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可变输入增益装置及该装置处理模拟输入电压信号的方法
技术领域
本发明有关一种变频器系统，尤指一种可变输入增益装置及具有该可变输入增益装置的变频器系统及该可变输入增益装置处理模拟输入电压信号的方法。
背景技术
变频器是将固定频率与电压的交流电源整流转换为直流电后，将直流电转换为电压与频率均为可变的交流电源的电能转换装置。借助于变频器可将直流电转换为交流电源，因此变频器被广泛应用于太阳能发电系统、电动车及不断电系统等。由于变频器可同时改变电压/频率(V/f)，并借此改变电动机转速，因此变频器被大量应用于冷冻空调、高速铁路及快捷运输等，以达到变速或增加电动机使用效率，以提升能源使用效率。
图1为公知变频器系统的方框图，主机10A可以经由模拟输入/输出模块20A而送出对于变频器30A的模拟控制信号。该变频器30A内具有一个模拟数字转换器(ADC，analog to digital converter)(图中未示出)，以将该模拟控制信号转换成数字信号，并由微控制器(MCU，micro controller unit) 300A加以处理，以控制变频器30A的输出电压/频率(V/f)。
现今的变频器大多有外部模拟输入电压(0～+10V)控制输出电压频率的功能，但此模拟输入电压必须通过一个比例增益器后再进到MCU的模拟输入接脚(input pin)。目前一般MCU的工作电压为+5V或+3.3V，因此该比例增益通常为一个固定的缩小比例增益值。图2为更进一步说明模拟输入/输出模块20A的模拟输入信号21A(例如模拟输入电压信号V_AI)传送到变频器30A的处理状况，该外部模拟输入电压信号V_AI(0V～+10V)经由一个固定比例增益(P)为1/2的非反相放大器22A将输入信号线性对应转换成0～+5V，再输入至MCU的模拟输入接脚，由MCU内部的模拟数字转换器(ADC)24A来解析外部模拟输入电压的准位(level)。
然而在上述电路中，当模拟输入电压值低于+1V时，其MCU内部ADC解析外部模拟输入电压准位的准确度并不高。图3所示为使用图2的电路单元对于V_AI(0V～+10V)的模拟数字转换结果(假设分辨率为10-bit)。若该MCU的模拟数字转换器(ADC)24A的参考电压源V_REF为5.12V，其最低位(LSB，Least Significant Bit)的电压变化量为5mV(参见式1)，且其数据手册提供的误差若为±3LSB，当外部模拟输入电压准位为1.00V时，其MCU读取到的A-D计数值(N)范围为100±3(参见式2)。
(式1)
A-D计数值(N)计算如下：
N=VAI×P×1024VREF=1×12×10245.12=100]]>(式2)
因此外部模拟输入电压的范围可以由MCU读取到的A-D计数值来反推出，公式如式3：
VAI=N×VREF/1024P±(3+1/2)×VREF/1024P]]>(式3)
当MCU读取到的A-D计数值为100时，其外部模拟输入电压准位范围为1±0.035V。由此可知，MCU本身的计算误差量因为这固定比例增益(P＝0.5＜1)而被放大了，考虑最大测量误差的情况下此测量误差值为0.035V，当外部模拟输入电压准位越低时，这测量误差率则上升，换言之，外部模拟输入电压准位越低其MCU检测的准确度越低，因此在外部模拟输入电压准位低时无法达到精密控制。
参见表1可以更清楚看出，由于A-D转换的最大测量误差值及固定比例增益，MCU判断准确度会随着模拟输入电压值下降而变差。
表1：考虑MCU最大测量误差下所判断外部模拟输入电压的误差率与准确度：

 模拟输入电压(V_AI) MCU判断误差率 MCU判断准确度  1.00  3.5％  96.5％  0.80  4.4％  95.6％  0.60  5.8％  94.2％  0.40  8.8％  91.3％  0.20  17.5％  82.5％  0.10  35％  65％
表1
为了提高在外部模拟输入电压信号微弱时MCU判读的准确度，如能设计一个最佳增益自动切换电路来提高外部模拟输入电压低位准时的比例增益值，提高信号输入至A-D转换器的电压准位，即可降低MCU的判断误差率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的即在于提供一种可变输入增益装置、该可变输入增益装置处理模拟输入电压信号的方法，以及具有该可变输入增益装置的变频器系统，使变频器可达到精密控制。
为达到上述目的，本发明一种可变输入增益装置，用于变频器系统中，所述可变输入增益装置处理模拟输入电压信号，并将处理结果传至变频器系统，包含：
能接收该模拟输入电压信号并与至少一个电压临界值做比较，以判断模拟输入电压信号的电压范围的比较单元；
接收该模拟输入电压信号并加以放大的放大器单元；
