專利名稱：測(cè)量?jī)x表的前端結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子測(cè)量?jī)x表，尤其是利用數(shù)字濾波器從數(shù)字采樣中提取測(cè)量參數(shù)的用于電子測(cè)量?jī)x表的前端結(jié)構(gòu)。
數(shù)字萬(wàn)用表是一種可測(cè)量各種物理參數(shù)，例如交流電壓和電流，直流電壓和電流及電阻的電子測(cè)量?jī)x。新型數(shù)字萬(wàn)用表的設(shè)計(jì)增添了測(cè)量包括二極管檢測(cè)、電容、溫度和頻率計(jì)數(shù)/計(jì)時(shí)測(cè)量在內(nèi)的附加測(cè)量能力。其它更多的專用參數(shù)所測(cè)量也可在特殊應(yīng)用里增加，如對(duì)加熱、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)等設(shè)備使用中的微安范圍內(nèi)的直流電流的測(cè)量。
測(cè)量各種各樣的測(cè)量參數(shù)需使用相對(duì)復(fù)雜的信號(hào)調(diào)整電路，接收儀器輸入終端產(chǎn)生的信號(hào)，并產(chǎn)生適于轉(zhuǎn)換成數(shù)字采樣的輸入信號(hào)。信號(hào)調(diào)節(jié)電路包括由模擬放大器和衰減器組成的量程電路，換算輸入信號(hào)至有效振幅，給到模—數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，信號(hào)調(diào)整電路還包括電壓保護(hù)電路，如機(jī)械繼電器，金屬氧化物壓敏電阻器(MOVs)、和正溫系數(shù)電阻器，防止當(dāng)探測(cè)過(guò)載電壓時(shí)毀壞數(shù)字萬(wàn)用表。物理參數(shù)如交、直流電流，溫度和電壓都要被轉(zhuǎn)化為可被?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣的適當(dāng)振幅的輸入電壓。
輸入信號(hào)在數(shù)字萬(wàn)用表的信號(hào)調(diào)整電路里被分解為兩路，交流或高頻電路和直流或低頻電路。輸入信號(hào)的直流電路是通過(guò)低通濾波輸入信號(hào)理想地獲得直流電壓而形成的。實(shí)際低通濾波器的截止頻率一般小于10赫茲、允許一些交流信號(hào)含量存在。由低頻濾波器產(chǎn)生的直流電壓輸給模一數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生數(shù)字采樣。低頻電路需要對(duì)增益和失調(diào)電壓標(biāo)定。依據(jù)增益與頻率的對(duì)比來(lái)標(biāo)定高頻通路，以此消除低頻滾降。
大多數(shù)數(shù)字萬(wàn)用表的?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器有一個(gè)每秒小于100次采樣的最大采樣率，但有31/2到41/2數(shù)字的分辯力。為了能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量交流信號(hào)，如50/60赫茲頻率范圍內(nèi)的電源線信號(hào)，在交流電路里提供一個(gè)均方根給直流轉(zhuǎn)換器，產(chǎn)生一個(gè)代表交流信號(hào)的直流電壓。均方根轉(zhuǎn)換器通常以一單片集成電路的形式在數(shù)字萬(wàn)用表內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
數(shù)字存儲(chǔ)示波器是另一種允許數(shù)字地采集用于隨后進(jìn)行信號(hào)參數(shù)計(jì)算的輸入信號(hào)的電子測(cè)量?jī)x表。數(shù)字存儲(chǔ)示波器提供了開(kāi)關(guān)式的輸入信號(hào)交流電路和直流電路。?！獢?shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)已發(fā)展到采樣率高于每秒100兆次采樣，其允許輸入信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字采樣，并作為時(shí)域記錄存儲(chǔ)在采集存儲(chǔ)器里。從這一時(shí)域記錄，波形和各種信號(hào)參數(shù)被計(jì)算出來(lái)。但是數(shù)字存儲(chǔ)示波器里的信號(hào)調(diào)節(jié)器前端最適合信號(hào)電壓的采集。傳統(tǒng)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器沒(méi)有加入測(cè)量低頻物理參數(shù)如電阻或電流等其它參數(shù)的測(cè)量能力?；旌蠝y(cè)量?jī)x將測(cè)量各種物理參數(shù)的數(shù)字萬(wàn)用表技術(shù)和分析波形的數(shù)字存儲(chǔ)示波器技術(shù)結(jié)合在一起。
見(jiàn)

圖1該圖(大小沒(méi)按比例)給出了一個(gè)具有一對(duì)探針12a和12b并用于測(cè)量包括交流電壓和電流，直流電壓和電流，電阻，電容在內(nèi)的各種物理參數(shù)的測(cè)量?jī)x表10。測(cè)量?jī)x表10也可利用電流和電壓源(圖中未畫(huà))通過(guò)給被測(cè)元件施加一個(gè)激勵(lì)信號(hào)的方法測(cè)試無(wú)源二端元件，如二極管。最好是測(cè)量?jī)x10有各種功能可測(cè)量各種物理參數(shù)。
