專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量高壓ac信號(hào)的方法以及電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量高壓AC信號(hào)的方法及用于測(cè)量高壓AC信號(hào)的電壓測(cè)量電路。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中通常采用電容分壓器電路來(lái)測(cè)量AC電壓。在這樣一個(gè)已知電路中，串聯(lián)在一起的第一、第二和和第三電容器構(gòu)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(shù)轉(zhuǎn)換器和之后的數(shù)字處理電路。 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(dòng)降低到在最中心電容器上的大約3V的電壓擺動(dòng)。本發(fā)明人意識(shí)到用于測(cè)量AC電壓的電容分壓器電路中所存在的缺陷(當(dāng)電容分壓器電路中的電容器構(gòu)成印刷電路板的一部分時(shí))。更具體地說(shuō)，本發(fā)明人意識(shí)到當(dāng)電容器的極板由印刷電路板的導(dǎo)電層定義、且電容器的電介質(zhì)由印刷電路板的非導(dǎo)電部分所定義時(shí)所引發(fā)的缺陷。因此，本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的測(cè)量高壓AC信號(hào)的方法，所使用的電壓測(cè)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(gòu)成印刷電路板的一部分。本發(fā)明的另一目的在于提供一種改進(jìn)的電壓測(cè)量電路，用于測(cè)量高壓AC信號(hào)，該電壓測(cè)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(gòu)成印刷電路板的一部分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種改進(jìn)的測(cè)量高壓AC信號(hào)的方法，所使用的電壓測(cè)量電路包括電容分壓器電路和補(bǔ)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于所述第一輸入端，所述第一電容器的相對(duì)的第二極板電連接于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于所述第二輸入端，所述第二電容器的相對(duì)的第二極板電連接于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(dǎo)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(zhì)由印刷電路板的非導(dǎo)電部分定義；所述補(bǔ)償電路具有可配置的轉(zhuǎn)移函數(shù)(transfer function)并包括輸入端以及輸出端，其中所述輸入端電連接于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(hào)；測(cè)量所述第三電容器的第一和第二極板之間的電壓；確定轉(zhuǎn)移函數(shù)，用于改變所測(cè)量的電壓，使其符合于第三電容器的第一和第二極板之間基于第一、第二和第三電容器的相對(duì)的理想阻抗的期望電壓；使用所確定的轉(zhuǎn)移函數(shù)配置所述補(bǔ)償電路；及使用所述電壓測(cè)量電路測(cè)量高壓AC信號(hào)，使得所述補(bǔ)償電路根據(jù)所確定的轉(zhuǎn)移函數(shù)改變其輸入端所接收的電壓，并在其輸出端提供改變后的電壓。在使用中，已知電壓信號(hào)被施加在電容分壓器電路的第一和第二輸入端，并測(cè)量第三電容器的第一和第二極板之間的電壓。將所測(cè)得的電壓與基于第一至第三電容器的相對(duì)的理想阻抗的期望電壓相比較，并根據(jù)該比較確定轉(zhuǎn)移函數(shù)。例如當(dāng)在第一和第二輸入端施加230Vrm信號(hào)時(shí)，可能期望在第三電容器上獲得4V的信號(hào)。當(dāng)?shù)谝缓偷诙斎攵耸┘?30Vrm信號(hào)時(shí)，可能在第三電容器上測(cè)得3. 2V的信號(hào)。因此，可以確定轉(zhuǎn)移函數(shù)使得補(bǔ)償電路對(duì)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后的4V電壓。如上所提及，可以對(duì)第一至第三電容器的阻抗值進(jìn)行選擇以實(shí)現(xiàn)期望的電壓分配。但是，印刷電路板制造過(guò)程中的許多變化中的一個(gè)或多個(gè)將導(dǎo)致第一至第三電容器的實(shí)際阻抗值偏離實(shí)現(xiàn)期望的電壓分配的理想值。這些變化與以下有關(guān)用于定義電容器極板的金屬面積； 用于定義電容器的電介質(zhì)的印刷電路板的非導(dǎo)電部分的介電常數(shù)；用于定義電容器的電介質(zhì)的印刷電路板的非導(dǎo)電部分的厚度。