入電壓信號Vm并加以放大。所述反饋控制增益單元42與該比較單元40及該放大器單元22電連接，以利用模擬輸入電壓信號VM的電壓范圍調整該放大器單元22的增益。更具體地說，若模擬輸入電壓信號VA!的電壓為較小的電壓范圍時，則該反饋控制增益單元42增加放大器單元22的增益；若模擬輸入電壓信號VAI的電壓為較大的電壓范圍時，則該反饋控制增益單元42減少放大器單元22的增益。所述模擬數字轉換單元24電連接到該放大器單元22，用以對該放大器單元22的輸出做模擬數字轉換，經過放大器單元22處理的信號再經由模擬數字轉換單元24轉換成數字計數值N，該數字計數值N由MCU300處理。所述微控制器300,電連接到該模擬數字轉換單元24及該比較單元40，其中該微控制器300接收該比較單元40輸出的指示信號，以獲知該模擬輸入電壓信號的電壓范圍；并接收該模擬數字轉換單元24的輸出，以計算該模擬輸入電壓信號的正確數字計數值。為了能還原正確的模擬輸入電壓(因為數字計數值N會因為可變的增益P而改變)，該比較單元40經由指示信號輸出單元44輸出用以指示模擬輸入電壓信號的電壓范圍的指示信號Xin，MCU300接收指示信號Xin得以還原正確的模擬輸入電壓值。圖5為說明圖4電路操作的電壓-計數值示意圖，其中假設全幅電壓值(Fullswingvoltage)由4個臨界值(2V，4V，6V，8V)而分成5個電壓范圍(0-2，2-4，4-6，6-8,8-10)，且計數值N為由10位表示的0-1023數值。比較單元40可以利用電壓臨界值而判斷輸入電壓的范圍，并且經由反饋控制增益單元42控制放大器單元22的增益P(對應這5個電壓范圍的增益分別為遞減的P=2.5，1.25，0.83，0.625,0.5)。因此在模擬輸入電壓信號VAI的電壓范圍較小時，可以用較大的增益(如P=2.5)，以降低最大測量誤差值的影響。在模擬輸入電壓信號Vai的電壓范圍較大時，可以用較小的增益(如P=0.5)，以符合MCU300的額定輸入值。再者，比較單元40可以利用指示信號輸出單元44送出電壓范圍的指示信號Xin,MCU300處理電壓范圍的指示信號Xin以得到正確的模擬輸入電壓。例如，如圖5所示，當MCU300收到的計數值N為850時，可能的模擬輸入電壓信號VA!為1.75V,3.4V，5V，6.75V及8.5V。MCU300可以由指示信號Xin以得到正確的模擬輸入電壓，例如當MCU300得知指示信號Xin所指示為第2電壓范圍時，則輸入電壓值可判定為3.4V。參見圖6，為實現圖4具有可變輸入增益的變頻器系統的電路圖。該比較單元40包含多數個比較器，且每一比較器的一輸入端接收該模擬輸入電壓信號，而另一輸入端接收電壓臨界值，例如可以為4個比較器U2A，U2B，U2C，U2D所構成的比較器電路；該比較器U2A，U2B，U2C，U2D的非反向輸入端連接到不同位準的電壓(例如2V，4V，6V，8V電壓)，以提供電壓臨界值。該反饋控制增益單元42包含多數個分別電連接到該比較器U2A，U2B,U2C,U2D的非反相驅動器U3A,U3B，U3C，U3D及多數個電阻R8，R9，R10,Rll，每一個該非反相驅動器連接于對應的比較器輸入端及對應電阻之間，并通過該對應電阻連接到該放大器單元22的輸入端。該放大器單元22的放大器U1A為固定增益的非反向放大器；若模擬輸入電壓信號V^的輸入電壓準位高于對應臨界值，則對應的比較器(U2A,U2B，U2C，U2D)輸出低準位信號，并通過指示信號輸出單元44告知MCU300目前模擬輸入電壓信號VM的輸入電壓范圍，其中指示信號輸出單元44可為自比較器U2A,U2B，U2C，U2D的輸出。再者對應的比較器U2A，U2B,U2C，U2D驅動非反相驅動器U3A，U3B,U3C，U3D以增加對于模擬輸入電壓信號V^的輸入電流，因而降低放大器單元22非反向輸入端的電壓(因為在電阻R3，R4上有較大的壓降)，導致放大器單元22輸出電壓降低，此結果等同于是降低比例增益值P,因此可達到比例增益值P與外部模擬輸入電壓的準位成反比的效果。綜上所述，該可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號的方法包含首先設立至少一個電壓臨界值；依據該電壓臨界值決定該模擬輸入電壓信號的電壓范圍；依據該電壓范圍調整對于該模擬輸入電壓信號的增益；對放大之后的模擬輸入電壓信號做模擬數字轉換，所述方法還包含輸出指示信號，以指示模擬輸入電壓信號的電壓范圍。當所述模擬輸入電壓信號的電壓范圍大于該電壓臨界值時，則降低增益。當所述模擬輸入電壓信號的電壓范圍小于該電壓臨界值時，則增加增益。在圖6所示的電路中，只需l組放大器，借助于一個比較器集成電路(IC)(4in1)再搭配4組非反相驅動器及適當的阻抗匹配就可以切換出5段不同的模擬輸入電壓增益。若要設計n段不同的模擬輸入電壓增益，只需用n-l組比較器、非反相驅動器及匹配電阻的搭配使用即可。因此圖6所示的電路僅為說明用途，而非對于本發明的限制。