专利名称：多功能测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多功能测量仪，适用于直流电压、交流电压、频率、周期电信号的测量，对被测结果可进行处理、显示和打印。
一般带微机的插件式电压、频率和周期参量的多功能测量设备，测量不同参量，制作对应不同的插件，测量时，通过微机调用相应插件电路。这种测量设备，进行电压、频率和周期测量时不能共用一套插件，使电路复杂，体积大，价格贵。
本实用新型的目的是以CPU、计数定时控制器、程序控制数字开关、门电路等子电路组成多功能测量仪，测量时通过微机调用所需的子电路组成电压、或频率、或周期测量通道，实现一台仪器对直流电压、交流电压、频率、周期等多种电参量的测量，使得仪器结构简单，体积小，成本低。
本实用新型是这样实现的以CPU、计数定时控制器、程控数字开关、门电路以及电压信号输入电路、频率及周期信号输入电路组成电压、频率和周期电参量的测量装置。
在测量电压时，由电压测量输入电路、计数定时控制器、数控开关、D触发器、门电路及CPU组成电压测量通道。在频率测量时，由频率测量输入电路、计数定时控制器、数控开关、门电路及CPU组成频率测量通道。在周期测量时，也是利用频率测量通道。
本实用新型的特征在于利用计数定时控制器、程控开关、门电路和CPU等少量硬件和编程控制的手段，在一台仪器上实现电压、频率和周期等多种电参量的测量。上述的这些功能是借助于CPU、计数定时控制器和程控数字开关等硬件在软件的控制下得到实现的。如果配以相应的转换电路或传感器，本测量仪可实现直流电流、交流电压、交流电流等电参量的测量，并可通过CPU进行误差修正。
本实用新型的附图有四个
图1多功能测量仪方框图。
图2多功能测量仪电压测量信号输入电路图3多功能测量仪频率、周期测量信号输入电路图4多功能测量仪测量信号处理电路本实用新型实施例的多功能测量仪包括三部分(如图1所示)，第一部分是电压测量输入电路，由电压衰减器(1)、程控继电器(2)、跟随器(3)、放大器(4)、程控继电器(5)、积分器(6)、基准电压电路(7)和鉴零器(8)组成；第二部分是频率、周期测量输入电路，即放大整形电路(9)；第三部分是测量信号处理电路，由CPU(10)、显示器(11)和程序控制测量信号处理电路组成，程序控制测量信号处理电路除所述的程控继电器(2)和(5)、CPU(10)、显示器(11)外，还包括程控锁存器(12)和(13)、程控输入输出接口(14)、计数定时控制器(15)、程控数字开关(16)和(17)、D触发器(18)以及与非门(19)和(20)、或门(21)、倒相器(22)和十分频器(23)等。其中，电压测量通道由电压衰减器(1)、程控继电器(2)和(5)、跟随器(3)、放大器(4)、积分器(6)、基准电压电路(7)、鉴零器(8)、放大整形电路(9)、CPU(10)、显示器(11)、程控锁存器(12)和(13)、程控输入输出接口(14)、计数定时控制器(15)、程控数字开关(16)和(17)、和倒相器(22)组成；频率测量通道由放大整形电路(9)、CPU(10)、显示器(11)、程控输入输出接口(14)、计数定时控制器(15)、程控数字开关(16)和(17)、D触发器(18)、与非门(19)、或门(21)和十分频器(23)组成；周期测量通道由放大整形电路(9)、CPU(10)、显示器(11)、D触发器(18)、与非门(20)、或门(21)组成。
直流电压的测量是利用二次积分原理，第一次积分是对被测直流电压信号进行定时积分，定时积分的时间由计数定时控制器(15)确定，在确定的时间内积分器(6)的电荷积分量与被测电压大小成正比，第二次积分利用与被测电压反极性的基准电压值对第一次积分实施反积分，即对积分器进行放电积分，积分器(6)放电到零电位时，第二次积分终止，放电积分时，在反极性基准电压值确定的情况下放电积分的速度是不变的，这样一来第一次积分值越大，第二次放电积分时间越长。利用计数定时控制器(15)计数第二次放电时间，经CPU(10)处理，即可得到被测电压值。