本發(fā)明人意識(shí)到這些變化很容易出現(xiàn)，例如，因?yàn)橛∷㈦娐钒宓闹圃彀ㄔ诓煌碾A段形成電容器的電介質(zhì)和極板對(duì)，要精確地匹配電容器的電介質(zhì)和極板對(duì)是一個(gè)難題。另外，本發(fā)明人還意識(shí)到要控制印刷電路板的非導(dǎo)電部分的介電常數(shù)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(dú)一個(gè)施加的已知電壓確定轉(zhuǎn)移函數(shù)，相應(yīng)地測(cè)量第三電容器的第一和第二極板之間的電壓。這樣，轉(zhuǎn)移函數(shù)可用于單獨(dú)地對(duì)所測(cè)量的高壓AC信號(hào)施加增益。該單獨(dú)的一個(gè)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(gè)施加的不同電平的已知電壓來(lái)確定轉(zhuǎn)移函數(shù)，并對(duì)應(yīng)地測(cè)量第三電容器的第一和第二極板之間的電壓。這樣轉(zhuǎn)移函數(shù)可以對(duì)測(cè)量到的高壓AC信號(hào)施加偏移和增益。兩個(gè)已知電壓中的第一個(gè)可以是最大電壓或接近最大電壓。兩個(gè)已知電壓中的第二個(gè)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(gè)(例如多于兩個(gè))施加的不同電平的已知電壓來(lái)確定轉(zhuǎn)移函數(shù)，并對(duì)應(yīng)地測(cè)量第三電容器的第一和第二極板之間的電壓。這樣， 例如轉(zhuǎn)移函數(shù)可以提供偏移、增益、非線(xiàn)性、或許也有噪聲。轉(zhuǎn)移函數(shù)可基于多個(gè)測(cè)量來(lái)確定，使得其具有二階或更高階多項(xiàng)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(gòu)成隔離阻障(isolation barrier)，電容分壓器電路可用于在高壓輸入級(jí)和低壓輸出級(jí)之間提供DC隔離。作為另一選擇或又，所述電壓測(cè)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于第三電容器的第一極板，第二差分輸入端電連接于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，并據(jù)此測(cè)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(guò)在有源電路的差分輸出端之間測(cè)得，而替代直接在第三電容器的第一和第二極板之間測(cè)量。 更具體地，所述差分有源電路包括緩沖器和放大器中的至少一個(gè)。在使用中，確定轉(zhuǎn)移函數(shù)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(duì)電容分壓器的分壓比產(chǎn)生不利影響。還有，例如差分有源電路的增益容易不同于違背期望的增益相反地影響所測(cè)量電壓。作為另一選擇或又，所述補(bǔ)償電路可包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其用于將測(cè)量的第三電容器的第一和第二極板之間的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。該數(shù)字信號(hào)可以例如進(jìn)行處理以確定轉(zhuǎn)移函數(shù)。因此，所述補(bǔ)償電路可以包括數(shù)字處理電路，用于根據(jù)至少一個(gè)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(duì)應(yīng)的至少一個(gè)測(cè)量電壓來(lái)確定所述轉(zhuǎn)移函數(shù)。 例如，處理電路可用于基于施加的兩個(gè)不同的已知電壓和對(duì)應(yīng)的測(cè)量電壓確定一階多項(xiàng)式 (即關(guān)于偏移和增益)，或者基于施加的多個(gè)不同的已知電壓和對(duì)應(yīng)的測(cè)量電壓確定二階或更高階多項(xiàng)式。作為另一選擇或又，所述方法包括在存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)至少一個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)的值。所述存儲(chǔ)裝置可以包含于所述補(bǔ)償電路中。所述存儲(chǔ)裝置可以是電子存儲(chǔ)器，諸如EFUSE器件或EPROM器件。因而，當(dāng)所述轉(zhuǎn)移函數(shù)是一階多項(xiàng)式時(shí)，所述存儲(chǔ)裝置可以例如存儲(chǔ)增益值和偏移值。作為另一選擇或又，所述補(bǔ)償電路包括數(shù)字加法器和數(shù)字乘法器中的至少一個(gè)。 數(shù)字加法器可用于接收測(cè)量電壓的數(shù)字形式，并將偏移值添加到數(shù)字測(cè)量電壓上，以進(jìn)行有效修正。