專利名稱：智能自動變換量程rms測量方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及RMS信號測量領(lǐng)域，尤其涉及一種智能自動變換量程RMS測量方法及實現(xiàn)該方法的設(shè)備。
現(xiàn)代數(shù)字萬用表(DMMs)具有測量AC信號的RMS(均方根)值的性能。這種性能分別稱為“真RMS”、“AC RMS”或“AC+DC RMS”。
在DMM中使用各種不同的刻度(即量程)來測量不同幅值的信號。例如，DMM可以有500mv、5v、50v和500v量程。自動變換量程的特點是可以根據(jù)輸入信號決定選擇哪個量程，這點在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的。例如，35v的輸入信號可能會導(dǎo)致從上面給出的示范性的量程列表中選擇50v量程。
重要的是，用來決定正確量程的算法具有某種形式的滯后，以便阻止兩個量程之間的振蕩。當(dāng)決定為測量AC信號而采用自動變換量程時，必須利用信號的RMS值作為指導(dǎo)。如上所述35vRMS值的輸入信號會自動變換量程到50v量程，而與信號的其它特性如峰值幅度無關(guān)。
如果輸入信號的值超過當(dāng)前所選量程的100％時，典型的RMS-only自動變換量程算法會控制DMM改變到下一個更高量程，如果輸入信號的值小于當(dāng)前所選量程的滿刻度的8％時，控制DMM改變到下一個更低量程。假設(shè)兩個相鄰量程之比為10∶1，則這個算法提供2％的滯后區(qū)。
遺憾的是，上述采用自動變換量程算法的DMM可能量程選擇不正確，從而導(dǎo)致顯示不正確的讀數(shù)。當(dāng)所測量的信號與其RMS值相比具有大峰值時，就會產(chǎn)生這個問題。這種類型的信號被認(rèn)為會顯示出很大的波峰因數(shù)。大峰值可能會過驅(qū)動模擬調(diào)節(jié)電路，或使模數(shù)(A-to-D)轉(zhuǎn)換器超過其限度(有時稱為“railing”A-to-D)。例如，顯示出波峰因數(shù)6的35v RMS信號實際上可能會有210v的峰值(即最大信號幅度)。這種狀況大大超出DMM的50v量程的動態(tài)范圍。如上所述，盡管如此，典型自動變換量程算法會使DMM選擇50v量程，而且用戶不知道測量是不正確的。
在電子測試設(shè)備中監(jiān)視將被測量的輸入信號RMS值和峰值以實現(xiàn)自動變換量程功能的設(shè)備和方法。在本發(fā)明主題的系統(tǒng)中，超過當(dāng)前所選擇量程的動態(tài)范圍的峰值信號量度將導(dǎo)致選擇下一個更高量程。超過下一個更低測量量程的動態(tài)范圍的峰值信號測量將阻止選擇下一個更低量程，不然的話，RMS值將選擇那個更低量程。沒有超過當(dāng)前所選擇的測量量程的動態(tài)范圍或下一個更低測量量程的動態(tài)范圍的信號峰值將允許由輸入信號的RMS值確定測量量程選擇的控制。
圖1是有助于理解本發(fā)明的流程圖。
圖2是有助于實現(xiàn)本發(fā)明的萬用表的部分示意圖。
參考圖1，在步驟100處進(jìn)入軟件流程。在步驟105處讀取峰值測量電路。在步驟110處對極限1是否已經(jīng)被超過進(jìn)行確認(rèn)。極限1是表示測量系統(tǒng)當(dāng)前所選擇的量程的動態(tài)范圍的值。在顯示波峰因數(shù)3的系統(tǒng)中，動態(tài)范圍在50v量程上是150v。因此，在這種工作在5v量程上的系統(tǒng)中，極限1等于150v，超過150v的輸入信號的峰值導(dǎo)致控制器退出步驟110沿“是”路徑進(jìn)入步驟115，在步驟115中立即選擇下一個更高范圍。需要注意的是，由于使用的是快速峰值測量，而不是慢速RMS測量，因此DMM向上自動變換量程(也稱作向上變換量程)比現(xiàn)有技術(shù)DMM要快得多。