在測(cè)量?jī)x表10的前面數(shù)上安裝有可以顯示數(shù)字測(cè)量參數(shù)的圖形顯示器14。如以數(shù)字萬(wàn)用表的顯示形式顯示“117 VAC rms”及以數(shù)字存儲(chǔ)示波器的顯示形式顯示輸入信號(hào)波形圖。測(cè)量?jī)x10可以與電壓源16和圖2所示的電流源18，或圖3所示的一個(gè)元件并聯(lián)。元件20包括電阻、電容、電感器、二極管或其它能被測(cè)量?jī)x表10測(cè)量及分析的二端部件在內(nèi)的任何各種無(wú)源、兩端元件。
見(jiàn)圖4顯示了一種根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)用在Fluke 8601圖形多用測(cè)量?jī)x上的測(cè)量前端98的簡(jiǎn)易方框圖。一對(duì)探針12a與12b跨接在電源16上，為信號(hào)調(diào)節(jié)器50并聯(lián)一個(gè)電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)整器50包括放大器，除法器和濾波器，信號(hào)調(diào)節(jié)器50可提供一種適于轉(zhuǎn)換成數(shù)字采樣的適當(dāng)振幅和帶寬的輸入信號(hào)，信號(hào)調(diào)節(jié)器50還包括各種形式的電壓保護(hù)電路(圖中未畫(huà))，防止測(cè)量?jī)x表10在過(guò)載電壓和過(guò)載電流的情況下毀壞。信號(hào)調(diào)節(jié)器50還包括用于將各種物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成輸入信號(hào)的各種電路。例如來(lái)自電流源18的交流和直流電流可通過(guò)一被校準(zhǔn)的電流分流器或電流鉗位器產(chǎn)生的電壓降來(lái)測(cè)量。通過(guò)測(cè)量由信號(hào)調(diào)節(jié)器50內(nèi)的電流源或電壓源(圖中未畫(huà))在元件20兩端產(chǎn)生的電壓降來(lái)測(cè)量電阻。為滿足大量的并能轉(zhuǎn)換為輸入信號(hào)的參數(shù)及提供過(guò)載電壓和過(guò)載電流保護(hù)的需要，將所有這樣的眾多需要的電路安裝在信號(hào)調(diào)節(jié)器50內(nèi)，其結(jié)果將增加電路的復(fù)雜性和成本。
由信號(hào)調(diào)節(jié)器50產(chǎn)生的輸入信號(hào)與一能產(chǎn)生直流信號(hào)并且該直流信號(hào)與開(kāi)關(guān)55的直流檔并聯(lián)的低通濾波器的輸入端并聯(lián)。低通濾波器52有一個(gè)滾動(dòng)頻率一般接近0赫茲，它保留輸入信號(hào)的直流成分，同時(shí)抑制交流成份。直流信號(hào)通過(guò)開(kāi)關(guān)55的直流檔傳給慢速模—數(shù)轉(zhuǎn)換器，慢速模—數(shù)轉(zhuǎn)換器54以小于100赫茲的采樣速率，31/2到41/2的分辨力，對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行數(shù)字采樣。低通濾波器通常用于直流性質(zhì)的輸入信號(hào)，以便對(duì)如直流電壓、電流和電阻進(jìn)行精確測(cè)量。
均方根轉(zhuǎn)換器56也接收輸入信號(hào)，并且與開(kāi)關(guān)55的交流均方根檔并聯(lián)。均方根轉(zhuǎn)換器56用于交流特性的輸入信號(hào)，以產(chǎn)生代表當(dāng)開(kāi)關(guān)55在交流均方根檔時(shí)，提供給?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器54的輸入信號(hào)均方值的直流電壓。均方根轉(zhuǎn)換器56，低通濾波器52和慢速?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器54與信號(hào)調(diào)節(jié)器50相結(jié)合，組成了通常用在數(shù)字萬(wàn)用表前的前端結(jié)構(gòu)，并且以D MM FRONT END標(biāo)記。
測(cè)量?jī)x器10通過(guò)增加具有波形前端(WAVEFORM FRONT END)的電路系統(tǒng)而具有附加波形測(cè)量能力。信號(hào)調(diào)節(jié)器51接收該輸入信號(hào)并產(chǎn)生為了轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣的第二個(gè)輸入信號(hào)?？焖倌！獢?shù)轉(zhuǎn)換器58接收來(lái)自信號(hào)調(diào)節(jié)器51的輸入信號(hào)，并以明顯高于慢速?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率產(chǎn)生數(shù)字采樣，但分辨力較低。采集存儲(chǔ)器60接收此數(shù)字采樣并將它們存儲(chǔ)起來(lái)用于形成輸入信號(hào)波形的數(shù)字時(shí)域記錄。一個(gè)起動(dòng)器62以用在數(shù)字存儲(chǔ)示波器技術(shù)的眾所周知的方法提供一個(gè)起動(dòng)信號(hào)用于決定在數(shù)字時(shí)域記錄里的波形的起動(dòng)點(diǎn)。一個(gè)最大最小峰值器64的作用同一個(gè)數(shù)字比較器。最大最小峰值器64儲(chǔ)存存在采集存儲(chǔ)器60內(nèi)的最大最小值，并以數(shù)字采樣的形式給出最大最小值。