數(shù)字乘法器用于接收測(cè)量電壓的數(shù)字形式，并將數(shù)字測(cè)量電壓與增益值相乘，以進(jìn)行有效修正。當(dāng)轉(zhuǎn)移函數(shù)是二階或更高階多項(xiàng)式時(shí)，數(shù)字乘法器可將測(cè)量電壓的數(shù)字形式自身相乘需要的次數(shù)，以確定多項(xiàng)式中的特定項(xiàng)。例如，在二階多項(xiàng)式中，測(cè)量電壓的數(shù)字形式自身相乘一次，以確定多項(xiàng)式中的二次項(xiàng)。轉(zhuǎn)移函數(shù)的應(yīng)用需要在各個(gè)項(xiàng)相互相加之前，將多項(xiàng)式中的各個(gè)項(xiàng)臨時(shí)存儲(chǔ)。因此，補(bǔ)償電路可包括臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，諸如RAM(其可構(gòu)成微處理器的一部分)。數(shù)字加法器和數(shù)字乘法器中的每一個(gè)都可以從模數(shù)轉(zhuǎn)換器接收測(cè)量電壓的數(shù)字形式，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以是在確定轉(zhuǎn)移函數(shù)的步驟之前，用于轉(zhuǎn)換第三電容器的第一和第二極板之間的測(cè)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于500Hz的高壓AC信號(hào)，例如，對(duì)于家用該頻率可以是60Hz或50Hz，對(duì)于航運(yùn)用途可以是400Hz。作為另一選擇或又，本發(fā)明中所述的高壓AC信號(hào)可以是遵循國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的50Vrm或更高的AC電壓，諸如IlOVrm或230VrmAC電壓。這樣，高壓AC信號(hào)可以是家用主電壓信號(hào)或航運(yùn)中的主電壓信號(hào)。作為選擇，第三電容器可工作在低電壓。作為另一選擇，本發(fā)明中所述的低壓信號(hào)可以是遵循國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的小于50Vrm的AC電壓或小于120V的DC電壓。更具體地，低壓信號(hào)可以是小于15V的DC電壓，例如12V電壓。更具體地，低壓信號(hào)可以是小于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(gè)可以具有小于IOOpF的電容值。更具體地，第一和第二電容器中的每一個(gè)可以具有小于50pF的電容值。更具體地，第一和第二電容器中的每一個(gè)可以具有小于IOpF的電容值，例如5pF。
作為選擇，第三電容器可具有小于500pF的電容值，例如200pF。更具體地，第三電容器可具有小于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(jìn)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(gè)。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。該金屬層可形成于印刷電路板上表面，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(duì)的上和下表面形成，從而使得印刷電路板的非導(dǎo)電體構(gòu)成電容器的電介質(zhì)。作為替代，至少一個(gè)金屬層可嵌入印刷電路板內(nèi)。從而，電容器的第一和第二極板可以在印刷電路板內(nèi)部形成，使得它們之間相互分隔開(kāi)，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(dǎo)電部分構(gòu)成電容器的電介質(zhì)。第一和第二極板可以共用同一個(gè)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于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于印刷電路板中。在本發(fā)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(duì)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(nèi)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(nèi)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(kāi)。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(lái)說(shuō)，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(zhì)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(dǎo)電部分定義。