电压控制阻抗合成器的制造方法
【专利说明】电压控制阻抗合成器
[0001] 发明背景 发明领域
[0002] 本发明一般涉及电阻抗控制和合成的装置及方法，并且更具体地涉及以电压导至 的阻抗控制和合成。
[0003] 在相关技术的描述
[0004] 电阻抗是一个电路当施加电压时所呈现对电流通过的对抗的量度。在现有技术 中，可使用有源模拟电路的阻抗合成器或模拟器合成，用于广泛范围的规定的电阻，电容， 和电感值的模拟阻抗。作为一个主要的应用，这些阻抗值被部署为校准电子测试和测量仪 器的基准元件。在校准过程中，每个基准元件单独地由仪器测量，并且将测量值与已知值进 行比较，从该确定该仪器读数的误差。在一般情况下，不同的仪器可能需要不同的参考元 件。因此阻抗合成器可以方便地提供多种仪器所需的无数校准阻抗值。
[0005] 然而由现有技术合成器的阻抗的实现方式，在功率或电压处理能力方面受到模拟 组件的限制。
[0006] 以下列专利为例：
[0007] US4963845, US5485115, US5585741，US6351137, US6369650, US6646463, US7808314 和CN201141879,其中运算放大器，数字-模拟转换器，模拟-数字转换器和其他线性有源电 路元件被部署在阻抗合成电路中。这些半导体电路元件的相对低的电压和功率处理能力已 经造成其合成阻抗的功率或电压处理能力的限制。这些合成阻抗在校准电子测试和测量仪 器中并没有问题，因为在这些都是在低讯号电平中进行的。
[0008] 然而在一些不同的区域，本发明将探讨电阻抗合成技术被部署用于仪器校准以外 的其它应用。例如，通过改变电源电压下合成的负载阻抗，一个受控负载电流便形成。作为 另一个例子，通过控制由阻抗合成器合成的负载阻抗，并供给固定的供电电压，输送到负载 的功率便可被控制。另外，通过阻抗的控制，从而电流或功率，以至其它物理参数，如温度， 光度，压力，力，速度等亦可被控制。这些似乎在学术和工程界中仍然是新颖的想法，将在本 发明的以下描述中加以说明。
[0009] 对于这些应用，其中高功率或高电流是必需的，但如果部署高功率运算放大器和 其它活性模拟设备以传统方式合成所需的阻抗，即使功率效率不考虑，不是不可能，但也将 是非常困难和昂贵的。
【发明内容】
[0010] 因此，本发明旨在通过建立具有以下功能的新型电压控制的阻抗合成器，以探索 电子功率控制的新领域：
[0011] a)通过选择性地连接阻抗元件以达至高功率效率。
[0012] b)以最小数量的开关取得目标精确度。
[0013] c)合成阻抗的品质因数在应用频率下保持不变。
[0014] d)合成阻抗的线性度保持不变。
[0015] e)阻抗值根据控制电压的一个规定函数合成。
[0016] f)合成阻抗值与规定函数保持单调关系。
[0017] g)合成阻抗负有逐级但随着控制电压的预定函数的线性关系。
[0018] h)控制方法简单而直接。
[0019] 根据本发明的实施例，一个电压控制阻抗合成器根据控制电压的预定函数提供逐 级可变阻抗值，所述合成器包括串联连接的一个或多个二端阻抗模块，在各阻抗模块中串 联连接一个或多个基本上相同的二端阻抗元件，相应数量的开关给所有的在阻抗模块的阻 抗元件作选择性地短路，所述开关由所述控制电压通过模拟到数字控制转换和数字处理装 置进行控制。阻抗模块之间的阻抗元件阻抗值的比率根据阻抗模块中阻抗元件的数目所規 定，使电压控制的阻抗合成器被控制以提供单调和逐级可变阻抗值。进一步，通过使用电压 控制的阻抗合成，其它电参数例如电流和功率亦可以根据任何预定函数控制。
[0020] 此外，通过电路的对偶属性，本发明也可以应用到电气导纳的合成，如将在下面的 描述中加以阐述。
[0021] 电压可控阻抗合成器VCZS作为本发明的实施例的操作原理是通过图1的框图图 示。如图所示，一控制电压ν ωΝα)经模拟-数字转换器ADC被转换为它的等值数字，然后 根据设计所要求输入的函数Func_d(t)由数字函数发生器DFG进行处理。数字函数发生器 DFG输出ZvcZS_d(t)，进一步通过开关模式编码器SPE处理以输出以开关模式表迖的合成 阻抗Zv CZS_s⑴，以控制数字阻抗合成器DZS的开关状态，从而产生由电压VOT(t)控制的 合成阻抗Zvczs (t)。数字函数发生器DFG和开关模式的编码器的SPE可以通过任何适当的 数字处理设备，诸如微处理器，合适的软件程序来实现。
