專利名稱：測量直流電壓的方法及直流電壓測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明是有關于電壓的測量，特別是有關于直流電壓的測量。
背景技術：
一般而言，可攜式電子裝置是以電池供電。電池所供應的是直流電壓。電池在供 電一段時間后，其所供應的電壓會隨著時間經過而下降。當電池供應的電壓下降到一個程 度時，便不足以支持可攜式電子裝置的運作，而使可攜式電子裝置失效。因此，為維持可攜 式電子裝置的運作，可攜式電子裝置必須具備直流電壓測量裝置，時時監測電池供應的電 壓大小，以便讓使用者能隨時得知電池的使用狀況，而在電池的電力不足前預先更換可攜 式電子裝置的電池。因為大部分的可攜式電子裝置都是數字裝置，一般的直流電壓測量裝置會以模擬 至數字轉換器將接收到的輸入直流電壓轉換為數字值，再將該數字值輸出。當可攜式電子 裝置收到該數字值之后，便可將該數字值轉換為圖示顯示于可攜式電子裝置的屏幕上，以 表示電池目前的電量。然而，受限于模擬至數字轉換器的精確度，由輸入直流電壓轉換得到 的數字值時常無法精確表示輸入直流電壓目前的電量。舉例來說，輸入電壓范圍為OV 3V 的5位模擬至數字轉換器共有32 ( = 25)種輸出值，其精確度約為0. 09V( = 3/32)，在此精 確度范圍內的電壓變化便無法被模擬至數字轉換器測量到。圖1為現有直流電壓測量方法的示意圖。假設直流電壓測量裝置的模擬至數字 轉換器共有5種輸出值，分別為0、1、2、3、4。輸出值0、1、2、3、4分別對應_0. 5V 0. 5V、 0. 5V 1. 5V、1. 5V 2. 5V、2. 5V 3. 5V、3. 5V 4. 5V的輸入電壓范圍。當一輸入直流電 壓為2. 8V時，該輸入直流電壓落在2. 5V 3. 5V的電壓范圍，因此模擬至數字轉換器會將 該輸入直流電壓轉換為數字輸出值3。即使直流電壓測量裝置不斷在tl、t2、t3、t4、t5時 點進行測量，模擬至數字轉換器也只會輸出5個數字輸出值3。因此，使用者僅能得到電池 的概略電壓3V，無法得知精確電壓2. 8V。這樣會造成使用者對電池電量的誤判，從而無法 及時的更換電池。因此，需要一種測量直流電壓的方法，可以在模擬至數字轉換器有限的精 確度下，仍可測量到精確的電壓值。
發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種測量直流電壓的方法，以解決現有技術存 在的問題。首先，接收一輸入直流電壓。接著，加載一暫時性擾動電壓信號于該輸入直流電 壓上，以得到一變化電壓，其中該暫時性擾動電壓信號的擾動幅度大于一模擬至數字轉換 器的一精確度。接著，以該模擬至數字轉換器對該變化電壓進行模擬至數字轉換，以得到多 個大小不完全相同的樣本值。接著，依據這些樣本值導出一平均樣本值。接著，輸出該平均 樣本值作為該輸入直流電壓的測量值。本發明更提供一種直流電壓測量裝置。于一實施例中，該直流電壓測量裝置包括 一擾動電路、一模擬至數字轉換器、以及一控制器。該擾動電路接收一輸入直流電壓，并加載一暫時性擾動電壓信號于該輸入直流電壓上以得到一變化電壓，其中該暫時性擾動電壓 信號的擾動幅度大于一模擬至數字轉換器的一精確度。該模擬至數字轉換器對該變化電壓 進行模擬至數字轉換，以得到多個大小不完全相同的樣本值。該控制器依據這些樣本值導 出一平均樣本值，并輸出該平均樣本值作為該輸入直流電壓的測量值。
為讓本發明的上述目的、特征和優點能更明顯易懂，以下結合附圖對本發明的具 體實施方式作詳細說明，其中圖1為現有直流電壓測量方法的示意圖2為依據本發明的直流電壓測量裝置的區塊圖3為依據本發明的測量直流電壓的方法的流程圖4為依據本發明的直流電壓測量裝置的一實施例的區塊圖5為依據本發明的圖4的直流電壓測量裝置的擾動電路所產生的變化電壓的示意圖6為依據本發明的直流電壓測量裝置的另一實施例的區塊圖；以及
圖7為依據本發明的圖6的直流電壓測量裝置的擾動電路所產生的變化電壓的示意圖。
主要元件符號說明
(圖2)
200 直流電壓測量裝置
202 擾動電路
204 模擬至數字轉換器