如果在步驟110中未超過極限1，則控制器沿“否”路徑進(jìn)入步驟120，在步驟120中測量輸入信號的RMS值?？刂破鬟M(jìn)行到步驟125中確認(rèn)極限2是否被超過。極限2等于當(dāng)前量程滿刻度讀數(shù)的100％。因此，在50v量程上，極限2等于50v。如果輸入信號的RMS值超過極限2(50v)，則控制器退出步驟125沿“是”路徑進(jìn)入步驟130，在步驟130中選擇下一個更高量程。
如果在步驟125中未超過極限2，則檢查輸入信號的RMS值是否少于當(dāng)前所選擇的量程滿刻度的8％。在本例中，50v的8％等于4v。如果RMS值大于或等于4v，則控制器退出步驟135沿“否”路徑進(jìn)入步驟140，在步驟140中保持當(dāng)前量程。
如果在步驟125中輸入信號的RMS值小于4v，則控制器退出步驟135沿“是”路徑進(jìn)入步驟145。顯示RMS值小于當(dāng)前量程8％的信號被測量出來并顯示在更低量程上。但是，如果輸入信號具有導(dǎo)致其在更低刻度上給出錯誤讀數(shù)的波峰因數(shù)，則可以認(rèn)為用戶不想選擇下一個更低量程(即“向下變換量程”)。因此，在切換到下一個更低測量量程之前在步驟145上檢查步驟105上所做的峰值測量是否超過量程動態(tài)范圍。本發(fā)明的重要優(yōu)點在于不用自動向下變換量程就可向用戶傳送以下信息盡管顯示的是可靠的低讀數(shù)，但正在檢測更高水平的峰值(可能是很危險的)。在本例中，下一個更低的測量范圍為5v，具有相應(yīng)的15v的動態(tài)范圍(波峰因數(shù)處理能力)。因此，為向下切換，輸入信號必須具有小于4v的RMS值以及不超過15v的峰值。如果在步驟145上確定的峰值超過極限3(15V)，則取YES路徑進(jìn)入步驟150并保持當(dāng)前所選擇的量程。如果沒有超過極限3，則沿NO路徑并在步驟155上選擇下一個更低量程。
圖2以方塊圖的形式顯示了適于實現(xiàn)本發(fā)明的DMM的部分電路圖。DMM包括兩個連接器用于接收連接到待測電路的探測器。有BLACK標(biāo)志特征的連接器通常接地或連接到電路中的返回點，有RED標(biāo)志特征的連接器一般接收以地為基準(zhǔn)所測量到的信號。所測量到的信號通過兩個串聯(lián)的電阻R210和R202與RED端子連接。R201是具有1.5kΩ的熱敏電阻，R202是2.7kΩ電阻。
圖2所示DMM具有500mv,5v,50v,500v,1Kv共五個電壓測量量程。通過選擇開關(guān)SW201、SW202和SW203的閉合來選擇測量量程。開關(guān)集成電路(IC)200包括由響應(yīng)控制微處理器220的控制信號的開關(guān)控制單元控制的多極開關(guān)SW202，對于500mv量程，SW201由控制微處理器220控制將信號連接到被閉合的(導(dǎo)通的)開關(guān)SW202a，同時SW202的所有其它部分均斷開(不導(dǎo)通的)。在這種狀態(tài)下，輸入信號經(jīng)R210,R202，及R203(具有1兆歐姆值)通過SW201和SW202a輸送到放大器205的輸入端。對于所有其它的量程來說，SW201均是斷開的。
對于5v量程，實際上由R204(具有10兆歐值)和R205(具有1兆歐值)組成的分壓器分配信號。附加串聯(lián)電阻R201和R202與分壓電阻器的電阻相比要小得多，因此對輸出電壓幾乎沒有什么影響。R205通過SW202b、SW202c以及閉合的繼電器K1的繼電器觸點203的作用連接到分壓器電路上。繼電器K1響應(yīng)控制微處理器220發(fā)出的控制信號來運(yùn)行，并經(jīng)R209應(yīng)用于激勵晶體管Q1。準(zhǔn)確的繼電器驅(qū)動器結(jié)構(gòu)可以是幾個已知技術(shù)中的一種，這點對本發(fā)明不是特別重要。