第一和第二嵌入層相互間隔一定距離， 該距離小于第一表面層和第一嵌入層之間的間隔、以及小于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(cè)量電路進(jìn)一步包括整流電路，例如二極管或橋式整流器，用于在高壓AC信號(hào)到達(dá)電容分壓器之前，對(duì)高壓AC信號(hào)進(jìn)行整流。作為另一選擇或又，所述電壓測(cè)量電路進(jìn)一步包括電阻分壓器，用于降低施加到電容分壓器上的高壓AC信號(hào)的電壓電平。作為另一選擇或又，所述電壓測(cè)量電路可進(jìn)一步包括電源，所述電源可以用于提供高壓AC信號(hào)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(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種用于測(cè)量高壓AC信號(hào)的電壓測(cè)量電路，所述電壓測(cè)量電路包括電容分壓器和補(bǔ)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(shí)，在所述第一和第二輸入端之間接收高壓AC信號(hào)，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于所述第一輸入端，所述第一電容器的相對(duì)的第二極板電連接于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于所述第二輸入端，所述第二電容器的相對(duì)的第二極板電連接于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(dǎo)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(zhì)由印刷電路板的非導(dǎo)電部分定義；所述補(bǔ)償電路具有可配置的轉(zhuǎn)移函數(shù)并包括輸入端以及輸出端，其中所述輸入端電連接于所述第三電容器的第一和第二極板之間；所述補(bǔ)償電路用于依照轉(zhuǎn)移函數(shù)改變?cè)谄漭斎攵私邮盏碾妷阂蕴峁└淖兊碾妷鹤鳛槠漭敵觥１景l(fā)明的第二方面的實(shí)施例可包括本發(fā)明的第一方面的一個(gè)或多個(gè)特征。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種使用電壓測(cè)量電路測(cè)量高壓AC信號(hào)的方法， 所述電壓測(cè)量電路包括電容分壓器電路和補(bǔ)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于所述第一輸入端，所述第一電容器的相對(duì)的第二極板電連接于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于所述第二輸入端，所述第二電容器的相對(duì)的第二極板電連接于所述第三電容器的第二極板；所述補(bǔ)償電路具有可配置的轉(zhuǎn)移函數(shù)(transfer function)并包括輸入端以及輸出端，其中所述輸入端電連接于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(hào)；測(cè)量所述第三電容器的第一和第二極板之間的電壓；確定轉(zhuǎn)移函數(shù)，用于改變所測(cè)量的電壓，使其符合于第三電容器的第一和第二極板之間基于第一、第二和第三電容器的相對(duì)的理想阻抗的期望電壓；使用所確定的轉(zhuǎn)移函數(shù)配置所述補(bǔ)償電路；及使用所述電壓測(cè)量電路測(cè)量高壓AC信號(hào)，使得所述補(bǔ)償電路根據(jù)所確定的轉(zhuǎn)移函數(shù)改變其輸入端所接收的電壓，并在其輸出端提供改變后的電壓。更具體地，所述第一、第二和第三電容器中的至少一個(gè)電容器的極板由印刷電路板的導(dǎo)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(zhì)由印刷電路板的非導(dǎo)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(gè)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(lèi)電容器或Y類(lèi)電容器。所述第三電容器可為陶瓷電容器。根據(jù)后續(xù)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)介紹，本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)可以顯而易見(jiàn)。