206 控制器
(圖4)
400 直流電壓測量裝置
402 擾動電路
404 模擬至數字轉換器
406 控制器
412 電感
414 開關元件
(圖6)
600 直流電壓測量裝置
602 擾動電路
604 模擬至數字轉換器
606 控制器
612 弦波產生器
614 相加電路
具體實施例方式圖2為依據本發明的直流電壓測量裝置200的區塊圖。直流電壓測量裝置200接 收一輸入直流信號Vin，并將該輸入直流信號Vin轉換為一數字輸出值A。于一實施例中，直 流電壓測量裝置200包括擾動電路202、模擬至數字轉換器204、以及控制器206。圖3為 依據本發明的測量直流電壓的方法300的流程圖。直流電壓測量裝置200依據方法300轉 換該輸入直流信號Vin為數字輸出值A，其中該數字輸出值A的精確度高于模擬至數字轉換 器204的精確度。由于現有直流電壓測量裝置會受限于模擬至數字轉換器的精確度，而依 據本發明的直流電壓測量裝置200可產生具有高于模擬至數字轉換器204的精確度的數字 輸出值A，本發明的直流電壓測量裝置200具有較現有直流電壓測量裝置為高的效能。首先，擾動電路202接收一輸入直流電壓Vin (步驟302)。接著，擾動電路202加載一 暫時性擾動電壓信號于該輸入直流電壓Vin上，以得到一變化電壓Vin’ (步驟304)。暫時性擾 動電壓信號的擾動只持續一小段時間，且擾動幅度大于模擬至數字轉換器204的精確度。當 擾動電路202產生變化電壓Vin’之后，變化電壓Vin’便會暫時性的在輸入直流電壓Vin的位 準附近做小幅偏移。接著，擾動電路202產生的變化電壓Vin’被輸入模擬至數字轉換器204。 模擬至數字轉換器204接著對該變化電壓Vin’進行模擬至數字轉換，以得到對應不同測量時 點的多個樣本值S (步驟306)。由于變化電壓Vin’會暫時性的在輸入直流電壓Vin的位準附 近做小幅偏移，由變化電壓Vin’轉換所得的多個樣本值S的大小亦不完全相同。模擬至數字轉換器204產生的多個樣本值S被輸入控制器206。接著，控制器206 依據這些樣本值S導出一平均樣本值A(步驟308)。于一實施例中，控制器206自這些樣本 值選取多個樣本值，接著平均這些被選取樣本值以得到該平均樣本值A。于另一實施例中， 控制器206自這些樣本值選取多個樣本值，接著對這些被選取樣本值進行加權平均以得到 該平均樣本值A。這些被選取樣本值的權重依變化電壓Vin’的變化方式而定。若變化電壓 Vin’隨時間增加逐漸趨近輸入直流電壓Vin，則取樣時點愈晚的被選取樣本值的權重愈大。由于這些被選取樣本值的大小不完全相同且都近似于該輸入直流電壓Vin的位 準，因此平均樣本值A可作為輸入直流電壓Vin的近似值。此外，由于平均樣本值A是由多 個被選取樣本值進行平均或加權平均而得，因此平均樣本值A的精確度會高于被選取樣本 值的精確度。另外，若變化電壓Vin’并非以輸入直流電壓Vin的值為中心變動，則控制器406 于平均被選取樣本值以得到平均值后，需再將該平均值加一補償值，以得到該平均樣本值 A。最后，控制器206輸出該平均樣本值A作為該輸入直流電壓Vin的測量值(步驟310)。圖4為依據本發明的直流電壓測量裝置400的一實施例的區塊圖。直流電壓測量 裝置400包括擾動電路402、模擬至數字轉換器404、及控制器406。擾動電路402首先將 該變化電壓Vin’由輸入直流電壓Vin下拉至一地電位，接著使變化電壓Vin’由該地電位逐 步充電到該輸入直流電壓Vin的電位。于一實施例中，擾動電路402包括一電容412及一開 關元件414。于一實施例中，擾動電路402具有一輸出節點416，以輸出變化電壓Vin’至模 擬至數字轉換器404。電容412耦接于輸出節點416與地電位之間。同樣的，開關元件414 亦耦接于輸出節點416與地電位之間。輸入直流電壓Vin亦耦接至輸出節點416。圖5為依據本發明的直流電壓測量裝置400的擾動電路402所產生的變化電壓 Vin’的示意圖。變化電壓Vin’系以曲線500表示。于時點to之前，擾動電路402的開關元 件414打開。