[0022] 图2是表示反馈控制系统中部署一个压控阻抗合成器VCZS作为本发明的实施例 的方框图。正如在任何控制系统中，控制参数首先被定义。该参数可以是任何旨在被控制 的电气或其它物理量，例如电压，电流，电力，或其他物理量，例如温度，光度，压力，力，速度 等，亦可以通过电气装置来控制。如图2所示，上述进行控制的物理量控制参数，由感测装 置ParaSen检测或测量所述物理量诸如负载两端的电压，诸如通过的电流负载，诸如通过 负荷的功率消耗，或如该负载的热效应而至的温度变化，等等。控制测量值可被转换成一个 讯号，通过一般的电子装置，以其峰值，平均值，均方根值，瞬时或任何其他形式的值作为测 量值，并与期望取得的物理量理想值ParaSet比较。比较的结果是电压V OT(t)，代表该控制 参数从理想值ParaSet的偏离，将提供用于接通和断开各开关的电压可控阻抗内的控制讯 号合成VCZS，以便控制作为负载阻抗的压控阻抗合成器VCZS，使控制参数偏离最小化，而 不受电源或负载的任何变化，或任何其他的外來干扰（图2所示）。因此，该控制参数便如 预期被调节到接近理想值ParaSet。
[0023] 如图2框图解说，部署压控阻抗合成器VCZS在发明实施例的反馈控制系统中，可 覆盖任何物理控制参数，以根据所期望的ParaSet来控制。另外，ParaSet -般是时间的函 数，因此其平均值，峰值时，均方根值，瞬时值或任何其他形式作为所需要的控制参数以实 现该系统的预期控制目标。更进一步地，要达到的参数，即是ParaSet，可以是相对于一个 周期讯号的周期，例如50Hz或60Hz作为公用电力网电源周期的时间函数。
[0024] 因此，希望为上述应用提供一种装置或方法，通过阻抗元件组合的电路交换以合 成阻抗值，以便在预定的控制范围内作一系列准确且迅速的级进变化。还希望该合成阻抗 的任何变化是单调的，即表示控制数字输入增加时控制阻抗总是增加或保持不变作为，而 控制数字输入值降低时控制阻抗始终降低或保持不变。作为稳定的控制系统的本质特征， 单调性是必需的。此外，还希望在级进变化时每级的变化幅度相等，此特征亦是合成阻抗高 精度控制不可或缺的。
[0025] 作为本发明数字化的应用，各种实施例是通过一个数字阻抗合成器DZS由"阻抗 元件"的开关，如图3A作图解所示，深入的说明将在详细规格中进行。数字的方法，其阻抗 值的变化是作离散级进式的。控制的精度因此受制于阻抗级进的大小。很明显对于阻抗控 制的规定范围内，阻抗控制精度是与"阶梯"的数目成反比。也很明显，对于阻抗水平的任 何固定数目，保持所有的阻抗级进的大小一致才可实现阻抗控制的最高精度。
[0026] 在过去的几十年中，许多不同的开关电路拓扑已经被发明及应用于其他领域，例 如用于交流电压的调节。在一般情况下，当级进的数目增加以实现更精细的控制，开关状态 的数量及开关实际数目需要不可避免地增加。由于开关是该系统的关键的和相对昂贵的元 件，要降低系统的成本，就要限制雇用开关的数目，控制精密度亦经常如此被破坏。这是非 常不希望见到的，而过去许多不同种类的开关电路拓扑和控制方法，企图在达到更高的控 制精度时，仍能限制开关的数量以期简化电路和降低成本。然而，现有的一般设计仍然是结 构复杂，并且缺乏设计和部署的灵活性。
[0027] 此外，有足够多的开关状态可取得高精度的级进，使更高的控制精度变得可行，亦 为设计师们带来了新的挑战。取决于实际的电路设计，及电路实际的精度，当级进的大小减 小时，线性或数字控制讯号和控制阻抗之间的单调关系可能会丢失，从而可能导致系统不 稳定或控制精度下降，因而给以设计师一个非常具有挑战性的任务。
[0028] 事实上，有一个问题影响了压控阻抗合成器VCZS的线性和单调性的实际限制，即 阻抗元件ZES的准确性。可以证明，当阻抗元件ZEs未能造得精确，彼此间比率未有足够良 好的匹配，线性和单调性将无法实现。因此，如果在系统设计中这方面未能妥善解决，该压 控阻抗合成器VCZS在控制精度和系统稳定性方面的性能，则有可能受到损害。
[0029] 除了可用组件的实际限制，由本发明公开的方法，在设计压控阻抗合成器VCZS中 的控制精度而言，部署交换机的数量，阻抗元件的总数和数值，都没有限制。控制方法和相 关的控制电路亦是简单而直接的，而影响线性度和单调性的实际限制将得到解决，而其连 带的不良影响也被除去。
[0030] 经下面的描述和附图，本发明的其他应用程序和优点将会变得明显。可以理解的 是，示出的具体结构和描述，可