電壓控制阻抗合成器的制造方法
【專利說明】電壓控制阻抗合成器
[0001] 發(fā)明背景 發(fā)明領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明一般涉及電阻抗控制和合成的裝置及方法，并且更具體地涉及以電壓導(dǎo)至 的阻抗控制和合成。
[0003] 在相關(guān)技術(shù)的描述
[0004] 電阻抗是一個電路當施加電壓時所呈現(xiàn)對電流通過的對抗的量度。在現(xiàn)有技術(shù) 中，可使用有源模擬電路的阻抗合成器或模擬器合成，用于廣泛范圍的規(guī)定的電阻，電容， 和電感值的模擬阻抗。作為一個主要的應(yīng)用，這些阻抗值被部署為校準電子測試和測量儀 器的基準元件。在校準過程中，每個基準元件單獨地由儀器測量，并且將測量值與已知值進 行比較，從該確定該儀器讀數(shù)的誤差。在一般情況下，不同的儀器可能需要不同的參考元 件。因此阻抗合成器可以方便地提供多種儀器所需的無數(shù)校準阻抗值。
[0005] 然而由現(xiàn)有技術(shù)合成器的阻抗的實現(xiàn)方式，在功率或電壓處理能力方面受到模擬 組件的限制。
[0006] 以下列專利為例：
[0007] US4963845, US5485115, US5585741，US6351137, US6369650, US6646463, US7808314 和CN201141879,其中運算放大器，數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和其他線性有源電 路元件被部署在阻抗合成電路中。這些半導(dǎo)體電路元件的相對低的電壓和功率處理能力已 經(jīng)造成其合成阻抗的功率或電壓處理能力的限制。這些合成阻抗在校準電子測試和測量儀 器中并沒有問題，因為在這些都是在低訊號電平中進行的。
[0008] 然而在一些不同的區(qū)域，本發(fā)明將探討電阻抗合成技術(shù)被部署用于儀器校準以外 的其它應(yīng)用。例如，通過改變電源電壓下合成的負載阻抗，一個受控負載電流便形成。作為 另一個例子，通過控制由阻抗合成器合成的負載阻抗，并供給固定的供電電壓，輸送到負載 的功率便可被控制。另外，通過阻抗的控制，從而電流或功率，以至其它物理參數(shù)，如溫度， 光度，壓力，力，速度等亦可被控制。這些似乎在學(xué)術(shù)和工程界中仍然是新穎的想法，將在本 發(fā)明的以下描述中加以說明。
[0009] 對于這些應(yīng)用，其中高功率或高電流是必需的，但如果部署高功率運算放大器和 其它活性模擬設(shè)備以傳統(tǒng)方式合成所需的阻抗，即使功率效率不考慮，不是不可能，但也將 是非常困難和昂貴的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 因此，本發(fā)明旨在通過建立具有以下功能的新型電壓控制的阻抗合成器，以探索 電子功率控制的新領(lǐng)域：
[0011] a)通過選擇性地連接阻抗元件以達至高功率效率。
[0012] b)以最小數(shù)量的開關(guān)取得目標精確度。
[0013] c)合成阻抗的品質(zhì)因數(shù)在應(yīng)用頻率下保持不變。
[0014] d)合成阻抗的線性度保持不變。
[0015] e)阻抗值根據(jù)控制電壓的一個規(guī)定函數(shù)合成。
[0016] f)合成阻抗值與規(guī)定函數(shù)保持單調(diào)關(guān)系。
[0017] g)合成阻抗負有逐級但隨著控制電壓的預(yù)定函數(shù)的線性關(guān)系。