由快速?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器58、采集存儲(chǔ)器60和與信號(hào)調(diào)節(jié)器51相連接的起動(dòng)器62組成的波形前端是用在數(shù)字存儲(chǔ)示波器里的典型的前端結(jié)構(gòu)，輸入信號(hào)的采集要超過(guò)一個(gè)采樣時(shí)間，以便存貯在采集存儲(chǔ)器60中。數(shù)字接口66接收來(lái)自慢速?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器54、最大最小峰值器64和采集存儲(chǔ)器60的數(shù)字采樣，為測(cè)量?jī)x所使用作為數(shù)字測(cè)量值。
信號(hào)調(diào)節(jié)器51類似于信號(hào)調(diào)節(jié)器50提供電壓保護(hù)和標(biāo)定，但它更適合于波形采集。信號(hào)調(diào)節(jié)器51允許測(cè)量?jī)x10與電壓源16相連，但不能直接與電流源18或元件20相連。此外為信號(hào)調(diào)節(jié)器51設(shè)計(jì)的區(qū)別于信號(hào)調(diào)節(jié)器50的地方是具有比信號(hào)調(diào)節(jié)器50的頻率范圍更廣的頻率范圍之上的頻率響應(yīng)的均勻性，這一點(diǎn)變得更為重要。
見(jiàn)圖5描述了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)例如用在Fluke93，95和97視測(cè)濁度計(jì)測(cè)量?jī)x上的測(cè)量前端99的簡(jiǎn)單方框圖。探針12a和12b跨接在電源16上，為信號(hào)調(diào)節(jié)器72并聯(lián)—電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)整器72包括放大器，除法器和濾波器，以便提供一種能轉(zhuǎn)換成數(shù)字采樣的適當(dāng)振幅和帶寬的輸入信號(hào)。信號(hào)調(diào)整器72進(jìn)一步還包括各種形式的電壓保護(hù)電路系統(tǒng)(圖中未顯示)，以便防止測(cè)量?jī)x器10在過(guò)載電壓和過(guò)載電流的情況下毀壞。像圖4所示的信號(hào)調(diào)節(jié)器51一樣，信號(hào)調(diào)節(jié)器70最適合波形采集。
第二對(duì)探針12a’和12b’跨接在元件20上，以便用于測(cè)量電阻或其它元件參數(shù)。這對(duì)探針12a’和12b’與最適合低頻測(cè)量的信號(hào)調(diào)節(jié)器70并聯(lián)，在這一優(yōu)選實(shí)例里，沒(méi)有用于測(cè)量電流源18的裝置。外部電流分流器或鉗位器被用來(lái)產(chǎn)生一電壓信號(hào)給信號(hào)調(diào)節(jié)器70或72的任一個(gè)。開(kāi)關(guān)74有一個(gè)與信號(hào)調(diào)節(jié)器70耦合的二極管歐姆檔和一個(gè)與信號(hào)調(diào)節(jié)器72耦合的電壓檔；其可以選擇性地與輸入給?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器76的輸入信號(hào)耦合，模—數(shù)轉(zhuǎn)換器76將輸入信號(hào)數(shù)字化并產(chǎn)生存儲(chǔ)在采集存儲(chǔ)器78內(nèi)的數(shù)字采樣。一個(gè)接收輸入信號(hào)并產(chǎn)生起動(dòng)信號(hào)的啟動(dòng)器80，對(duì)特殊數(shù)據(jù)采集的時(shí)間進(jìn)行控制。通過(guò)分析采集存儲(chǔ)器78里的存儲(chǔ)內(nèi)容可以產(chǎn)生大量的提供給數(shù)字接口82的參數(shù)，數(shù)字接口82又為測(cè)量?jī)x10提供數(shù)字測(cè)量值。雖然測(cè)量前端99僅需要一個(gè)?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器76，分開(kāi)的經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)器70和72的信號(hào)路徑和開(kāi)關(guān)74仍保持不動(dòng)。僅從被數(shù)字化的輸入信號(hào)部分中提取信號(hào)參數(shù)，信號(hào)參數(shù)沒(méi)有被連續(xù)提取，這只是總時(shí)間的一小部分。
