專利名稱：智能自動(dòng)變換量程rms測(cè)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(hào)測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種智能自動(dòng)變換量程RMS測(cè)量方法及實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備。
現(xiàn)代數(shù)字萬用表(DMMs)具有測(cè)量AC信號(hào)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(cè)量不同幅值的信號(hào)。例如，DMM可以有500mv、5v、50v和500v量程。自動(dòng)變換量程的特點(diǎn)是可以根據(jù)輸入信號(hào)決定選擇哪個(gè)量程，這點(diǎn)在現(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的。例如，35v的輸入信號(hào)可能會(huì)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(gè)量程之間的振蕩。當(dāng)決定為測(cè)量AC信號(hào)而采用自動(dòng)變換量程時(shí)，必須利用信號(hào)的RMS值作為指導(dǎo)。如上所述35vRMS值的輸入信號(hào)會(huì)自動(dòng)變換量程到50v量程，而與信號(hào)的其它特性如峰值幅度無關(guān)。
如果輸入信號(hào)的值超過當(dāng)前所選量程的100％時(shí)，典型的RMS-only自動(dòng)變換量程算法會(huì)控制DMM改變到下一個(gè)更高量程，如果輸入信號(hào)的值小于當(dāng)前所選量程的滿刻度的8％時(shí)，控制DMM改變到下一個(gè)更低量程。假設(shè)兩個(gè)相鄰量程之比為10∶1，則這個(gè)算法提供2％的滯后區(qū)。
遺憾的是，上述采用自動(dòng)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(cè)量的信號(hào)與其RMS值相比具有大峰值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這個(gè)問題。這種類型的信號(hào)被認(rèn)為會(huì)顯示出很大的波峰因數(shù)。大峰值可能會(huì)過驅(qū)動(dòng)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(shí)稱為“railing”A-to-D)。例如，顯示出波峰因數(shù)6的35v RMS信號(hào)實(shí)際上可能會(huì)有210v的峰值(即最大信號(hào)幅度)。這種狀況大大超出DMM的50v量程的動(dòng)態(tài)范圍。如上所述，盡管如此，典型自動(dòng)變換量程算法會(huì)使DMM選擇50v量程，而且用戶不知道測(cè)量是不正確的。
在電子測(cè)試設(shè)備中監(jiān)視將被測(cè)量的輸入信號(hào)RMS值和峰值以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍的峰值信號(hào)量度將導(dǎo)致選擇下一個(gè)更高量程。超過下一個(gè)更低測(cè)量量程的動(dòng)態(tài)范圍的峰值信號(hào)測(cè)量將阻止選擇下一個(gè)更低量程，不然的話，RMS值將選擇那個(gè)更低量程。沒有超過當(dāng)前所選擇的測(cè)量量程的動(dòng)態(tài)范圍或下一個(gè)更低測(cè)量量程的動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)峰值將允許由輸入信號(hào)的RMS值確定測(cè)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(shí)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(cè)量電路。在步驟110處對(duì)極限1是否已經(jīng)被超過進(jìn)行確認(rèn)。極限1是表示測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)前所選擇的量程的動(dòng)態(tài)范圍的值。在顯示波峰因數(shù)3的系統(tǒng)中，動(dòng)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(hào)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(gè)更高范圍。需要注意的是，由于使用的是快速峰值測(cè)量，而不是慢速RMS測(cè)量，因此DMM向上自動(dòng)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(cè)量輸入信號(hào)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(hào)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(gè)更高量程。