下文將結(jié)合附圖對(duì)具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，以幫助理解本發(fā)明的各種優(yōu)點(diǎn)、各個(gè)方面和創(chuàng)新特征，附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明的電壓測(cè)量電路的框圖；圖2是圖1的電容器分壓器和緩沖器的電路圖；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(jí)(a first form of input stage)的電壓測(cè)量電路的電路圖；圖6是具有第二形式的輸入級(jí)的電壓測(cè)量電路的電路圖；圖7是具有第三形式的輸入級(jí)的電壓測(cè)量電路的電路圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量電壓信號(hào)的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的電壓測(cè)量電路。該電壓測(cè)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(hào)，如230Vrm主信號(hào)。所述電壓測(cè)量電路10還包括電容器分壓器14、緩沖器16和模數(shù)轉(zhuǎn)換器18，所述電容器分壓器14參照?qǐng)D2進(jìn)行了更詳細(xì)的描述，所述緩沖器16構(gòu)成差分有源電路。從以下描述可以清楚了解到，電容器分壓器14是用于將高壓AC信號(hào)降低到一個(gè)電壓電平(voltage level)，該電壓電平可與電處理電路兼容，如約3伏特的電平。在模數(shù)轉(zhuǎn)換器18將降低的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前采用緩沖器16緩沖。該電壓測(cè)量電路10也可包括微處理器20，其為已知的形式和功能，并且可包括RAM形式的臨時(shí)工作存儲(chǔ)器22，一次性可編程存儲(chǔ)器M，如EFUSE設(shè)備， 和數(shù)字乘法器和加法器電路26。該電壓測(cè)量電路10配置成微處理器20從模數(shù)轉(zhuǎn)換器18 接收數(shù)字形式的測(cè)量電壓，并用作生成轉(zhuǎn)移函數(shù)的數(shù)值，所述轉(zhuǎn)移函數(shù)存儲(chǔ)在一次性可編程存儲(chǔ)器對(duì)中。從以下描述可以清楚了解到，轉(zhuǎn)移函數(shù)用于提供電壓測(cè)量電路10的誤差補(bǔ)償，否則該誤差將增加高電壓信號(hào)測(cè)量的誤差。在微處理器20的控制下，數(shù)字乘法器和加法器電路26將存儲(chǔ)在一次性可編程存儲(chǔ)器中的轉(zhuǎn)移函數(shù)的數(shù)值和從模數(shù)轉(zhuǎn)換器18接收的數(shù)字形式的測(cè)量電壓一起操作，以在所述數(shù)字乘法器和加法器電路26的輸出端觀(guān)提供補(bǔ)償測(cè)量電壓信號(hào)。圖2中示出了圖1的電容器分壓器14和緩沖器16的電路圖。圖2還示出某些輸入和輸出波形。以下將參照?qǐng)D8詳細(xì)描述這些波形。該電容器分壓器14是以串聯(lián)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M電連接至第三電容器36的第一極板和緩沖器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(fù)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的第二極板和緩沖器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(hào)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沖器16中緩沖以用于后續(xù)處理。電容器分壓器14分壓AC電壓信號(hào)的程度由第一-第三電容器的電容的相對(duì)值確定。在本實(shí)施例中，將230Vrm，50Hz 的家用主電壓信號(hào)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(也就是緩沖器16和后續(xù)處理電路)將從高電壓側(cè)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(jiàn)，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(dǎo)電基底 68定義電容器的電介質(zhì)。在印刷電路板上金屬跡線(xiàn)(metal track)和大表層結(jié)構(gòu)(large surface structure)的形成，如第一和第二極板的金屬層是本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的。 或，嵌入到該基底的金屬層定義一個(gè)或多個(gè)電容器極板。提供嵌入的金屬跡線(xiàn)和大表面區(qū)域，如第一和第二極板的金屬層是本領(lǐng)域技術(shù)人員眾所周知的。以下將參照?qǐng)D4A-4B描述嵌入的金屬層的應(yīng)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(jiàn)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(duì)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(zhì)，該電介質(zhì)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，其間距小于第一嵌入層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(fā)明的目的是將230Vrm的主電壓信號(hào)降低到約3伏特的電壓信號(hào)。