對于50v量程，實際上由R204(具有10兆歐值)和R206(具有100kohm值)組成的分壓器分配信號。R206通過SW202b、SW202d以及閉合的繼電器K1的繼電器觸點203的作用連接到分壓器電路上。
對于500v量程，實際上由R204(具有10兆歐值)和R207(具有10kohm值)組成的分壓器分配信號。R207通過SW202b、SW202e以及閉合的繼電器K1的繼電器觸點203的作用連接到分壓器電路上。
對于1Kv量程，實際上由R204(10兆歐值)和R208(具有1kΩ值)組成的分壓器分配信號。R208通過SW202b、SW202f以及閉合的繼電器K1的繼電器觸點203的作用連接到分壓器電路上。
從放大器205中發(fā)出的信號與包括在信號處理集成電路210內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器電路212的一個輸入端相連。A/D轉(zhuǎn)換器電路212的另一個輸入端與BLACK端相連。A/D轉(zhuǎn)換器電路212將從放大器205中接收到的模擬電壓轉(zhuǎn)換成多位數(shù)字信號并將多位數(shù)字信號應(yīng)用于RMS處理器214和峰值檢測器216。RMS處理器214可以為抽取輸入信號的RMS值所設(shè)計的多種電路中的一種。同樣地，峰值檢測器可以是在眾所周知的現(xiàn)有技術(shù)中的多種峰值檢測電路中的一種。
RMS處理器214和峰值檢波器216的輸出端與控制微處理器220相連?？刂莆⑻幚砥?20處理數(shù)據(jù)并將測量到的值在諸如LCD顯示設(shè)備之類的顯示器240上顯示出來。
在運(yùn)行期間，當(dāng)峰值檢測數(shù)據(jù)顯示出信號的波峰因數(shù)是使得正被測量的信號內(nèi)的峰值超過所選量程的動態(tài)范圍時，控制微處理器220控制上述開關(guān)電路選擇下一個更高測量量程。如果RMS數(shù)據(jù)的值大于或等于當(dāng)前所選擇測量量程的滿刻標(biāo)度時，則控制微處理器220控制上述開關(guān)電路選擇下一個更高的測量量程。需要注意的是，由于峰值檢測器216比RMS處理器214運(yùn)行得快從而使自動向上變換量程完成得更快。
在向下變換量程方向，如果峰值檢測器顯示出所測量的信號的峰值不會超出下一個更低測量量程的動態(tài)范圍時，控制微處理器220將通過控制上述開關(guān)設(shè)置來選擇下一個更低量程。
有利的是，根據(jù)峰值所做出的本發(fā)明的自動變換量程的決定不是基于滿刻度RMS值是什么，而是基于測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍。對于具有波峰因數(shù)3的系統(tǒng)來說，在50v量程內(nèi)這會是150v。必須使用滯后來阻止兩個量程之間的振蕩。例如，如果峰值大于系統(tǒng)動態(tài)范圍的8％，基于峰值可以決定不向下變換量程。當(dāng)峰值大于系統(tǒng)動態(tài)范圍的100％時，決定向上變換量程。這會產(chǎn)生2％的滯后區(qū)。即，2％=((100％/10％)-8％)(假定兩個測量量程之比為10∶1)。
必須選擇峰值上自動變換量程滯后區(qū)，使其不干擾基于信號RMS值的正常向下變換量程。例如，如果對于RMS來說向下變換量程閾值是RMS滿刻度的8％，這種具有波峰因數(shù)3的信號就有RMS滿刻度的24％的峰值。如果動態(tài)范圍為RMS滿刻度的300％(規(guī)定波峰因數(shù)至多為3)，那么對于峰值來說不向下變換量程必須選為30％RMS滿刻度的最大值(在更低量程中變?yōu)?00％)，減去一些滯后閾值。看起來將RMS滿刻度的24％選作峰值的“不向下變換量程”閾值是最容易的，因為這產(chǎn)生最大的滯后，在波峰因數(shù)小于規(guī)定值的情況下不影響信號的分辨力。在本例中，當(dāng)向下變換量程被完成時，峰值會達(dá)到RMS滿刻度的的240％,RMS會達(dá)到RMS滿刻度的的80％。在不影響測量分辨力情況下產(chǎn)生最大閾值的公式為最大滯后峰值閾值=RMS向下變換量程閾值×規(guī)定的波峰因數(shù)產(chǎn)生的兩個錯誤為在不向下變換量程決定上的假陽性或假陰性。假陰性意味沒有足夠的滯后，儀器會在兩個相鄰的測量量程間振蕩。假陽性意味當(dāng)儀器本應(yīng)向下變換量程時不向下變換量程，測量將不具有在更低量程內(nèi)所具有的分辨力。