测量电压的过程是将被测直流电压Vxd输入到电压衰减器(1)，电压衰减器(1)在程控锁存器(13)和程控继电器(2)和(5)控制下，输出一个量程合适的电压信号给跟随器(3)，再经放大器(4)，程控输入输出接口(14)接通程控继电器(5)的触点K1，将衰减和放大了的被测直流电压Vxd加到积分器(6)进行第一次定时积分，这时通过程控数字开关(16)的d－h两端接通，将计数定时控制器(15)中A通道的输出接入B通道的输入，使A、B通道相连，并使计数定时控制器(15)的B通道固定第一次积分时间，本实施例的定积分时间为160ms。当第一次积分至160ms时，CPU(10)通过程控输入输出接口(14)，断开程控继电器(5)的触点K1，并从基准电压电路(7)中选一与被测直流电压Vxd极性相反的基准电压，经程控继电器(5)的触点K2(或K3)输入积分器(6)，进行第二次积分，而程控数字开关(16)和(17)断开d－h两端，接通a－g、e－j、r－v端，这样断开计数定时控制器(15)A、B通道，接通A、C通道，将CPU(10)输出的时钟脉冲信号经程控数字开关(16)的φ端送入计数定时控制器(15)的A通道，通过程序控制，使A通道产生160KHz的时钟脉冲信号，经程控数字开关(16)和(17)、倒相器(22)进入C通道计数。当积分器(6)第二次积分输出为零时，鉴零器(8)输出跃变脉冲给程控输入输出接口(14)，使其申请中断，CPU(10)发出控制信号，终止计数定时控制器(15)内C通道的计数，这样所计的脉冲数反映了第二次积分时间，即反映被测直流电压Vxd的值。因此上述所计脉冲数经CPU(10)处理，程控锁存器(13)自动量程转换，即可在显示器(11)上显示出被测直流电压Vxd值。
测量交流电压时，被测交流电压信号Vxa经电压衰减器(1)后，加给交直流转换器转换成直流电压信号，以后的过程与直流电压测量过程相同。
频率测量是在主闸门定时启闭的时间内，让被测频率信号通过主闸门，并对通过的脉冲进行计数，经过处理，得出测量结果。频率测量通道的主闸门是与非门(19)。
测量频率的过程是被测频率信号Fx接入放大整形电路(9)的输入端，而CPU(10)控制程控数字开关(16)和(17)中a－g、d－h、f－j、k－s端相接，一方面接通计数定时控制器(15)A，B通道，将CPU(10)输出时钟脉冲信号经程控数字开关(16)的φ端送入其A、B通道，并使其B通道产生1s(或100ms或10ms)的脉冲信号，经D触发器(18)二分频后控制与非门(19)；另一方面，被测频率信号Fx经放大整形电路(9)放大整形成等幅同频脉冲信号，由程控数字开关(16)和(17)送至与非门(19)。当D触发器(18)输出高电平时，打开与非门(19)，被测频率信号Fx通过与非门(19)、或门(21)，进入计数定时控制器(15)的C通道计数；当D触发器(18)输出低电平时，被测频率信号Fx不能通过与非门(19)，这时计数定时控制器(15)中C通道所计的脉冲数和与非门(19)导通时间之比即为被测频率信号Fx，经CPU(10)处理、误差修正、自动量程转换，在显示器(11)上即可显示出被测频率信号Fx的值。当被测频率信号Fx为高频时，程控数字开关(16)的m－s端相连(这时其k－s端断开)，将放大、整形后的被测频率信号Fx经十分频器(23)进行十分频，再送至与非门(19)。
在周期测量时，让主闸门的启闭时间与被测信号的周期相关，也就是说使被测信号的周期为主闸门启闭时间的函数，在主闸门的启闭时间内让时标脉冲信号通过，并对其进行计数，计得的数值与时标信号周期时间之积，经过CPU(10)处理即可得到被测信号的周期。周期测量通道的主闸门是与非门(20)。
测量周期的过程是被测周期信号Tx接入放大整形电路(9)的输入端，CPU(10)控制程控数字开关(16)和(17)中的a－g、b－h、e－j、n－u端相接，断开计数定时控制器(15)的A、B通道，将CPU(10)输出的时钟脉冲信号经程控数字开关(16)、(17)的φ端送入计数定时控制器(15)的A通道，并使其A通道产生1μs(或10μs或100μs)的时标脉冲信号，经程控数字开关(16)、(17)后，送至与非门(20)，而被测周期信号Tx经放大整形电路(9)放大、整形后，由程控数字开关(16)送入计数定时控制器(15)B通道十分频，然后经D触发器(18)二分频，控制与非门(20)。当D触发器(18)输出高电平时，与非门(20)导通，计数定时控制器(15)中A通道产生的时标脉冲信号经程控数字开关(16)和(17)、与非门(20)、或门(21)进入其C通道计数；当D触发器(18)输出低电平时，与非门(20)不通，计数定时控制器(15)中A通道产生的时标脉冲信号不能进入C通道，这时计数定时控制器(15)中C通道所计的时标脉冲数与时标脉冲周期之积，即反映被测周期信号Tx，经CPU(10)处理后，显示器(11)显示被测周期信号Tx。