此時輸出節點416耦接至輸入直流電壓Vin，因此變化電壓Vin’維持在輸入直流電壓Vin的大小。接著，擾動電路402于時點t0將開關元件414關上，從而將輸出節點 416耦接至地電位。因此，輸出節點416的變化電壓Vin’于時點t0被下拉至地電位。接著， 擾動電路402又將開關元件414打開，從而除去輸出節點416與地電位之間的耦接。因為 輸出節點416仍耦接至輸入直流電壓Vin，變化電壓Vin’隨時間經過逐漸回升趨近于輸入直 流電壓Vin的大小。變化電壓Vin’被送至模擬至數字轉換器404。假設模擬至數字轉換器404分別于 時點tl、t2、t3、t4、t5取樣，以分別得到樣本502、504、506、508、510。假設模擬至數字轉 換器404共有5種輸出值，分別為0、1、2、3、4。輸出值0、1、2、3、4分別對應-0. 5V 0. 5V、
0.5V 1. 5V、1. 5V 2. 5V、2. 5V 3. 5V、3. 5V 4. 5V 的電壓范圍。樣本 502,504 的電壓 落在1. 5V 2. 5V的電壓范圍，從而模擬至數字轉換器會轉換樣本502、504為數字輸出值
2。樣本506、508、510的電壓落在2.5V 3. 5V的電壓范圍，從而模擬至數字轉換器會轉換 樣本506、508、510為數字輸出值3。接著，控制器406對樣本502 510的數字輸出值2、2、3、3、3進行平均，得到平均 值2. 6。由于擾動電路402是將輸入直流電壓Vin下拉以得到變化電壓Vin’，樣本平均值匯 較輸入直流電壓Vin的大小為低，因此控制器406再將平均值2. 6加上補償值0. 2以得到最 終輸出的平均樣本值2. 8。此平均樣本值2. 8相當接近輸入直流電壓Vin的大小2. 8V。相 較于圖1的現有方法僅能得到電池的概略電壓3V，本發明的測量值2. 8V很明顯的較現有方 法所得的測量值更為精確。圖6為依據本發明的直流電壓測量裝置600的另一實施例的區塊圖。直流電壓測 量裝置600包括擾動電路602、模擬至數字轉換器604、及控制器606。擾動電路602包括 一弦波產生器612及一相加電路614。弦波產生器612首先產生一弦波D以作為暫時性擾 動電壓信號。于一實施例中，該弦波D的振幅大于模擬至數字轉換器604的精確度的幅度 的二分之一，因此可利用弦波D產生幅度大于模擬至數字轉換器604的精確度的擾動。接 著，相加電路602將弦波D加載于輸入直流電壓Vin上以得到變化電壓Vin’。因此變化電壓 Vin’的電位是一以輸入直流電壓Vin為中心進行小幅震蕩，而模擬至數字轉換器604可取樣 變化電壓Vin’而得到多個數字樣本值S，這些數字樣本值S的大小不同但都近似于輸入直 流電壓Vin的值。因此，控制器606可借這些數字樣本值S導出具有高精確度的平均樣本值 A，以作為該輸入直流電壓Vin的測量值。圖7為依據本發明的直流電壓測量裝置600的擾動電路602所產生的變化電壓 Vin’的示意圖。變化電壓Vin’是以曲線700表示。于時點t0之前，擾動電路602的弦波產 生器612尚未產生弦波D，因此相加電路614產生的變化電壓Vin’維持在輸入直流電壓Vin 的大小。接著，弦波產生器612于時點t0開始產生弦波D，從而相加電路614產生的變化電 壓Vin’于時點tO開始以輸入直流電壓Vin為中心進行小幅震蕩。變化電壓Vin’被送至模擬 至數字轉換器604。假設模擬至數字轉換器604分別于時點tl、t2、t3、t4、t5取樣，以分別 得到樣本702、704、706、708、710。假設模擬至數字轉換器704共有5種輸出值，分別為0、
1、2、3、4。輸出值0、1、2、3、4 分別對應-0. 5V 0. 5V、0. 5V 1. 5V、1. 5V 2. 5V、2. 5V
3.5V、3. 5V 4. 5V的電壓范圍。由于樣本702、706、710的電壓落在2. 5V 3. 5V的電壓范圍，從而模擬至數字轉 換器會轉換樣本702、706、710為數字輸出值3。樣本704、708的電壓落在3. 5V 4. 5V的電壓范圍，從而模擬至數字轉換器會轉換樣本704、708為數字輸出值4。接著，控制器706 對樣本702 710的數字輸出值3、4、3、4、3進行平均，得到平均樣本值3. 4。此平均樣本值 3. 4相當接近輸入直流電壓Vin的大小3. 3V。若采取圖1的現有方法，則僅能得到電池的概 略電壓3V。因此，本發明的測量值3. 4V很明顯的較現有方法所得的測量值更為精確。
雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發明，任何本領域技 術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作些許的修改和完善，因此本發明的保護范 圍當以權利要求書所界定的為準。
權利要求
一種直流電壓測量裝置，包括一擾動電路，接收一輸入直流電壓，并加載一暫時性擾動電壓信號于該輸入直流電壓上以得到一變化電壓，其中該暫時性擾動電壓信號的擾動幅度大于一模擬至數字轉換器的一精確度；該模擬至數字轉換器，對該變化電壓進行模擬至數字轉換，以得到多個大小不完全相同的樣本值；以及一控制器，依據這些樣本值導出一平均樣本值，并輸出該平均樣本值作為該輸入直流電壓的測量值。
2.如權利要求1所述的直流電壓測量裝置，其特征在于，該擾動電路將該變化電壓下 拉至一地電位，接著將該變化電壓由該地電位逐步充電到該輸入直流電壓的電位，以產生 該變化電壓。
3.如權利要求2所述的直流電壓測量裝置，其特征在于，該擾動電路包括一電容，耦接于該變化電壓的一輸出節點與一地電位之間，其中該輸出節點更耦接至 該輸入直流電壓；以及一開關元件，耦接于該輸出節點與該地電位之間，被關上以耦接該該輸出節點及該地 電位從而下拉該變化電壓，接著被打開以去除該該輸出節點及該地電位間的耦接從而充電 該變化電壓。
4.如權利要求1所述的直流電壓測量裝置，其特征在于，該暫時性擾動電壓信號為一 弦波，該弦波的振幅大于該精確度的二分之一。
5.如權利要求1所述的直流電壓測量裝置，其特征在于，該擾動電路包括一弦波產生器，產生一弦波以作為該暫時性擾動電壓信號，其中該弦波的振幅大于該 精確度的二分之一；以及一相加電路，將該弦波加載于該輸入直流電壓上以得到該變化電壓。
6.如權利要求1所述的直流電壓測量裝置，其特征在于，該控制器自這些樣本值選取 多個第一樣本值，以及平均這些第一樣本值以得到該平均樣本值。
7.如權利要求1所述的直流電壓測量裝置，其特征在于，該控制器自這些樣本值選取 多個第一樣本值，平均這些第一樣本值以得到一平均值，以及將該平均值加上一補償值以 得到該平均樣本值。
8.如權利要求1所述的直流電壓測量裝置，其特征在于，該控制器自這些樣本值選取 多個第一樣本值，以及加權平均這些第一樣本值以得到該平均樣本值。
9.如權利要求8所述的直流電壓測量裝置，其特征在于，該變化電壓隨時間逐漸趨近 于該輸入直流電壓，且這些第一樣本值的取樣時點愈晚，這些第一樣本值的權重愈大。
10.如權利要求1所述的直流電壓測量裝置，其特征在于，該輸入直流電壓為一電池電壓。
全文摘要
本發明提供一種測量直流電壓的方法和直流電壓測量裝置，可以在模擬至數字轉換器有限的精確度下，仍可測量到精確的電壓值。該方法包括首先，接收一輸入直流電壓。接著，加載一暫時性擾動電壓信號于該輸入直流電壓上，以得到一變化電壓，其中該暫時性擾動電壓信號的擾動幅度大于一模擬至數字轉換器的一精確度。接著，以該模擬至數字轉換器對該變化電壓進行模擬至數字轉換，以得到多個大小不完全相同的樣本值。接著，依據這些樣本值導出一平均樣本值。接著，輸出該平均樣本值作為該輸入直流電壓的測量值。
文檔編號G01R19/25GK101900757SQ20091005188
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月25日 優先權日2009年5月25日
發明者蕭力碩 申請人:慧國(上海)軟件科技有限公司;慧榮科技股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
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