任何超過規(guī)定波峰因數(shù)的附加動態(tài)范圍都產(chǎn)生附加滯后邊界，或用其幫助避免作出假陽性“不向下變換量程”的決定。用來選擇與假陽性“不向下變換量程”決定相反的產(chǎn)生附加邊界且不改善滯后的“不向下變換量程閾值”的公式為假陽性決定邊界=RMS向下變換量程閾值×動態(tài)范圍/滿刻度RMS峰值測量設(shè)備的準(zhǔn)確度必須足夠準(zhǔn)確以使兩個不同量程的峰值測量中的差值(誤差)不超過滯后區(qū)。兩個誤差源是量程的帶寬差和峰值檢測器的測量分辨力。需要滯后區(qū)大于測量誤差以避免振蕩。
實際上，因為在兩個相鄰測量量程之間振蕩比對具有波峰因數(shù)在3左右的信號沒有向下變換量程的情形更為惡劣，所以使用的是最大可能滯后和假陽性決定邊界之間的一半距離。
雖然在本說明書中使用了術(shù)語控制微處理器，但也可以使用控制器的其它形式，例如微型計算機(jī)、專用邏輯電路、ASIC(專用集成電路)。因此可以認(rèn)為術(shù)語控制器包括所有上述形式。
雖然本發(fā)明描述的是數(shù)字萬用表，但在這里我們認(rèn)為本發(fā)明對其它類型的檢測和測量工具也是適用的，這樣的修改也落在在后面的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1．一種數(shù)字萬用表，包括響應(yīng)所測量到的輸入信號的特征來自動選擇測量量程的自動變換量程電路；控制所述自動變換量程電路以選擇量程的控制器；與所述控制器相連用于向所述控制器提供表示所述輸入信號RMS值的信號的RMS處理器；及用于向所述控制器提供峰值信號的峰值檢測器電路；如果所述峰值信號超出預(yù)定閾值，所述控制器使所述自動變換量程電路選擇下一個更高測量量程。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字萬用表，還包括用于選擇測量量程的多個可控開關(guān)，所述多個可控開關(guān)在控制器的控制下運(yùn)行。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字萬用表，其中所述RMS處理器在輸出端產(chǎn)生多位數(shù)字信號。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字萬用表，其中所述峰值信號處理器在輸出端產(chǎn)生多位數(shù)字信號。
5．一種數(shù)字萬用表，包括響應(yīng)所測量到的輸入信號的特征來自動選擇測量量程的自動變換量程電路；控制所述自動變換量程電路以選擇量程的控制器；與所述控制器相連用于向所述控制器提供表示所述輸入信號RMS值的信號的RMS處理器；及用于向所述控制器提供峰值信號的峰值檢測器電路；如果所述峰值信號超過與所述下一個更低測量量程相關(guān)的預(yù)定閾值，所述控制器阻止所述自動變換量程電路選擇下一個更低測量量程。
6．根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字萬用表，還包括用來選擇測量量程的多個可控開關(guān)，所述多個可控開關(guān)在控制器的控制下運(yùn)行。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字萬用表，其中所述RMS處理器在輸出端產(chǎn)生多位數(shù)字信號。