連續(xù)地使用獨(dú)立的數(shù)字萬(wàn)用表和波形信號(hào)電路，用獨(dú)立的適于波形采集的信號(hào)調(diào)節(jié)器和低頻數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量，導(dǎo)至實(shí)質(zhì)上元件重復(fù)，增加制造成本和測(cè)量?jī)x10的復(fù)雜性。這種儀器適應(yīng)測(cè)量新型信號(hào)參數(shù)的能力將因這種分叉結(jié)構(gòu)而被嚴(yán)格地限制。因此需要一種僅有一條輸入信號(hào)通路，允許連續(xù)提取各種信號(hào)參數(shù)的用于測(cè)量?jī)x表前的前端結(jié)構(gòu)。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種用于測(cè)量?jī)x的前端結(jié)構(gòu)，該前端結(jié)構(gòu)僅有一條輸入信號(hào)通道，輸入信號(hào)由?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。數(shù)字采樣輸給一個(gè)用于提取大量被選參數(shù)的數(shù)字濾波器，這些參數(shù)的測(cè)量值輸給測(cè)量?jī)x作為數(shù)字測(cè)量值。
一個(gè)信號(hào)調(diào)整器可通過(guò)一對(duì)探針與電壓源、電流源，或元件并聯(lián)產(chǎn)生一輸入信號(hào)。這個(gè)輸入信號(hào)被傳送給一個(gè)采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)有一個(gè)連接有十分之一濾波器的西格瑪—枷瑪轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生數(shù)字采樣。當(dāng)然該采樣系統(tǒng)也為由用一個(gè)?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器來(lái)進(jìn)行數(shù)字采樣。
該數(shù)字采樣被傳送給一套數(shù)字提取濾波器，每一個(gè)數(shù)字提取濾波器有一個(gè)適于從數(shù)字采樣流中提取一個(gè)物理參數(shù)的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換功能。參數(shù)提取是在連續(xù)的基礎(chǔ)上完成的，從而數(shù)字采樣和最終數(shù)字測(cè)量值也以連續(xù)流的方式提供。因?yàn)槊恳粋€(gè)數(shù)字提取濾波器接收相同的數(shù)字采樣并與其它數(shù)字提取器并行工作，所以大量的測(cè)量參數(shù)可在相同時(shí)間從相同的數(shù)字采樣內(nèi)被提出。
這套數(shù)字提取器允許從輸入信號(hào)的直流值的數(shù)字采樣，輸入信號(hào)均方根值的數(shù)字采樣，輸入信號(hào)的波形參數(shù)的數(shù)字采樣和輸入信號(hào)最大最小峰值的數(shù)字采樣中提取。直流值、均方根值、波形參數(shù)和最大最小峰值都是許多測(cè)量參數(shù)之中的，可以同時(shí)從連續(xù)的數(shù)字采樣流中提出并作為數(shù)字測(cè)量值經(jīng)一個(gè)數(shù)字接口提供給測(cè)量?jī)x。
本發(fā)明的目的之一是提供一種用于測(cè)量?jī)x的前端結(jié)構(gòu)，該測(cè)量?jī)x使用一條輸入信號(hào)通道。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于大量參數(shù)同時(shí)提取的前端結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的輔助目的是提供一種具有一套提取濾波器的前端結(jié)構(gòu)，該套提取濾波器可從一連續(xù)的輸入信號(hào)的數(shù)字采樣流中同時(shí)提取參數(shù)。
本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種利用一種簡(jiǎn)化的前端結(jié)構(gòu)而具有測(cè)量多種參數(shù)能力的測(cè)量?jī)x。
對(duì)那些精通技術(shù)的人，通過(guò)結(jié)合附圖來(lái)閱讀下面的描述，本發(fā)明的測(cè)量前端結(jié)構(gòu)其它的特征和優(yōu)點(diǎn)就顯而易見(jiàn)了。
附圖簡(jiǎn)述圖1描述了一種當(dāng)與一電壓源并聯(lián)后能測(cè)量各種物理參數(shù)的測(cè)量?jī)x。
圖2描述了一個(gè)可與如圖1所示測(cè)量?jī)x并聯(lián)的電流源。
圖3描述了一個(gè)可與如圖1所述測(cè)量?jī)x并聯(lián)的元件。
圖4描述了一種用于現(xiàn)有測(cè)量?jī)x的測(cè)量前端的簡(jiǎn)易方框圖。
圖5描述了用于現(xiàn)有測(cè)量?jī)x的第二種測(cè)量前端的簡(jiǎn)易方框圖。
圖6描述了本發(fā)明最佳實(shí)例的用于測(cè)量?jī)x的測(cè)量前端的簡(jiǎn)化方框圖。
圖7描述了本發(fā)明最佳實(shí)例中的一個(gè)數(shù)字提取濾波器的簡(jiǎn)化方框圖，該提取濾波器在預(yù)先成形的范圍內(nèi)從連續(xù)的數(shù)字采樣流中提取均方根值。