[0018] h)控制方法簡單而直接。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明的實施例，一個電壓控制阻抗合成器根據(jù)控制電壓的預(yù)定函數(shù)提供逐 級可變阻抗值，所述合成器包括串聯(lián)連接的一個或多個二端阻抗模塊，在各阻抗模塊中串 聯(lián)連接一個或多個基本上相同的二端阻抗元件，相應(yīng)數(shù)量的開關(guān)給所有的在阻抗模塊的阻 抗元件作選擇性地短路，所述開關(guān)由所述控制電壓通過模擬到數(shù)字控制轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理裝 置進行控制。阻抗模塊之間的阻抗元件阻抗值的比率根據(jù)阻抗模塊中阻抗元件的數(shù)目所規(guī) 定，使電壓控制的阻抗合成器被控制以提供單調(diào)和逐級可變阻抗值。進一步，通過使用電壓 控制的阻抗合成，其它電參數(shù)例如電流和功率亦可以根據(jù)任何預(yù)定函數(shù)控制。
[0020] 此外，通過電路的對偶屬性，本發(fā)明也可以應(yīng)用到電氣導(dǎo)納的合成，如將在下面的 描述中加以闡述。
[0021] 電壓可控阻抗合成器VCZS作為本發(fā)明的實施例的操作原理是通過圖1的框圖圖 示。如圖所示，一控制電壓ν ωΝα)經(jīng)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC被轉(zhuǎn)換為它的等值數(shù)字，然后 根據(jù)設(shè)計所要求輸入的函數(shù)Func_d(t)由數(shù)字函數(shù)發(fā)生器DFG進行處理。數(shù)字函數(shù)發(fā)生器 DFG輸出ZvcZS_d(t)，進一步通過開關(guān)模式編碼器SPE處理以輸出以開關(guān)模式表迖的合成 阻抗Zv CZS_s⑴，以控制數(shù)字阻抗合成器DZS的開關(guān)狀態(tài)，從而產(chǎn)生由電壓VOT(t)控制的 合成阻抗Zvczs (t)。數(shù)字函數(shù)發(fā)生器DFG和開關(guān)模式的編碼器的SPE可以通過任何適當?shù)?數(shù)字處理設(shè)備，諸如微處理器，合適的軟件程序來實現(xiàn)。
[0022] 圖2是表示反饋控制系統(tǒng)中部署一個壓控阻抗合成器VCZS作為本發(fā)明的實施例 的方框圖。正如在任何控制系統(tǒng)中，控制參數(shù)首先被定義。該參數(shù)可以是任何旨在被控制 的電氣或其它物理量，例如電壓，電流，電力，或其他物理量，例如溫度，光度，壓力，力，速度 等，亦可以通過電氣裝置來控制。如圖2所示，上述進行控制的物理量控制參數(shù)，由感測裝 置ParaSen檢測或測量所述物理量諸如負載兩端的電壓，諸如通過的電流負載，諸如通過 負荷的功率消耗，或如該負載的熱效應(yīng)而至的溫度變化，等等?？刂茰y量值可被轉(zhuǎn)換成一個 訊號，通過一般的電子裝置，以其峰值，平均值，均方根值，瞬時或任何其他形式的值作為測 量值，并與期望取得的物理量理想值ParaSet比較。比較的結(jié)果是電壓V OT(t)，代表該控制 參數(shù)從理想值ParaSet的偏離，將提供用于接通和斷開各開關(guān)的電壓可控阻抗內(nèi)的控制訊 號合成VCZS，以便控制作為負載阻抗的壓控阻抗合成器VCZS，使控制參數(shù)偏離最小化，而 不受電源或負載的任何變化，或任何其他的外來干擾（圖2所示）。因此，該控制參數(shù)便如 預(yù)期被調(diào)節(jié)到接近理想值ParaSet。
[0023] 如圖2框圖解說，部署壓控阻抗合成器VCZS在發(fā)明實施例的反饋控制系統(tǒng)中，可 覆蓋任何物理控制參數(shù)，以根據(jù)所期望的ParaSet來控制。另外，ParaSet -般是時間的函 數(shù)，因此其平均值，峰值時，均方根值，瞬時值或任何其他形式作為所需要的控制參數(shù)以實 現(xiàn)該系統(tǒng)的預(yù)期控制目標。更進一步地，要達到的參數(shù)，即是ParaSet，可以是相對于一個 周期訊號的周期，例如50Hz或60Hz作為公用電力網(wǎng)電源周期的時間函數(shù)。