8．根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字萬用表，其中所述峰值信號處理器在輸出端產(chǎn)生多位數(shù)字信號。
9．電子測量設(shè)備，包括響應(yīng)所測量到的輸入信號的特征來自動選擇測量量程的自動變換量程電路；控制所述自動變換量程電路以選擇量程的控制器；與所述控制器相連用于向所述控制器提供表示所述輸入信號RMS值的信號的RMS處理器；及用于向所述控制器提供峰值信號的峰值檢測器電路；如果所述峰值信號超出預(yù)定極限，所述控制器使所述自動變換量程電路選擇下一個更高測量量程；及當(dāng)所述RMS值小于預(yù)定RMS極限且所述峰值信號未超過與所述下一個更低測量量程有關(guān)的預(yù)定峰值時，所述控制器使所述自動變換量程電路選擇下一個更低測量量程。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量設(shè)備，還包括用來選擇測量范圍的多個可控開關(guān)，所述多個可控開關(guān)在控制器的控制下運(yùn)行。
11．根據(jù)權(quán)利要求10所述的測量設(shè)備，其中所述峰值信號的預(yù)定極限與每一個測量量程的動態(tài)范圍有關(guān)。
12．根據(jù)權(quán)利要求9所述的數(shù)字萬用表，其中所述RMS處理器在輸出端產(chǎn)生多位數(shù)字信號。
13．根據(jù)權(quán)利要求9所述的數(shù)字萬用表，其中所述峰值信號處理器在輸出端產(chǎn)生多位數(shù)字信號。
14．一種控制自動變換量程功能的方法，包括的步驟有響應(yīng)所測量到的輸入信號特征選擇測量量程；提供用于表示所述輸入信號RMS值的信號的RMS處理器；及提供用于表示所述輸入信號峰值幅度的峰值信號的峰值檢測器電路；如果所述峰值信號超過預(yù)定極限，使所述自動變換量程電路選擇下一個更高測量量程；及當(dāng)所述RMS值小于預(yù)定RMS極限且所述峰值信號未超過與所述下一個更低測量量程有關(guān)的預(yù)定峰值時，使所述自動變換量程電路選擇下一個更低測量量程。
15．一種控制自動變換量程功能的方法，包括的步驟有響應(yīng)所測量到的輸入信號特征選擇測量量程；提供用于表示所述輸入信號RMS值的信號的RMS處理器；提供用于表示所述輸入信號峰值幅度的峰值信號的峰值檢測器電路；及如果所述峰值信號超過預(yù)定極限，使所述自動變換量程電路選擇下一個更高測量量程。
16．一種控制自動變換量程功能的方法，包括的步驟有響應(yīng)所測量到的輸入信號特征選擇測量量程；提供用于表示所述輸入信號RMS值的信號的RMS處理器；提供用于表示所述輸入信號的峰值幅度的峰值信號的峰值檢測器電路；及當(dāng)所述RMS值小于預(yù)定RMS極限且所述峰值信號未超過與所述下一個更低測量范圍有關(guān)的預(yù)定峰值時，使所述自動變換量程電路選擇下一個更低測量量程。
全文摘要
在電子測試設(shè)備中監(jiān)視將被測量的輸入信號RMS值和峰值以實現(xiàn)自動變換量程功能的設(shè)備和方法。在本發(fā)明主題的系統(tǒng)中,超過當(dāng)前所選擇量程的動態(tài)范圍的峰值信號量度將導(dǎo)致選擇下一個更高量程。超過下一個更低測量量程的動態(tài)范圍的峰值信號測量將阻止選擇下一個更低量程,不然的話,RMS值將選擇那個更低量程。沒有超過當(dāng)前所選擇的測量量程的動態(tài)范圍或下一個更低測量量程的動態(tài)范圍的信號峰值將允許由輸入信號的RMS值確定測量量程選擇的控制。
文檔編號G01R15/09GK1236105SQ9910635
公開日1999年11月24日 申請日期1999年5月7日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月8日
發(fā)明者P·I·紹博 申請人:特克特朗尼克公司