专利名称：电压检测和测量电路的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及控制系统，尤其涉及用于这种系统的电压检测和测量电路。
背景技术：
对于诸如工业自动化和控制系统中采用的电力电气设备，存在很多种电源。电气设备可能经受来自电源的多个不同的电源电压水平。例如，在世界上不同地理区域，电源电压可能显著不同。此外，电压可以根据不同的额定电源值而不同。通常，希望在将电源连接至电气设备的同时检测输入电压的存在。此外，测量用于配置电气设备的输入电压的大小是有益的。检测输入电压的一种方式是通过隔离变压器。然而，隔离电压器可能较昂贵，并且可能不提供对于控制电气设备的电压所要求的输入电压大小的准确测量。因此，希望开发一种能够自动检测输入电压和测量这种电压的大小的电压检测和测量系统。
发明内容
简单来说，根据本发明的一个实施例，提供一种电压检测和测量电路。该电路包括操作耦合至AC电力输入线的第一齐纳二极管和操作耦合至基准电压线的第二齐纳二极管。第一和第二齐纳二极管被配置为传递来自AC电力输入线的输入AC电压的部分以产生输出波形。该电路还包括光耦合器，其耦合至第一和第二齐纳二极管以接收来自第一和第二齐纳二极管的输出波形，以检测输入AC电压；以及处理电路，其被配置为收来自光耦合器的输出波形，以及基于该输出波形确定输入AC电压的大小。根据另一方面，提供一种检测和测量输入AC电压的方法。该方法包括向多个齐纳二极管施加输入AC电压，以及传递输入AC电压的超过齐纳二极管的击穿电压的部分以向光耦合器提供输出波形。输出波形的特征取决于输入电压的大小。该方法还包括处理光耦合器的输出以检测输入AC电压和估计输入电压的大小。根据另一方面，提供一种电压检测和测量电路。该电路包括AC电力输入导体以及第一和第二齐纳二极管，第一和第二齐纳二极管耦合至AC电力输入导体并且被配置为传递来自AC电力输入导体的输入AC电压的部分以产生输出波形。该电路包括耦合至第一和第二齐纳二极管的光耦合器。光耦合器被配置为接收来自第一和第二齐纳二极管的输出波形。该电路包括布置在AC电力输入线和光耦合器之间的多个电阻器。这些电阻器被配置为限制通过光耦合器和第一和第二齐纳二极管的电流。该电路还包括处理电路，该处理电路被配置为处理来自光耦合器的输出波形以检测输入电压信号和/或区分输入导体上的多个输入电压波形。
当参照附图阅读如下详细描述时可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方面以及优点，在全部附图中相似的附图标记表示相似的部件。图1示出具有根据本发明各方面的电压检测和测量电路的系统。图2示出具有根据本发明各方面的图1的电压检测和测量电路的系统的示例配置。图3示出具有由图1的电压检测和测量电路产生的相应输出电压波形的示例输入电压波形。图4示出根据本发明各方面的用于检测和测量输入电压的示例方法。
具体实施例方式如下文所详细讨论的，本技术的实施例起到提供电压检测和测量电路的作用，该电压检测和测量电路用于测量施加至系统，诸如控制和自动化系统的部件的输入AC电压。 具体地，本技术利用多个齐纳二极管以及光耦合器来产生具有指示输入电压大小的特征的输出波形。说明书中提及的“ 一个实施例”、“实施例”、“示例实施例，，是指所描述的实施例可以包含一个具体的特征、结构或特性，但不是每个实施例都必须包含该具体的特征、结构或特性。并且，这些用语不一定是指同一实施例。此外，当结合实施例描述具体的特征、结构或特性时，无论是否明确说明，均认为将这些特征、结构或特性结合到其它实施例是在本领域技术人员的知识范围内的。现在转到附图，首先参照图1，示出了具有电压检测和测量电路12的系统，诸如工业控制系统10。在示出的实施例中，系统10包括AC电力输入导体14，AC电力输入导体14 被配置为将来自电源16的AC电压提供给诸如由附图标记18和20表示的下游电气设备。 在示出的实施例中，电压检测和测量电路12被配置为检测输入电压信号以及区分输入导体14上的多个输入电压波形。在该示例实施例中，电路12包括第一和第二齐纳二极管22和M，第一和第二齐纳二极管22和M操作耦合至AC电力输入导体14并且被配置为传递来自AC电力输入导体 14的输入AC电压的部分以产生输出波形。