圖8描述了本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的用于測(cè)量?jī)x的測(cè)量前端的簡(jiǎn)化方框圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述圖6是本發(fā)明用在測(cè)量?jī)x10(見(jiàn)圖1)上的一種測(cè)量前端100的簡(jiǎn)化方框圖。一個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)器102接收跨接在一對(duì)探針12a和12b上的電壓源16產(chǎn)生的電壓信號(hào)。用于測(cè)量直流或交流電壓。該信號(hào)調(diào)節(jié)器102也可與電流源18并聯(lián)(圖2所示)，用于測(cè)量直流或交流電流。信號(hào)調(diào)節(jié)器102還可以進(jìn)一步與元件20(圖3所示)并聯(lián)，用于測(cè)量電阻、電容或其它物理參數(shù)。信號(hào)電壓可通過(guò)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換電路產(chǎn)生，該轉(zhuǎn)換電路包括用于測(cè)量交流或直流電流的已校準(zhǔn)的電流分流器。信號(hào)調(diào)節(jié)器102一般地通過(guò)微處理器控制而形成所期望的測(cè)量功能(圖中沒(méi)畫(huà)出)。
信號(hào)調(diào)節(jié)器102產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)振幅和輸入帶寬的輸入信號(hào)，通過(guò)采樣系統(tǒng)104轉(zhuǎn)換成數(shù)字采樣。在本發(fā)明最佳實(shí)施城，采樣系統(tǒng)104包括一信號(hào)德?tīng)査?6)轉(zhuǎn)換器106，其以高于輸入帶寬的采樣速率產(chǎn)生原始數(shù)字采樣，一種通常熟知的作為過(guò)量采樣的過(guò)程。原始數(shù)字采樣輸給十分之一濾波器108，該濾波器以選定的采樣速率和增加了許多分辨率對(duì)原始數(shù)字采樣進(jìn)行低通濾波，產(chǎn)生數(shù)字采樣。
在本發(fā)明最佳實(shí)例里，輸入帶寬擇定為500千赫，輸入信號(hào)被以每秒10兆次采樣，一個(gè)20比1的速率產(chǎn)生具有5比特分辨力的原始數(shù)字采樣。該十分之一濾波器108抽取十分之四的原始采樣，以每秒2.5兆次采樣速率產(chǎn)生數(shù)字采樣，并具有13比特的分辨力。十分之一濾波器108能形成一種有限沖擊響應(yīng)(FIR)、無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)或有限沖擊響應(yīng)和無(wú)限沖擊響應(yīng)之結(jié)合(FIR和IIR)為的是產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)換功能。
為簡(jiǎn)化硬件需要和減少能量消耗，本發(fā)明實(shí)例中采用兩級(jí)十分之一抽樣，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的一點(diǎn)是輸入信號(hào)中存在的超過(guò)4.5兆赫茲、將混浠回到基帶頻率里的頻率成份被大量抑制在十分之一濾波器108內(nèi)。為獲得所需的測(cè)量準(zhǔn)確性，選擇了一個(gè)抑制高于60分貝4.5兆赫頻率的阻帶。能達(dá)到十分之一濾波器108所需轉(zhuǎn)換功能的濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可用這一領(lǐng)域的公知技術(shù)完成。
來(lái)自十分之一濾波器108的數(shù)字采樣被給—套數(shù)字提取濾波器110-116。每一套提取濾波器110-116可在相同時(shí)間內(nèi)接收該數(shù)字采樣流，以便提取被選出的測(cè)量參數(shù)。這套數(shù)字提取濾波器110-116最好以單片集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，以減少元件數(shù)和能量消耗。
以D、C標(biāo)記的數(shù)字提取濾波器110是直流提取濾波器，其內(nèi)設(shè)計(jì)有一個(gè)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能提取從信號(hào)調(diào)節(jié)器102接收并被采樣系統(tǒng)104數(shù)字化的輸入信號(hào)的直流值。數(shù)字提取濾波器110具有一種低通濾波器的轉(zhuǎn)換功能，其優(yōu)選實(shí)施例的提取濾波器參數(shù)如下到最后值的0.001％的建立時(shí)間 0.5秒超過(guò)123分貝抑制的阻帶49.9赫茲通帶波動(dòng) 0％階躍響應(yīng)過(guò)沖 0％數(shù)據(jù)采集率0.125，0.5，2和1000赫茲。
濾波器參數(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生，該設(shè)計(jì)要求為當(dāng)測(cè)量?jī)x10每秒讀2次的數(shù)據(jù)采集率時(shí)有一個(gè)5位數(shù)的直流測(cè)量精度，阻帶抑制50/60赫茲的電源線頗率波動(dòng)。能達(dá)到提取濾波器110提取直流值所需的轉(zhuǎn)換功能的提取濾波器的結(jié)構(gòu)和濾波器常數(shù)可用該領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)來(lái)完成。提取濾波器的參數(shù)和相關(guān)的轉(zhuǎn)換功能可以很容易地修改以適應(yīng)特殊測(cè)量需要的測(cè)量精度和數(shù)據(jù)采集率。