第一和第二電容器分別使用5pF的電容。在一種形式中，根據(jù)常規(guī)生產(chǎn)實(shí)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(guò)使用至少一個(gè)寄生部件和附加離散部件獲得，如表面裝配的電容、二極管等等。當(dāng)使用寄生部件時(shí)，其可以至少一個(gè)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IOM Ohms的寄生電阻，3dB點(diǎn)的截止頻率(cut-offfrequency) 約為3kHz。假設(shè)每十年轉(zhuǎn)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(jù)普通設(shè)計(jì)原則改變來(lái)獲得期望的分壓因子(division factor)以在特定主頻率運(yùn)行。在另一形式中，可修正普通的印刷電路板制造過(guò)程，例如通過(guò)增加層的數(shù)量或者包括特定的薄層(thined layer)等，從而增加第三電容并降低第二和第一電容器的電容。因此，可確定相對(duì)電容值以獲得期望的電壓分壓。圖5-7示出了根據(jù)本發(fā)明的電壓測(cè)量電路的電路圖，所述電壓測(cè)量電路具有三種不同形式的輸入級(jí)。與圖2的電路相同的部件采用了相同的附圖標(biāo)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(lián)的二極管112，該二極管用作整流器。圖6的電路120包括位于輸入級(jí)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。所述橋式整流器用于全波整流施加到輸入級(jí)的家用主信號(hào)。圖7的電路130包括由串聯(lián)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(duì)側(cè)從而提供家用主電壓信號(hào)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的選擇取決于家用主電壓信號(hào)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(cè)量電路的操作將參照?qǐng)D8的流程圖150和圖1-7示出的裝置進(jìn)行描述。在步驟152中將已知振幅(amplitude)的信號(hào)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(shí)施例中，已知振幅的信號(hào)為約230Vrm，也就是最大輸入電壓。在步驟154 中，測(cè)得的第三電容器36兩端生成的電壓，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器18提供該測(cè)量電壓的數(shù)字表示。接著，在步驟156中將測(cè)量電壓的數(shù)字表示的振幅與已知振幅進(jìn)行比較，確定將要改變測(cè)量電壓的數(shù)字表示的增益值(其構(gòu)成用于轉(zhuǎn)移函數(shù)的值)以將測(cè)量電壓的數(shù)字表示的振幅與已知振幅大致對(duì)應(yīng)。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(shè)計(jì)流程工作。接著在步驟158中將該增益值存儲(chǔ)在一次性可編程存儲(chǔ)器M中。這確定本方法的校準(zhǔn)階段。其后，在步驟160中，電壓測(cè)量電路用于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(hào)測(cè)量高壓AC信號(hào)。在步驟162，模數(shù)轉(zhuǎn)換器18測(cè)量第三電容器36兩端生成的電壓信號(hào)以提供測(cè)量電壓162的數(shù)字表示。接著，在步驟164中，數(shù)字乘法器和加法器電路沈的乘法器用于將測(cè)量電壓的數(shù)字表示與存儲(chǔ)在一次性可編程存儲(chǔ)器M中的增益值相乘。這樣，來(lái)自數(shù)字乘法器和加法器電路沈的輸出構(gòu)成了一測(cè)量電壓， 該測(cè)量電壓已經(jīng)考慮了誤差并被補(bǔ)償過(guò)了，這些誤差是源于第一-第三電容器的實(shí)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(bǔ)償后的測(cè)量電壓。其后，重復(fù)步驟160-166構(gòu)成的測(cè)量階段用于后續(xù)的高壓AC信號(hào)的后續(xù)測(cè)量。在后一段描述的另一形式的方法中，在步驟152中，將兩個(gè)已知的但是具有不同振幅的信號(hào)施加到第一和第二輸入端12以提供給電容分壓器14。一個(gè)信號(hào)為約230Vrm， 也就是最大輸入電壓。