在示出的实施例中，第一齐纳二极管22耦合至 AC电力输入导体14，而第二齐纳二极管M耦合至可以在地电位的基准电压线。此外，光耦合器沈耦合至第一和第二齐纳二极管22和对，且被配置为接收来自第一和第二齐纳二极管22和M的输出波形。此外，电路12包括处理电路观，其被配置为处理来自光耦合器26的输出波形以检测输入电压信号和/或区分输入导体14上的多个输入电压波形。在该示例实施例中，电路12还包括滤波电路30，其被配置为过滤从电源16接收的输入AC电压的较高阶谐波。此外，该电路包括布置在电源16和光耦合器沈之间的具有多个电阻器的电阻器网络32。电阻器网络32被配置为限制通过光耦合器沈和第一和第二齐纳二极管22和对的电流。操作中，处理电路观被配置为检测输入电压信号和产生采样输出波形，以基于该采样输出波形来估计输入电压的大小。在所示的实施中，通过显示器34将估计的输入电压的大小显示给系统10的用户。此外，系统10包括控制电路36，控制电路36接收估计的输入电压的大小并且被配置为基于该估计值来控制电气设备18和20的电压。
在某些实施例中，处理电路观被配置为通过网络40将带有估计值的输入电压检测传送至远程控制和/或监视站38。如本领域技术人员理解的，网络40可以包括诸如网络线缆、网络接口卡、路由器和桥接器等部件来与控制电路36通信。远程控制和/或监视站 38还可以被配置为远程控制电气设备18和20的输入电压。图2示出具有图1的电压检测和测量电路12的系统10的示例配置50。在所示的实施例中，电源16包括被配置为输出三相电压(例如来自电网)的三相电源。在一个示例实施例中，电源16被配置为提供110伏特输入电压信号。在另一个示例实施例中，电源16 被配置为提供220伏特输入电压信号。操作中，滤波电路30过滤从电源16接收的输入AC电压的较高阶谐波。在一个示例实施例中，滤波电路30包括电磁干扰和谐波滤波器。此外，布置在滤波电路30下游的电阻器网络32限制通过第一和第二齐纳二极管22和M和光耦合器沈的电流。在该示例实施中，电阻器网络32包括附图标记52、54、56和58所表示的四个电阻器。然而，可以采用更多或更少数量的电阻器来限制通过第一和第二齐纳二极管22和M 的电流。此外，可以基于期望的电流减少来选择电阻器52、54、56和58中的每个的电阻值。如所示出的，第一齐纳二极管22耦合至AC电力输入导体14，而第二齐纳二极管 M耦合至诸如地电位的基准电压线。第一和第二齐纳二极管22和M被配置为传递输入AC 电压的超过第一和第二齐纳二极管22和M的每个的击穿电压的部分，以产生输出波形。在该示例实施例中，调节第一和第二齐纳二极管22和M中的每个的击穿电压以区分多个输入电压。在某些实施例中，第一和第二齐纳二极管22和M还被配置为基于第一和第纳二极管22和M的每个的击穿电压来过滤电压噪声。在示出的实施例中，光耦合器沈被配置为接收第一和第二齐纳二极管22和M的输出波形。在该示例实施例中，光耦合器沈包括双向数字光耦合器。光耦合器沈包括诸如由附图标记60表示的发光二极管和被配置为基于从第一和第二齐纳二极管22和M接收的输出波形检测输入电压的存在的光电检测器62。处理电路观被配置为处理来自光耦合器的输出波形，以估计所检测的输入电压的大小。在示出的实施例中，处理电路观包括被配置为存储来自光耦合器沈的输出波形的存储器64。此外，处理电路28还包括被配置为估计输入电压的大小的处理器66。存储器64可以包括硬盘驱动器、光盘驱动器、磁带驱动器、随机存取存储器 (RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PR0M)、独立盘冗余阵列(RAID)、快闪存储器、磁光存储器、全息存储器、磁泡存储器、磁滚筒、存储棒、麦拉⑥带、智能盘、薄膜存储器、 Zip驱动器，等等。应注意，本发明不限于任何用于执行本发明的处理任务的具体处理器。如本文使用的术语“处理器”旨在表示能够执行本发明的任务所需要的运算或计算的任何的机器。术语“处理器”旨在表示任何能够接受结构化的输入并能够根据指定规则处理该输入以产生输出的机器。也应当注意，如本领域技术人员会理解的，这里使用的短语“被配置为”指的是处理器配备有用于执行本发明的任务的硬件和软件的组合。在一个示例实施例中，处理器66被配置为产生采样输出波形以及基于采样输出波形来估计输入电压的大小。在示例实施例中，基于输出波形的幅度的均方根值来估计输