如果在步驟125中未超過極限2，則檢查輸入信號(hào)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(hào)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(hào)被測(cè)量出來并顯示在更低量程上。但是，如果輸入信號(hào)具有導(dǎo)致其在更低刻度上給出錯(cuò)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(gè)更低量程(即“向下變換量程”)。因此，在切換到下一個(gè)更低測(cè)量量程之前在步驟145上檢查步驟105上所做的峰值測(cè)量是否超過量程動(dòng)態(tài)范圍。本發(fā)明的重要優(yōu)點(diǎn)在于不用自動(dòng)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(cè)更高水平的峰值(可能是很危險(xiǎn)的)。在本例中，下一個(gè)更低的測(cè)量范圍為5v，具有相應(yīng)的15v的動(dòng)態(tài)范圍(波峰因數(shù)處理能力)。因此，為向下切換，輸入信號(hào)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(gè)更低量程。
圖2以方塊圖的形式顯示了適于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的DMM的部分電路圖。DMM包括兩個(gè)連接器用于接收連接到待測(cè)電路的探測(cè)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(diǎn)，有RED標(biāo)志特征的連接器一般接收以地為基準(zhǔn)所測(cè)量到的信號(hào)。所測(cè)量到的信號(hào)通過兩個(gè)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(gè)電壓測(cè)量量程。通過選擇開關(guān)SW201、SW202和SW203的閉合來選擇測(cè)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(hào)的開關(guān)控制單元控制的多極開關(guān)SW202，對(duì)于500mv量程，SW201由控制微處理器220控制將信號(hào)連接到被閉合的(導(dǎo)通的)開關(guān)SW202a，同時(shí)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(hào)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(duì)于所有其它的量程來說，SW201均是斷開的。
對(duì)于5v量程，實(shí)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(hào)。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(duì)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(diǎn)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(hào)來運(yùn)行，并經(jīng)R209應(yīng)用于激勵(lì)晶體管Q1。準(zhǔn)確的繼電器驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)可以是幾個(gè)已知技術(shù)中的一種，這點(diǎn)對(duì)本發(fā)明不是特別重要。
對(duì)于50v量程，實(shí)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(hào)。R206通過SW202b、SW202d以及閉合的繼電器K1的繼電器觸點(diǎn)203的作用連接到分壓器電路上。
對(duì)于500v量程，實(shí)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(hào)。R207通過SW202b、SW202e以及閉合的繼電器K1的繼電器觸點(diǎn)203的作用連接到分壓器電路上。
對(duì)于1Kv量程，實(shí)際上由R204(10兆歐值)和R208(具有1kΩ值)組成的分壓器分配信號(hào)。R208通過SW202b、SW202f以及閉合的繼電器K1的繼電器觸點(diǎn)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(hào)與包括在信號(hào)處理集成電路210內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器電路212的一個(gè)輸入端相連。A/D轉(zhuǎn)換器電路212的另一個(gè)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(hào)并將多位數(shù)字信號(hào)應(yīng)用于RMS處理器214和峰值檢測(cè)器216。RMS處理器214可以為抽取輸入信號(hào)的RMS值所設(shè)計(jì)的多種電路中的一種。同樣地，峰值檢測(cè)器可以是在眾所周知的現(xiàn)有技術(shù)中的多種峰值檢測(cè)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。控制微處理器220處理數(shù)據(jù)并將測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)顯示出信號(hào)的波峰因數(shù)是使得正被測(cè)量的信號(hào)內(nèi)的峰值超過所選量程的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，控制微處理器220控制上述開關(guān)電路選擇下一個(gè)更高測(cè)量量程。如果RMS數(shù)據(jù)的值大于或等于當(dāng)前所選擇測(cè)量量程的滿刻標(biāo)度時(shí)，則控制微處理器220控制上述開關(guān)電路選擇下一個(gè)更高的測(cè)量量程。需要注意的是，由于峰值檢測(cè)器216比RMS處理器214運(yùn)行得快從而使自動(dòng)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(cè)器顯示出所測(cè)量的信號(hào)的峰值不會(huì)超出下一個(gè)更低測(cè)量量程的動(dòng)態(tài)范圍時(shí)，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(gè)更低量程。