用以依据该模拟输入电压信号的电压范围，调整该放大器单元的增益的反馈控制增益单元，所述反馈控制增益单元电连接到该比较单元及该放大器单元；及
用以对该放大器单元的输出做模拟数字转换的模拟数字转换单元，所述模拟数字转换单元电连接到该放大器单元；
其中该比较单元输出用以指示模拟输入电压信号的电压范围的指示信号。
本发明还提供一种具有可变输入增益装置的变频器系统，其中，所述变频器系统可以变更增益方式处理模拟输入电压信号，包含：
可接收模拟输入电压信号并与至少一个电压临界值做比较，以判断模拟输入电压信号的电压范围的比较单元；
接收该模拟输入电压信号并加以放大的放大器单元；
用以依据该模拟输入电压信号的电压范围，调整该放大器单元的增益的反馈控制增益单元，所述反馈控制增益单元电连接到该比较单元及该放大器单元；
用以对于该放大器单元的输出做模拟数字转换的模拟数字转换单元，所述模拟数字转换单元电连接到该放大器单元；及
微控制器，所述微控制器电连接到该模拟数字转换单元及该比较单元，其中该微控制器接收该比较单元输出的指示信号，以获知该模拟输入电压信号的电压范围；并接收该模拟数字转换单元的输出，以计算该模拟输入电压信号的正确数字计数值。
本发明还提供一种可变输入增益装置处理模拟输入电压信号的方法，其特征在于，所述方法包含：
设立至少一个电压临界值；
依据该电压临界值决定该模拟输入电压信号的电压范围；
依据该电压范围调整对于该模拟输入电压信号的增益；及
对放大之后的模拟输入电压信号做模拟数字转换。
综上所述，本发明的可变输入增益装置、可变输入增益装置处理模拟输入电压信号的方法及具有该可变输入增益装置的变频器系统具有下列优点：
1.在外部模拟输入电压准位低时，变频器可达到精密控制。
2.提升MCU判断外部模拟输入电压的准确度。
3.可提高韧体滤波的效能。
4.电路结构简单。
5.使用零件少，成本低。
6.选择判断电压准位范围的电路设计灵活性好。
7.应用范围广泛。
附图说明
图1为公知变频器系统的方框图；
图2为处理模拟输入/输出模块的模拟输入电压信号V_AI的方框图；
图3所示为使用图2的电路单元对于V_AI(0V～+10V)的模拟数字转换结果的示意图(假设分辨率为10-bit)；
图4为依据本发明的较佳具体实施例的具有可变输入增益装置的变频器系统方框图；
图5为说明图4电路操作的电压-计数值示意图；
图6为实现图4具有可变输入增益装置的变频器系统中可变输入增益装置部分的电路图。
附图标记说明
主机                 10A    模拟输入/输出模块   20A
变频器               30A    微控制器(MCU)       300A
模拟输入信号         21A    非反相放大器        22A
模拟数字转换器(ADC)  24A
模拟输入信号         21     放大器单元          22
模拟数字转换单元     24
微控制器(MCU)        300
比较单元             40     反馈控制增益单元    42
指示信号输出单元     44
数字计数值           N      指示信号            Xin
比较器               U2A，U2B，U2C，U2D
非反向驱动器         U3A，U3B，U3C，U3D
放大器     U1A
具体实施方式
参见图4，为依据本发明的较佳具体实施例的具有可变输入增益装置的变频器系统方框图。所述变频器系统可以变更增益方式处理模拟输入电压信号，该变频器系统的微控制器(MCU)300可以接收一个经过可变输入增益处理后、再经过模拟数字处理的数字计数值N，及一个指示输入电压范围的指示信号Xin，以精确判别模拟输入信号21(如模拟输入电压信号V_AI)的数值。该变频器系统主要包含比较单元40、反馈控制增益单元42及指示信号输出单元44，且另外包含放大器单元22及模拟数字转换单元24以及微控制器300。
该比较单元40可以将接收的模拟输入电压信号V_AI与至少一个电压临界值(threshold)做比较，以判断模拟输入电压信号V_AI的电压是落入哪一个电压范围(voltage range)。所述放大器单元22接收该模拟输入电压信号V_AI并加以放大。所述反馈控制增益单元42与该比较单元40及该放大器单元22电连接，以利用模拟输入电压信号V_AI的电压范围调整该放大器单元22的增益。更具体地说，若模拟输入电压信号V_AI的电压为较小的电压范围时，则该反馈控制增益单元42增加放大器单元22的增益；若模拟输入电压信号V_AI的电压为较大的电压范围时，则该反馈控制增益单元42减少放大器单元22的增益。所述模拟数字转换单元24电连接到该放大器单元22，用以对该放大器单元22的输出做模拟数字转换，经过放大器单元22处理的信号再经由模拟数字转换单元24转换成数字计数值N，该数字计数值N由MCU 300处理。所述微控制器300，电连接到该模拟数字转换单元24及该比较单元40，其中该微控制器300接收该比较单元40输出的指示信号，以获知该模拟输入电压信号的电压范围；并接收该模拟数字转换单元24的输出，以计算该模拟输入电压信号的正确数字计数值。为了能还原正确的模拟输入电压(因为数字计数值N会因为可变的增益P而改变)，该比较单元40经由指示信号输出单元44输出用以指示模拟输入电压信号的电压范围的指示信号Xin，MCU 300接收指示信号Xin得以还原正确的模拟输入电压值。