下列的表2說明依據本發明的具有可變輸入增益裝置的變頻器系統的操作結果。對于定值測量誤差值，不管模擬輸入電壓的范圍是什么，本發明的具有可變輸入增益裝置的變頻器系統都有極好的判斷準確度。表2:本發明考慮MCU最大測量誤差下所判斷外部模擬輸入電壓的誤差率與準確度<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表2以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。權利要求1、一種可變輸入增益裝置，其特征在于，所述增益裝置處理模擬輸入電壓信號，并將處理結果傳至變頻器系統，包含能接收該模擬輸入電壓信號并與至少一個電壓臨界值做比較，以判斷模擬輸入電壓信號的電壓范圍的比較單元；接收該模擬輸入電壓信號并加以放大的放大器單元；用以依據該模擬輸入電壓信號的電壓范圍，調整該放大器單元的增益的反饋控制增益單元，所述反饋控制增益單元電連接到該比較單元及該放大器單元；及用以對該放大器單元的輸出做模擬數字轉換的模擬數字轉換單元，所述模擬數字轉換單元電連接到該放大器單元；其中該比較單元輸出用以指示模擬輸入電壓信號的電壓范圍的指示信號。2、如權利要求i所述的可變輸入增益裝置，其特征在于，所述比較單元包含多數個比較器，且每一比較器的一輸入端接收該模擬輸入電壓信號，而另一輸入端接收電壓臨界值。3、如權利要求2所述的可變輸入增益裝置，其特征在于，所述反饋控制增益單元包含多數個非反相驅動器及多數個電阻，每一個該非反相驅動器連接于對應的比較器輸出端及對應電阻之間，并通過該對應電阻連接到該放大器單元的輸入端。4、一種具有可變輸入增益裝置的變頻器系統，其特征在于，所述變頻器系統，包含能接收模擬輸入電壓信號并與至少一個電壓臨界值做比較，以判斷模擬輸入電壓信號的電壓范圍的比較單元；接收該模擬輸入電壓信號并加以放大的放大器單元；用以依據該模擬輸入電壓信號的電壓范圍，調整該放大器單元的增益的反饋控制增益單元，所述反饋控制增益單元電連接到該比較單元及該放大器單元;用以對于該放大器單元的輸出做模擬數字轉換的模擬數字轉換單元，所述模擬數字轉換單元電連接到該放大器單元；及微控制器，所述微控制器電連接到該模擬數字轉換單元及該比較單元，其中該微控制器接收該比較單元輸出的指示信號，獲知該模擬輸入電壓信號的電壓范圍；并接收該模擬數字轉換單元的輸出，計算該模擬輸入電壓信號的正確數字計數值。5、如權利要求4所述的具有可變輸入增益裝置的變頻器系統，其特征在于，所述比較單元包含多數個比較器，且每一比較器的一輸入端接收該模擬輸入電壓信號，而另一輸入端接收電壓臨界值。6、如權利要求5所述的具有可變輸入增益裝置的變頻器系統,其特征在于，所述反饋控制增益單元包含多數個非反相驅動器及多數個電阻，每一該非反相驅動器連接于對應的比較器輸入端及對應電阻之間，并通過該對應電阻連接到該放大器單元的輸入端。7、一種可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號的方法，其特征在于，所述方法包含設立至少一個電壓臨界值；依據該電壓臨界值決定該模擬輸入電壓信號的電壓范圍；依據該電壓范圍調整對于該模擬輸入電壓信號的增益；及對放大之后的模擬輸入電壓信號做模擬數字轉換。8、如權利要求7所述的可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號的方法，其特征在于，所述方法還包含輸出用以指示模擬輸入電壓信號的電壓范圍的指示信號。9、如權利要求7所述的可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號的方法,其特征在于，所述模擬輸入電壓信號的電壓范圍大于該電壓臨界值時，則降低增益。10、如權利要求7所述的可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號的方法，其特征在于，所述模擬輸入電壓信號的電壓范圍小于該電壓臨界值時,則增加增益。全文摘要本發明公開了一種可變輸入增益裝置、該裝置處理模擬輸入電壓信號的方法以及具有該裝置的變頻器系統，所述可變輸入增益裝置處理模擬輸入電壓信號，將處理結果傳至變頻器系統，包含能接收該模擬輸入電壓信號并與至少一個電壓臨界值做比較以判斷模擬輸入電壓信號的電壓范圍的比較單元；接收模擬輸入電壓信號并放大的放大器單元；依據模擬輸入電壓信號的電壓范圍，調整該放大器單元增益的反饋控制增益單元，反饋控制增益單元電連接到比較單元及放大器單元；及用以對該放大器單元的輸出做模擬數字轉換的模擬數字轉換單元，模擬數字轉換單元電連接到該放大器單元；比較單元輸出用以指示模擬輸入電壓信號的電壓范圍的指示信號，使變頻器達到精密控制。文檔編號H02M5/00GK101494422SQ200810004720公開日2009年7月29日申請日期2008年1月23日優先權日2008年1月23日發明者李明忠申請人:臺達電子工業股份有限公司