有利的是，根據(jù)峰值所做出的本發(fā)明的自動(dòng)變換量程的決定不是基于滿刻度RMS值是什么，而是基于測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。對(duì)于具有波峰因數(shù)3的系統(tǒng)來說，在50v量程內(nèi)這會(huì)是150v。必須使用滯后來阻止兩個(gè)量程之間的振蕩。例如，如果峰值大于系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍的100％時(shí)，決定向上變換量程。這會(huì)產(chǎn)生2％的滯后區(qū)。即，2％=((100％/10％)-8％)(假定兩個(gè)測(cè)量量程之比為10∶1)。
必須選擇峰值上自動(dòng)變換量程滯后區(qū)，使其不干擾基于信號(hào)RMS值的正常向下變換量程。例如，如果對(duì)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(hào)就有RMS滿刻度的24％的峰值。如果動(dòng)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(duì)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?？雌饋韺MS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?yàn)檫@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(hào)的分辨力。在本例中，當(dāng)向下變換量程被完成時(shí)，峰值會(huì)達(dá)到RMS滿刻度的的240％,RMS會(huì)達(dá)到RMS滿刻度的的80％。在不影響測(cè)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(gè)錯(cuò)誤為在不向下變換量程決定上的假陽(yáng)性或假陰性。假陰性意味沒有足夠的滯后，儀器會(huì)在兩個(gè)相鄰的測(cè)量量程間振蕩。假陽(yáng)性意味當(dāng)儀器本應(yīng)向下變換量程時(shí)不向下變換量程，測(cè)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(dòng)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(yáng)性“不向下變換量程”的決定。用來選擇與假陽(yáng)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(yáng)性決定邊界=RMS向下變換量程閾值×動(dòng)態(tài)范圍/滿刻度RMS峰值測(cè)量設(shè)備的準(zhǔn)確度必須足夠準(zhǔn)確以使兩個(gè)不同量程的峰值測(cè)量中的差值(誤差)不超過滯后區(qū)。兩個(gè)誤差源是量程的帶寬差和峰值檢測(cè)器的測(cè)量分辨力。需要滯后區(qū)大于測(cè)量誤差以避免振蕩。
實(shí)際上，因?yàn)樵趦蓚€(gè)相鄰測(cè)量量程之間振蕩比對(duì)具有波峰因數(shù)在3左右的信號(hào)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(yáng)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(jì)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(duì)其它類型的檢測(cè)和測(cè)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(cè)量到的輸入信號(hào)的特征來自動(dòng)選擇測(cè)量量程的自動(dòng)變換量程電路；控制所述自動(dòng)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(hào)RMS值的信號(hào)的RMS處理器；及用于向所述控制器提供峰值信號(hào)的峰值檢測(cè)器電路；如果所述峰值信號(hào)超出預(yù)定閾值，所述控制器使所述自動(dòng)變換量程電路選擇下一個(gè)更高測(cè)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(cè)量量程的多個(gè)可控開關(guān)，所述多個(gè)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(hào)。
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(hào)處理器在輸出端產(chǎn)生多位數(shù)字信號(hào)。