6入电压的大小。在一个示例实施例中，电路12包括模数转换器68，其耦合至处理电路观以将光耦合器26的输出波形信号数字化。在某些实施例中，模数转换器68被集成在电路12 的处理电路观中。如前所述，由控制电路36利用估计的输入电压大小来配置工业和自动化控制系统中采用的一个或更多个电气设备18和20(例如，风扇)。有利的是，输入电压的检测和测量促进对诸如设备18和20的输入电压的实时控制。图3示出带有由图1的电压检测和测量电路12产生的相应输出电压波形92的示例输入电压波形90。在示出的实施例中，附图标记94和96表示对应于110伏特和220伏特的输入信号的波形。此外，附图标记98和100表示提供给光耦合器沈的来自第一和第二齐纳二极管22和M的相应输出波形。可以看出，输出波形98和100包括输入电压波形的已经通过第一和第二齐纳二极管22和M的部分。在示出的实施例中，选择第一和第二齐纳二极管22的每个的击穿电压以分别区分多个输入电压波形，诸如110伏特和220伏特的输入电压信号。在示出的实施例中，附图标记102和104表示由图1的处理电路观产生的采样输出波形。附图标记102表示对应于110伏特的输入电压的采样波形。此外，附图标记104 表示对应于220伏特的输入电压的采样波形。可以使用处理电路观来修正采样的输出波形102和104以产生重建的波形106和108。可以看出，输出波形106和108的特征指示输入波形94和96的大小，从而便于输入电压的实时检测和测量。图4示出根据本发明各方面的用于检测和测量输入电压的示例方法120。在框 122，将输入AC电压施加至系统。然后输入AC电压通过电阻器网络以限制通过下游部件的电流(框124)。在框126，将输入AC电压施加至电压检测和测量电路的多个齐纳二极管 (框 1M)。输入AC电压的超过齐纳二极管的击穿电压的部分通过齐纳二极管，以产生输出波形(框1 和128)。在框130，将输出波形提供给光耦合器。在该示例实施例中，输出波形的特征取决于输入电压的大小。此外，处理光耦合器的输出以检测输入电压和估计输入电压的大小(框13幻。在框134，将输入电压的大小显示给系统的用户。此外，基于估计的输入电压的大小来控制至少一个电气设备的电压(框136)。上面描述的结构的各个方面可以用于检测和测量施加至系统的输入AC电压。具体地，上面描述的技术提供隔离的输出信号，其带有指示进入的输入AC信号的特征。有利的是，通过在提供低电压噪声抑制的同时调节齐纳二极管的击穿电压值，将齐纳二极管用于电压检测和测量便于对不同电压水平的检测。可以在诸如工业控制系统的系统中利用该技术，以检测进入的电压和自动配置诸如这些系统的风扇的部件的电压，从而消除对配置这些部件的人工介入的需要。虽然这里仅示出和描述了本发明的某些特征，本领域技术人员可以想到许多修改和变化。因此，应当理解的是所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和变化。
权利要求
1.一种电压检测和测量电路，包括第一齐纳二极管，其被配置为操作耦合至AC电力输入线；第二齐纳二极管，其被配置为操作耦合至基准电压线，其中，所述第一和第二齐纳二极管被配置为传递来自所述AC电力输入线的输入AC电压的部分以产生输出波形；光耦合器，其耦合至所述第一和第二齐纳二极管以接收来自所述第一和第二齐纳二极管的所述输出波形，以检测所述输入AC电压；以及处理电路，其被配置为接收来自所述光耦合器的所述输出波形，以及基于所述输出波形来确定所述输入AC电压的存在和/或大小。
2.根据权利要求1所述的电压检测和测量电路，还包括电阻器网络，所述电阻器网络被配置为限制通过所述光耦合器和所述第一和第二齐纳二极管的电流。
3.根据权利要求1所述的电压检测和测量电路，其中，所述基准电压线包括地电位。
4.根据权利要求1所述的电压检测和测量电路，其中，所述处理电路被配置为产生采样输出波形以及基于所述采样输出波形来估计所述输入电压的大小。