另一信號(hào)為約OVrm。在步驟154中，測(cè)得的第三電容器36兩端生成的對(duì)應(yīng)兩個(gè)已知的但是具有不同振幅的信號(hào)的電壓，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器18提供該測(cè)量電壓的第一和第二數(shù)字表示。接著，在步驟156中將測(cè)量電壓的第一和第二數(shù)字表示的振幅與已知振幅進(jìn)行比較，確定將要改變測(cè)量電壓的每個(gè)數(shù)字表示的增益值和偏移值(其構(gòu)成用于轉(zhuǎn)移函數(shù)的值)以將測(cè)量電壓的數(shù)字表示的振幅與已知振幅大致對(duì)應(yīng)。接著在步驟158 中將該增益值和偏移存儲(chǔ)在一次性可編程存儲(chǔ)器M中從而確定本方法的校準(zhǔn)階段。因此， 如上所述電壓測(cè)量電路用于測(cè)量實(shí)際的高壓AC信號(hào)，該信號(hào)具有已經(jīng)施加并補(bǔ)償測(cè)量電壓的增益值和偏移值。根據(jù)本形式的方法，數(shù)字乘法器和加法器電路26的加法器用于施加該偏移值，該數(shù)字乘法器和加法器電路26的乘法器用于施加增益值。在后一段描述的另一形式的方法中，在步驟152中，將三個(gè)或更多個(gè)已知的但是具有不同振幅的信號(hào)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IM中， 測(cè)得的第三電容器36兩端生成的所述三個(gè)或更多個(gè)已知的但是具有不同振幅的信號(hào)的電壓，采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器18提供該測(cè)量電壓的三個(gè)或多個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)字表示。接著，微處理器用于確定將要用于補(bǔ)償測(cè)量的高壓AC信號(hào)的二階或高階多項(xiàng)式。該二階或高階多項(xiàng)式可用于提供偏移、增益和非線(xiàn)性修正。三個(gè)或更多施加的已知電壓信號(hào)將用于一階多項(xiàng)式(也就是如后段所述)以提高系數(shù)的準(zhǔn)確性，例如，處理源于參考信號(hào)中的噪聲的誤差。當(dāng)完成校準(zhǔn)階段時(shí)，使用如上所述電壓測(cè)量電路測(cè)量實(shí)際高壓AC信號(hào)。在本發(fā)明的該形式中，數(shù)字乘法器和加法器電路沈的乘法器用于將測(cè)量電壓的數(shù)字表示與其自身相乘需要的次數(shù) (requisite number of time)以確定多項(xiàng)式的特定項(xiàng)。例如，在二階多項(xiàng)式中，所述測(cè)量電壓的數(shù)字表示與其自身相乘一次以確定多項(xiàng)式的二次項(xiàng)。另外，將零次項(xiàng)用作偏移值，一次或高次項(xiàng)的系數(shù)用作增益值。微處理器中的臨時(shí)工作存儲(chǔ)器22用于在多項(xiàng)式的項(xiàng)彼此相加之前將其存儲(chǔ)以提供補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量電壓信號(hào)。 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(lèi)和 /或Y類(lèi)離散電容器也可以用于第一和第二電容器，且陶瓷電容器可用于第三電容器。第一-第三電容器的電容可參照對(duì)圖2的描述。
權(quán)利要求
1.一種使用電壓測(cè)量電路測(cè)量高壓AC信號(hào)的方法，其特征在于，所述電壓測(cè)量電路包括電容分壓器電路和補(bǔ)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于所述第一輸入端，所述第一電容器的相對(duì)的第二極板電連接于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于所述第二輸入端，所述第二電容器的相對(duì)的第二極板電連接于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(dǎo)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(zhì)由印刷電路板的非導(dǎo)電部分定義；所述補(bǔ)償電路具有可配置的轉(zhuǎn)移函數(shù)并包括輸入端以及輸出端，其中所述輸入端電連接于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(hào)；測(cè)量所述第三電容器的第一和第二極板之間的電壓；確定轉(zhuǎn)移函數(shù)，用于改變所測(cè)量的電壓，使其符合于第三電容器的第一和第二極板之間基于第一、第二和第三電容器的相對(duì)的理想阻抗的期望電壓；使用所確定的轉(zhuǎn)移函數(shù)配置所述補(bǔ)償電路；及使用所述電壓測(cè)量電路測(cè)量高壓AC信號(hào)，使得所述補(bǔ)償電路根據(jù)所確定的轉(zhuǎn)移函數(shù)改變其輸入端所接收的電壓