5．一種數(shù)字萬用表，包括響應(yīng)所測(cè)量到的輸入信號(hào)的特征來自動(dòng)選擇測(cè)量量程的自動(dòng)變換量程電路；控制所述自動(dòng)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(hào)RMS值的信號(hào)的RMS處理器；及用于向所述控制器提供峰值信號(hào)的峰值檢測(cè)器電路；如果所述峰值信號(hào)超過與所述下一個(gè)更低測(cè)量量程相關(guān)的預(yù)定閾值，所述控制器阻止所述自動(dòng)變換量程電路選擇下一個(gè)更低測(cè)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(cè)量量程的多個(gè)可控開關(guān)，所述多個(gè)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(hào)。
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(hào)處理器在輸出端產(chǎn)生多位數(shù)字信號(hào)。
9．電子測(cè)量設(shè)備，包括響應(yīng)所測(cè)量到的輸入信號(hào)的特征來自動(dòng)選擇測(cè)量量程的自動(dòng)變換量程電路；控制所述自動(dòng)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(hào)RMS值的信號(hào)的RMS處理器；及用于向所述控制器提供峰值信號(hào)的峰值檢測(cè)器電路；如果所述峰值信號(hào)超出預(yù)定極限，所述控制器使所述自動(dòng)變換量程電路選擇下一個(gè)更高測(cè)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(hào)未超過與所述下一個(gè)更低測(cè)量量程有關(guān)的預(yù)定峰值時(shí)，所述控制器使所述自動(dòng)變換量程電路選擇下一個(gè)更低測(cè)量量程。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的測(cè)量設(shè)備，還包括用來選擇測(cè)量范圍的多個(gè)可控開關(guān)，所述多個(gè)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(cè)量設(shè)備，其中所述峰值信號(hào)的預(yù)定極限與每一個(gè)測(cè)量量程的動(dòng)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(hào)。
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(hào)處理器在輸出端產(chǎn)生多位數(shù)字信號(hào)。
14．一種控制自動(dòng)變換量程功能的方法，包括的步驟有響應(yīng)所測(cè)量到的輸入信號(hào)特征選擇測(cè)量量程；提供用于表示所述輸入信號(hào)RMS值的信號(hào)的RMS處理器；及提供用于表示所述輸入信號(hào)峰值幅度的峰值信號(hào)的峰值檢測(cè)器電路；如果所述峰值信號(hào)超過預(yù)定極限，使所述自動(dòng)變換量程電路選擇下一個(gè)更高測(cè)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(hào)未超過與所述下一個(gè)更低測(cè)量量程有關(guān)的預(yù)定峰值時(shí)，使所述自動(dòng)變換量程電路選擇下一個(gè)更低測(cè)量量程。
15．一種控制自動(dòng)變換量程功能的方法，包括的步驟有響應(yīng)所測(cè)量到的輸入信號(hào)特征選擇測(cè)量量程；提供用于表示所述輸入信號(hào)RMS值的信號(hào)的RMS處理器；提供用于表示所述輸入信號(hào)峰值幅度的峰值信號(hào)的峰值檢測(cè)器電路；及如果所述峰值信號(hào)超過預(yù)定極限，使所述自動(dòng)變換量程電路選擇下一個(gè)更高測(cè)量量程。
16．一種控制自動(dòng)變換量程功能的方法，包括的步驟有響應(yīng)所測(cè)量到的輸入信號(hào)特征選擇測(cè)量量程；提供用于表示所述輸入信號(hào)RMS值的信號(hào)的RMS處理器；提供用于表示所述輸入信號(hào)的峰值幅度的峰值信號(hào)的峰值檢測(cè)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(hào)未超過與所述下一個(gè)更低測(cè)量范圍有關(guān)的預(yù)定峰值時(shí)，使所述自動(dòng)變換量程電路選擇下一個(gè)更低測(cè)量量程。
全文摘要
在電子測(cè)試設(shè)備中監(jiān)視將被測(cè)量的輸入信號(hào)RMS值和峰值以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)態(tài)范圍的峰值信號(hào)量度將導(dǎo)致選擇下一個(gè)更高量程。超過下一個(gè)更低測(cè)量量程的動(dòng)態(tài)范圍的峰值信號(hào)測(cè)量將阻止選擇下一個(gè)更低量程,不然的話,RMS值將選擇那個(gè)更低量程。沒有超過當(dāng)前所選擇的測(cè)量量程的動(dòng)態(tài)范圍或下一個(gè)更低測(cè)量量程的動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)峰值將允許由輸入信號(hào)的RMS值確定測(cè)量量程選擇的控制。
文檔編號(hào)G01R15/09GK1236105SQ9910635
公開日1999年11月24日 申請(qǐng)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(qǐng)人:特克特朗尼克公司