以RMS標(biāo)記的數(shù)據(jù)提取濾波器112是均方根提取濾波器，其有一個(gè)被設(shè)計(jì)為可從由信號(hào)調(diào)整器102接收的被采樣系統(tǒng)104數(shù)字化的輸入信號(hào)中提取輸入信號(hào)均方根值的結(jié)構(gòu)。輸入信號(hào)的均方根值可以以各種方法提取。在本實(shí)例中，均方根是在連續(xù)的基礎(chǔ)上算出來(lái)的，更詳細(xì)的解釋即以一種不依靠已知信號(hào)周期或預(yù)定測(cè)量周期的方式計(jì)算?；蛘咄ㄟ^(guò)對(duì)預(yù)定測(cè)量周期波形下的面積的積分來(lái)計(jì)算均方根值。
圖7描述了本發(fā)明所述具體實(shí)例的一種為了從連續(xù)的數(shù)字采樣流中提取均方根的數(shù)字提取濾波器112的簡(jiǎn)單方框圖。來(lái)自如圖6所示的采樣系統(tǒng)104的數(shù)字采樣到達(dá)數(shù)字提取濾波器112。每個(gè)數(shù)字采樣在平方電路200內(nèi)被平方進(jìn)而產(chǎn)生平方后的數(shù)字采樣。平方電路200包括一硬件乘法電路，其與數(shù)字提取器202在同一集成電路里。另外，乘法也可通過(guò)外部的微處理器完成獲得平方后的數(shù)據(jù)采樣。每一個(gè)平方后的數(shù)字采樣傳輸給一個(gè)均方根數(shù)字濾波器202，其有允許均方根濾波器202以低通濾波器的方式工作的選定濾波器系統(tǒng)。濾波器系數(shù)和數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)可根據(jù)已知的有限沖擊響應(yīng)(FIR)和無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)技術(shù)或有限沖擊響應(yīng)(FIR)和無(wú)限沖擊響應(yīng)(IIR)技術(shù)的結(jié)合來(lái)設(shè)計(jì)，以便提供一個(gè)具有所需特性的低通濾波器。在這個(gè)最佳實(shí)例中，均方根濾波器202有下例特性測(cè)量帶寬 500千赫超過(guò)123分貝的抑制阻帶 49.9赫茲到最后值的0.001％的建立時(shí)間0.5秒階躍響應(yīng)過(guò)沖 0.0％數(shù)據(jù)采集率 0.125,0.5,2和1000赫茲在數(shù)字均方根濾波器202里，設(shè)計(jì)要求在來(lái)自電源線頻率的50/60赫茲的高阻帶波動(dòng)的階躍響應(yīng)中沒(méi)有過(guò)沖。數(shù)字均方根電路204通過(guò)對(duì)濾波后的均方根值進(jìn)行平方根運(yùn)算從而產(chǎn)生均方根值。平方根電路204包括硬件平方根電路，其與數(shù)字提取濾波器202在同一集成電路里形成。另外，平方根運(yùn)算也可由外部微機(jī)處理器完成而獲得均方根值。
濾波器參數(shù)由設(shè)計(jì)需要決定，該設(shè)計(jì)需要測(cè)量?jī)x10在每秒2次的數(shù)據(jù)采集率時(shí)有一個(gè)5位數(shù)的交流均方根測(cè)量精度。阻帶需能抑制50/60赫茲電源線頻率波動(dòng)。提取濾波器的參數(shù)和相關(guān)的轉(zhuǎn)換功能可以修改以適合用于其它特殊測(cè)量要求的數(shù)據(jù)采樣率和測(cè)量精度。用于達(dá)到能提取交流均方根值的數(shù)字提取濾波器112所需的轉(zhuǎn)換功能的提取濾波器的結(jié)構(gòu)和濾波器參數(shù)，可用該領(lǐng)域現(xiàn)有技術(shù)來(lái)完成。
返回見(jiàn)圖6，標(biāo)記為WAVEFORM的數(shù)字提取濾波器114是一種波形提取濾波器，其有一個(gè)被設(shè)計(jì)為可從信號(hào)調(diào)節(jié)器102接收的并被采樣系統(tǒng)104數(shù)字化的輸入信號(hào)中提取輸入信號(hào)波形的結(jié)構(gòu)。數(shù)字提取濾波器114有一個(gè)適合波形采集的轉(zhuǎn)換功能。例如數(shù)字提取濾波器具有適合俘獲假信號(hào)的結(jié)構(gòu)，這些假信號(hào)中延續(xù)時(shí)間極短的脈沖和高振幅的脈沖可以存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中。特殊的波形例如汽車應(yīng)用里的具有常用公知的形狀和時(shí)間參數(shù)的點(diǎn)火脈沖，可以利用數(shù)字提取濾波器104獲取并最適合顯示。
數(shù)字提取濾波器114包括公知的高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器組成的結(jié)構(gòu)，用于濾去不想要的頻率而讓所需頻率通過(guò)。例如高頻噪音可用一低通濾波器抑制。一個(gè)所需的已知頻率的信號(hào)可被一帶阻濾波器選擇通過(guò)。數(shù)字提取濾波器114由于具有采用性和可變化的結(jié)構(gòu)使其具有允許測(cè)量?jī)x10測(cè)量各種信號(hào)參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。