图5为说明图4电路操作的电压-计数值示意图，其中假设全幅电压值(Full swing voltage)由4个临界值(2V，4V，6V，8V)而分成5个电压范围(0-2，2-4，4-6，6-8，8-10)，且计数值N为由10位表示的0-1023数值。比较单元40可以利用电压临界值而判断输入电压的范围，并且经由反馈控制增益单元42控制放大器单元22的增益P(对应这5个电压范围的增益分别为递减的P＝2.5，1.25，0.83，0.625，0.5)。因此在模拟输入电压信号V_AI的电压范围较小时，可以用较大的增益(如P＝2.5)，以降低最大测量误差值的影响。在模拟输入电压信号V_AI的电压范围较大时，可以用较小的增益(如P＝0.5)，以符合MCU 300的额定输入值。再者，比较单元40可以利用指示信号输出单元44送出电压范围的指示信号Xin，MCU 300处理电压范围的指示信号Xin以得到正确的模拟输入电压。例如，如图5所示，当MCU 300收到的计数值N为850时，可能的模拟输入电压信号V_AI为1.75V，3.4V，5V，6.75V及8.5V。MCU 300可以由指示信号Xin以得到正确的模拟输入电压，例如当MCU 300得知指示信号Xin所指示为第2电压范围时，则输入电压值可判定为3.4V。
参见图6，为实现图4具有可变输入增益的变频器系统的电路图。该比较单元40包含多数个比较器，且每一比较器的一输入端接收该模拟输入电压信号，而另一输入端接收电压临界值，例如可以为4个比较器U2A，U2B，U2C，U2D所构成的比较器电路；该比较器U2A，U2B，U2C，U2D的非反向输入端连接到不同位准的电压(例如2V，4V，6V，8V电压)，以提供电压临界值。该反馈控制增益单元42包含多数个分别电连接到该比较器U2A，U2B，U2C，U2D的非反相驱动器U3A，U3B，U3C，U3D及多数个电阻R8，R9，R10，R11，每一个该非反相驱动器连接于对应的比较器输入端及对应电阻之间，并通过该对应电阻连接到该放大器单元22的输入端。该放大器单元22的放大器U1A为固定增益的非反向放大器；若模拟输入电压信号V_AI的输入电压准位高于对应临界值，则对应的比较器(U2A，U2B，U2C，U2D)输出低准位信号，并通过指示信号输出单元44告知MCU 300目前模拟输入电压信号V_AI的输入电压范围，其中指示信号输出单元44可为自比较器U2A，U2B，U2C，U2D的输出。再者对应的比较器U2A，U2B，U2C，U2D驱动非反相驱动器U3A，U3B，U3C，U3D以增加对于模拟输入电压信号V_AI的输入电流，因而降低放大器单元22非反向输入端的电压(因为在电阻R3，R4上有较大的压降)，导致放大器单元22输出电压降低，此结果等同于是降低比例增益值P，因此可达到比例增益值P与外部模拟输入电压的准位成反比的效果。综上所述，该可变输入增益装置处理模拟输入电压信号的方法包含：首先设立至少一个电压临界值；依据该电压临界值决定该模拟输入电压信号的电压范围；依据该电压范围调整对于该模拟输入电压信号的增益；对放大之后的模拟输入电压信号做模拟数字转换，所述方法还包含输出指示信号，以指示模拟输入电压信号的电压范围。当所述模拟输入电压信号的电压范围大于该电压临界值时，则降低增益。当所述模拟输入电压信号的电压范围小于该电压临界值时，则增加增益。
在图6所示的电路中，只需1组放大器，借助于一个比较器集成电路(IC)(4in 1)再搭配4组非反相驱动器及适当的阻抗匹配就可以切换出5段不同的模拟输入电压增益。若要设计n段不同的模拟输入电压增益，只需用n-1组比较器、非反相驱动器及匹配电阻的搭配使用即可。因此图6所示的电路仅为说明用途，而非对于本发明的限制。下列的表2说明依据本发明的具有可变输入增益装置的变频器系统的操作结果。对于定值测量误差值，不管模拟输入电压的范围是什么，本发明的具有可变输入增益装置的变频器系统都有极好的判断准确度。
表2：本发明考虑MCU最大测量误差下所判断外部模拟输入电压的误差率与准确度：
  模拟输入电压(V_AI) MCU判断误差率  MCU判断准确度  1.00  0.7％  99.3％  0.80  0.9％  99.1％  0.60  1.2％  98.8％  0.40  1.8％  98.3％
  0.20  3.5％  96.5％  0.10  7.0％  93.0％
表2
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。