，并在其輸出端提供改變后的電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于僅一個(gè)施加的已知電壓和第三電容器的第一和第二極板間的對(duì)應(yīng)測(cè)量確定所述轉(zhuǎn)移函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于不同電平的兩個(gè)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(duì)應(yīng)測(cè)量確定所述轉(zhuǎn)移函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，基于不同電平的兩個(gè)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(duì)應(yīng)測(cè)量確定所述轉(zhuǎn)移函數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述電容分壓器電路配置為DC隔離器操作。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述方法，其特征在于，所述電壓測(cè)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于第三電容器的第一極板，第二差分輸入端電連接于第三電容器的第二極板。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述方法，其特征在于，所述補(bǔ)償電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于將所述第三電容器的第一和第二極板之間的測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。
8.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述方法，其特征在于，所述方法包括在存儲(chǔ)設(shè)備中存儲(chǔ)用于所述轉(zhuǎn)移函數(shù)的至少一個(gè)值。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述方法，其特征在于，所述補(bǔ)償電路包括至少一個(gè)數(shù)字加法器和數(shù)字乘法器，所述數(shù)字加法器用于接收測(cè)量電壓的數(shù)字形式并將所述數(shù)字測(cè)量電壓與偏移值相加以有效修正，且所述數(shù)字乘法器用于接收測(cè)量電壓的數(shù)字形式并將所述數(shù)字測(cè)量電壓與增益值相乘以有效修正。
10.一種用于測(cè)量高壓AC信號(hào)的電壓測(cè)量電路，所述電壓測(cè)量電路包括電容分壓器和補(bǔ)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(shí)，在所述第一和第二輸入端之間接收高壓AC信號(hào)，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于所述第一輸入端，所述第一電容器的相對(duì)的第二極板電連接于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于所述第二輸入端，所述第二電容器的相對(duì)的第二極板電連接于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(dǎo)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(zhì)由印刷電路板的非導(dǎo)電部分定義；所述補(bǔ)償電路具有可配置的轉(zhuǎn)移函數(shù)并包括輸入端以及輸出端，其中所述輸入端電連接于所述第三電容器的第一和第二極板之間；所述補(bǔ)償電路用于依照轉(zhuǎn)移函數(shù)改變?cè)谄漭斎攵私邮盏碾妷阂蕴峁└淖兊碾妷鹤鳛槠漭敵觥?br> 全文摘要
本發(fā)明涉及使用電壓測(cè)量電路測(cè)量高壓AC信號(hào)的方法以及電壓測(cè)量電路。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(hào)；測(cè)量所述第三電容器的第一和第二極板之間的電壓；確定轉(zhuǎn)移函數(shù)，用于改變所測(cè)量的電壓，使其符合于第三電容器的第一和第二極板之間基于第一、第二和第三電容器的相對(duì)的理想阻抗的期望電壓；使用所確定的轉(zhuǎn)移函數(shù)配置所述補(bǔ)償電路；及使用所述電壓測(cè)量電路測(cè)量高壓AC信號(hào)，使得所述補(bǔ)償電路根據(jù)所確定的轉(zhuǎn)移函數(shù)改變其輸入端所接收的電壓，并在其輸出端提供改變后的電壓。
文檔編號(hào)G01R19/00GK102288802SQ20111012267
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月12日
發(fā)明者哈蘭德·韋爾, 巴勒特·伊恩, 赫維茨·伊弗雷姆·大衛(wèi)·喬納森 申請(qǐng)人:吉歌網(wǎng)絡(luò)有限公司