以PEAK MIN/MAX標(biāo)記的數(shù)字提取濾波器是一種最大最小峰值提取濾波器，其有一個(gè)結(jié)構(gòu)，專為提取輸入信號(hào)的最大和最小值，正如來(lái)自采樣系統(tǒng)的數(shù)字測(cè)量值。這個(gè)結(jié)構(gòu)僅需由用于獲取數(shù)字采樣中的最大最小值的數(shù)字比較器和寄存器組成并具有被外部信號(hào)(圖中未顯示)重置的功能。這樣一種結(jié)構(gòu)，盡管容易實(shí)現(xiàn)，但卻提供了可提取信號(hào)參數(shù)的能力，特別是如果和其它結(jié)構(gòu)相結(jié)合可進(jìn)一步提高其提取過(guò)程的可靠性。如果需要從數(shù)字采樣中提取交流正弦波形式的輸入信號(hào)的峰—峰值，則需使用一種結(jié)構(gòu)，其包括一用在數(shù)字比較器前的集中在50/60赫茲左右的帶通濾波器和一個(gè)寄存器以進(jìn)一步抑制與電源線信號(hào)無(wú)關(guān)的外來(lái)噪音，從而提高峰—峰值測(cè)量質(zhì)量。
數(shù)字提取濾波器110-116所提供的直流值、交流均方根值，波形參數(shù)值和最大最小峰值分別傳給數(shù)字接口118，數(shù)字接口118選擇地將這些值中每一個(gè)值提供給測(cè)量?jī)x10的其余部分以作為數(shù)字測(cè)量值。數(shù)字接口118可組織這些測(cè)量參數(shù)并在需要時(shí)提供給測(cè)量?jī)x10，通常根據(jù)用于顯示或顯示更新率的被選出的參數(shù)。數(shù)字接口118可用緩沖器，存儲(chǔ)器和其它商業(yè)上廣泛提供的用于存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的數(shù)字設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。
測(cè)量前端100根據(jù)測(cè)量?jī)x10所需的測(cè)量功能提供數(shù)字測(cè)量值。因?yàn)橹挥幸粭l輸入信號(hào)通道在轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣之前交、直流路徑?jīng)]有區(qū)別，所以對(duì)信號(hào)調(diào)節(jié)器102的要求被大大地簡(jiǎn)化。由于一套數(shù)字提取濾波器110-116可同時(shí)從相同輸入信號(hào)中提取許多所需參數(shù)。所以增加了測(cè)量?jī)x10測(cè)量各種信號(hào)參數(shù)的能力。
圖8描述了本發(fā)明的另一種實(shí)例中測(cè)量?jī)x器前端100的簡(jiǎn)化方框圖。通過(guò)用?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器120代替西格瑪—德?tīng)査D(zhuǎn)換器106和如圖6所示的十分之一濾波器108而形成一采樣系統(tǒng)104，產(chǎn)生數(shù)字采樣，另外采樣系統(tǒng)104內(nèi)的其它?！獢?shù)轉(zhuǎn)換器布局也很容易被取代，只要模數(shù)轉(zhuǎn)換器120的采樣率和精度滿足測(cè)量?jī)x10的輸入阻帶和測(cè)量精度要求。
對(duì)那些本領(lǐng)域有普通技能的人來(lái)說(shuō)，在以上所描述的本發(fā)明的最優(yōu)選實(shí)例的細(xì)節(jié)上進(jìn)行改變是非常容易的，在其擴(kuò)展方面不脫離這一發(fā)明精神。例如可使用大量的或小量的數(shù)字提取波器去提取所需的參數(shù)。通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字濾波元件以及如乘法器、平方根器和除法器以及需要的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字運(yùn)算模塊可很容易地適應(yīng)測(cè)量附加的信號(hào)參數(shù)。數(shù)字比較器和寄存器也可用于檢測(cè)特殊電平電壓。因此本發(fā)明的范圍將由下面的權(quán)利要求決定。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量?jī)x的測(cè)量前端，包括(a)一個(gè)接收信號(hào)電壓并從所述的信號(hào)電壓中產(chǎn)生輸入電壓的信號(hào)調(diào)整器；(b)一個(gè)與所述信號(hào)調(diào)整器并聯(lián)以接收輸入電壓并產(chǎn)生所述輸入信號(hào)的數(shù)字采樣的采樣系統(tǒng)；(c)一套數(shù)字提取濾波器，每一個(gè)所述的數(shù)字提取濾波器與所述的采樣系統(tǒng)并聯(lián)，以接收所述的數(shù)字采樣，這里所述的數(shù)字提取濾波器從所述的數(shù)字采樣中提取大量的所述輸入信號(hào)的測(cè)量參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量?jī)x的測(cè)量前端，所述的采樣系統(tǒng)還進(jìn)一步包括與所述的數(shù)字提取濾波器并聯(lián)的數(shù)字接口，該數(shù)字接口接收來(lái)自該套測(cè)量濾波器的測(cè)量參數(shù)并且為測(cè)量?jī)x提供數(shù)字測(cè)量值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