[0024] 因此，希望為上述應(yīng)用提供一種裝置或方法，通過阻抗元件組合的電路交換以合 成阻抗值，以便在預(yù)定的控制范圍內(nèi)作一系列準確且迅速的級進變化。還希望該合成阻抗 的任何變化是單調(diào)的，即表示控制數(shù)字輸入增加時控制阻抗總是增加或保持不變作為，而 控制數(shù)字輸入值降低時控制阻抗始終降低或保持不變。作為穩(wěn)定的控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征， 單調(diào)性是必需的。此外，還希望在級進變化時每級的變化幅度相等，此特征亦是合成阻抗高 精度控制不可或缺的。
[0025] 作為本發(fā)明數(shù)字化的應(yīng)用，各種實施例是通過一個數(shù)字阻抗合成器DZS由"阻抗 元件"的開關(guān)，如圖3A作圖解所示，深入的說明將在詳細規(guī)格中進行。數(shù)字的方法，其阻抗 值的變化是作離散級進式的?？刂频木纫虼耸苤朴谧杩辜夁M的大小。很明顯對于阻抗控 制的規(guī)定范圍內(nèi)，阻抗控制精度是與"階梯"的數(shù)目成反比。也很明顯，對于阻抗水平的任 何固定數(shù)目，保持所有的阻抗級進的大小一致才可實現(xiàn)阻抗控制的最高精度。
[0026] 在過去的幾十年中，許多不同的開關(guān)電路拓撲已經(jīng)被發(fā)明及應(yīng)用于其他領(lǐng)域，例 如用于交流電壓的調(diào)節(jié)。在一般情況下，當級進的數(shù)目增加以實現(xiàn)更精細的控制，開關(guān)狀態(tài) 的數(shù)量及開關(guān)實際數(shù)目需要不可避免地增加。由于開關(guān)是該系統(tǒng)的關(guān)鍵的和相對昂貴的元 件，要降低系統(tǒng)的成本，就要限制雇用開關(guān)的數(shù)目，控制精密度亦經(jīng)常如此被破壞。這是非 常不希望見到的，而過去許多不同種類的開關(guān)電路拓撲和控制方法，企圖在達到更高的控 制精度時，仍能限制開關(guān)的數(shù)量以期簡化電路和降低成本。然而，現(xiàn)有的一般設(shè)計仍然是結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，并且缺乏設(shè)計和部署的靈活性。
[0027] 此外，有足夠多的開關(guān)狀態(tài)可取得高精度的級進，使更高的控制精度變得可行，亦 為設(shè)計師們帶來了新的挑戰(zhàn)。取決于實際的電路設(shè)計，及電路實際的精度，當級進的大小減 小時，線性或數(shù)字控制訊號和控制阻抗之間的單調(diào)關(guān)系可能會丟失，從而可能導(dǎo)致系統(tǒng)不 穩(wěn)定或控制精度下降，因而給以設(shè)計師一個非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
[0028] 事實上，有一個問題影響了壓控阻抗合成器VCZS的線性和單調(diào)性的實際限制，即 阻抗元件ZES的準確性?？梢宰C明，當阻抗元件ZEs未能造得精確，彼此間比率未有足夠良 好的匹配，線性和單調(diào)性將無法實現(xiàn)。因此，如果在系統(tǒng)設(shè)計中這方面未能妥善解決，該壓 控阻抗合成器VCZS在控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的性能，則有可能受到損害。
[0029] 除了可用組件的實際限制，由本發(fā)明公開的方法，在設(shè)計壓控阻抗合成器VCZS中 的控制精度而言，部署交換機的數(shù)量，阻抗元件的總數(shù)和數(shù)值，都沒有限制?？刂品椒ê拖?關(guān)的控制電路亦是簡單而直接的，而影響線性度和單調(diào)性的實際限制將得到解決，而其連 帶的不良影響也被除去。
[0030] 經(jīng)下面的描述和附圖，本發(fā)明的其他應(yīng)用程序和優(yōu)點將會變得明顯?？梢岳斫獾?是，示出的具體結(jié)構(gòu)和描述，可