5.根据权利要求4所述的电压检测和测量电路，其中，基于所述输出波形的幅度的均方根值来估计所述输入电压的大小。
6.根据权利要求1所述的电压检测和测量电路，其中，所述第一和第二齐纳二极管被配置为基于所述第一和第二齐纳二极管的每个的击穿电压来过滤电压噪声。
7.根据权利要求1所述的电压检测和测量电路，还包括控制电路，所述控制电路被配置为基于所述输入电压的大小来控制至少一个电气设备的电压。
8.根据权利要求1所述的电压检测和测量电路，还包括模数转换器，所述模数转换器耦合至所述处理电路，并且被配置为将来自所述光耦合器的所述输出波形信号数字化。
9.根据权利要求1所述的电压检测和测量电路，其中，所述光耦合器包括发光二极管和光电检测器，所述光电检测器被配置为基于来自所述第一和第二齐纳二极管的所述输出波形来检测所述输入电压的存在。
10.一种用于检测和测量输入AC电压的方法，所述方法包括向多个齐纳二极管施加输入AC电压；传递所述输入AC电压的超过所述齐纳二极管的击穿电压的部分以将输出波形提供给光耦合器，其中，所述输出波形的特征取决于所述输入电压的大小，以及处理所述光耦合器的输出以检测所述输入AC电压以及估计所述输入电压的大小。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括调节所述齐纳二极管的所述击穿电压以区分多个输入AC电压。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，处理所述输出波形包括采样所述输出波形，以及测量所采样的波形的幅度以估计所述输入电压的大小。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括基于所估计的所述输入电压的大小来控制至少一个电气设备。
14.一种电压检测和测量电路，包括AC电力输入导体；第一和第二齐纳二极管，其耦合至所述AC电力输入导体，并且被配置为传递来自所述 AC电力输入导体的输入AC电压的部分以产生输出波形；光耦合器，其耦合至所述第一和第二齐纳二极管，所述光耦合器被配置为接收来自所述第一和第二齐纳二极管的所述输出波形；多个电阻器，其被布置在所述AC电力输入线和所述光耦合器之间，所述电阻器被配置为限制通过所述光耦合器和所述第一和第二齐纳二极管的电流；以及处理电路，其被配置为处理来自所述光耦合器的输出波形以检测输入电压信号和/或区分所述输入导体上的多个输入电压波形。
15.根据权利要求14所述的电压检测和测量电路，其中，多个输入电压包括110伏特信号或220伏特信号。
16.根据权利要求14所述的电压检测和测量电路，其中，调节所述第一和第二齐纳二极管的每个的击穿电压以区分所述多个输入电压。
17.根据权利要求16所述的电压检测和测量电路，其中，所述第一和第二齐纳二极管被配置为基于所述第一和第二齐纳二极管的每个的所述击穿电压来过滤低电压噪声。
18.根据权利要求14所述的电压检测和测量电路，还包括过滤电路，以过滤来自输入 AC电力的噪声。
19.根据权利要求14所述的电压检测和测量电路，其中，所述光耦合器被配置为产生采样输出波形，而所述处理电路被配置为使用所述采样输出波形来估计所述输入电压的大
20.根据权利要求14所述的电压检测和测量电路，其中，所述光耦合器包括双向数字光華禹合器。
全文摘要
提供一种电压检测和测量电路。该电路包括操作耦合至AC电力输入线的第一齐纳二极管和操作耦合至基准电压线的第二齐纳二极管。第一和第二齐纳二极管被配置为传递来自AC电力输入线的输入AC电压的部分以产生输出波形。该电路还包括光耦合器，其耦合至第一和第二齐纳二极管以接收来自第一和第二齐纳二极管的输出波形，以检测输入AC电压；以及处理电路，其被配置为接收来自光耦合器的输出波形，以及基于该输出波形确定输入AC电压的大小。
文档编号G01R19/00GK102262178SQ20111014666
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月25日 优先权日2010年5月25日
发明者拉维·纳纳亚克拉 申请人:洛克威尔自动控制技术股份有限公司