量?jī)x的測(cè)量前端，所述的采樣系統(tǒng)還進(jìn)一步包括(a)接收所述輸入電壓并產(chǎn)生原始數(shù)字采樣的西格瑪—德?tīng)査D(zhuǎn)換器；(b)一個(gè)與所述的西格瑪—德?tīng)査D(zhuǎn)換器并聯(lián)的十分之一濾波器，用于接收原始數(shù)字采樣和產(chǎn)生所述的數(shù)字采樣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量?jī)x的測(cè)量前端，所述采樣系統(tǒng)還進(jìn)一步包括一個(gè)接收所述輸入電壓并產(chǎn)生所述數(shù)字采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量?jī)x的測(cè)量前端，所述的一套數(shù)字提取濾波器還進(jìn)一步包括一個(gè)直流提取濾波器，一個(gè)均方根提取濾波器，一個(gè)波形提取濾波器和一個(gè)最大最小峰值提取濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量?jī)x的測(cè)量前端，所述測(cè)量參數(shù)還進(jìn)一步包括直流，均方根，波形和最大最小峰值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)量?jī)x的測(cè)量前端，所述的一套數(shù)字提取濾波器連續(xù)地提取大量的所述的測(cè)量參數(shù)。
8.一種用測(cè)量?jī)x從信號(hào)電壓中獲取大量測(cè)量參數(shù)的方法包括(a)通過(guò)調(diào)整所述信號(hào)電壓獲取輸入信號(hào)；(b)在采樣系統(tǒng)中對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣獲取數(shù)字采樣；(c)用一套數(shù)字提取濾波器從所述的數(shù)字采樣中提取所述的大量的測(cè)量參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用測(cè)量?jī)x從信號(hào)電壓中獲取大量測(cè)量參數(shù)的方法還進(jìn)一步包括選擇性地向所述的測(cè)量?jī)x提供所述的大量的測(cè)量參數(shù)，作為測(cè)量值。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用測(cè)量?jī)x從信號(hào)電壓中獲取大量測(cè)量參數(shù)的方法還進(jìn)一步包括，所述該套數(shù)字提取濾波器包括一個(gè)直流提取濾波器，一個(gè)均方根提取濾波器，一個(gè)波形提取濾波器，一個(gè)最大/最小提取濾波器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用測(cè)量?jī)x從信號(hào)電壓中獲取大量測(cè)量參數(shù)的方法還進(jìn)一步包括，所述大量測(cè)量參數(shù)還有直流，均方根，波形和最大最小峰值。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用測(cè)量?jī)x器從信號(hào)電壓中獲取大量測(cè)量參數(shù)的方法還進(jìn)一步包括，用所述的該套數(shù)字提取濾波器從數(shù)字采樣連續(xù)地提取大量的測(cè)量參數(shù)。
全文摘要
一種為測(cè)量?jī)x而設(shè)計(jì)的前端結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)僅有一種為輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字采樣的信號(hào)通道。一個(gè)信號(hào)調(diào)整器通過(guò)一對(duì)探針跨接在電壓源、電流源或元件上以產(chǎn)生輸入信號(hào)。輸入信號(hào)提供給一個(gè)采樣系統(tǒng),該系統(tǒng)有一個(gè)連接有十分之一濾波器的西格瑪—德?tīng)査D(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器過(guò)量采樣輸入信號(hào)進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的數(shù)字采樣流。數(shù)字采樣提供給一套數(shù)字提取濾波器,每一個(gè)數(shù)字提取濾波器有一個(gè)適合從數(shù)字采樣流中提取測(cè)量參數(shù)的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換功能。參數(shù)的提取是在連續(xù)的基礎(chǔ)上完成的,因而數(shù)字采樣和最終數(shù)字測(cè)量值也是從連續(xù)流中得到的。提取參數(shù)包括輸入信號(hào)的直流值,輸入信號(hào)的均方根值,輸入信號(hào)的波形參數(shù)和輸入信號(hào)的最大最小峰值。
文檔編號(hào)G01R19/00GK1202623SQ98108818
公開(kāi)日1998年12月23日 申請(qǐng)日期1998年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年4月9日
發(fā)明者S·D·斯維夫特 申請(qǐng)人:弗蘭克公司