图2给出了多功能测量仪电压测量信号输入电路。R1、R2、R3和R4组成电压衰减器(1)，R1为电压衰减器(1)的输入电阻，电阻R1、R2、R3和R4取值分别为9KΩ、900KΩ、90K Ω和10K Ω；K4、K5、K6是电压衰减器(1)的电压量程转换开关，受程控继电器(2)控制，程控继电器(2)选用734D05型集成电路；跟随器(3)由MA741型集成电路、电阻R5和稳压二极管D1组成；放大器(4)由MA741型集成电路、电阻R6－R9以及二极管D2、D3组成；积分器(6)由MA741型集成电路、电阻R15－R17、电容C1和C2、二极管D4和D5组成；积分器(6)的输入受程控继电器(5)的控制，其中开关K1控制被测电压第一次积分的输入，开关K2和K3控制第二次放电积分不同极性基准电压的输入。基准电压电路(7)由电阻R10和R11、稳压二极管D6和D7组成，D6、D7可选用2DW236型稳压二极管，R10和R11取值910Ω。R12、R13、R14分别为积分器(6)的输入电阻；鉴零器(8)由MA741型集成电路、电阻R18－R21、二极管D8、D9、D10组成，其中D10为程控输入输出接口(14)的过压保护电路，鉴零器(8)输出端A1接程控输入输出接口(14)的输入端A2(参见图4)。
图3给出了多功能测量仪频率、周期测量信号输入电路，为了获得良好的测量效果，它包括测量信号隔离、放大和整形三部分。三极管T1－T5、二极管D11和D12、电阻R22－R36、电容C3－C8组成隔离和放大电路，74LS14斯密特电路为信号整形电路，整形电路的输出端B1加给测量信号处理电路输入端B2(参见图4)。
图4给出了多功能测量仪测量信号处理电路，包括CPU(10)、程控锁存器(12)和(13)、程控输入输出接口(14)、程控数字开关(16)和(17)、D触发器(18)、与非门(19)和(20)、或门(21)、倒相器(22)。选用的集成电路是CPU(10)为TP801，程控锁存器(12)和(13)为两个74LS273，程控输入输出接口(14)为Z80－PIO，程控数字开关(16)和(17)为两个74LS157，十分频器(23)为74LS90，计数定时控制器(15)为Z80－CTC，D触发器(18)为MC14013P，与非门(19)、(20)和倒相器(22)为T065B，或门(21)为74LS32。发光二极管D13，D14，D15组成测量工作状态指示电路，D13代表电压测量工作状态，D14代表频率，D15代表周期。LED1、LED2和LED3为数码显示管，组成测量显示器(11)。
上述的电压、频率和周期信号的测量结果均可利用打印机打印。所述的图2、图3和图4电路设计在一块印刷电路板上，整个多功能测量仪为一长方形，面板略向后倾斜，面板上布置发光二极管D13、D14、D15组成的工作状态指示器。LED1、LED2和LED3组成的测量显示器(11)及其各种操作键。
权利要求1.一种用于测量电压、频率和周期信号的多功能测量仪，包括电压信号测量输入电路，它由被测信号的电压衰减器(1)、跟随器(3)、放大器(4)、基准电压电路(7)、对被测电压和基准电压进行积分的积分器(6)、鉴别积分器(6)输出电平的鉴零器(8)组成；频率和周期信号测量输入电路，它采用放大整形电路(9)、将输入的频率和周期信号整形成等幅同频脉冲信号，信号处理电路，它由CPU(10)、测量结果的显示器(11)、程控锁存器(12)和(13)、程控输入输出接口(14)、控制电压衰减器(1)输出的程控继电器(2)和控制积分器(6)输入的程控继电器(5)组成，电压测量电路、频率和周期测量电路输出的信号都是加给以CPU(10)为核心的信号处理电路，处理的结果由显示器(11)给出，本实用新型的特征在于所述的信号处理电路中增加了由计数定时控制器(15)、程控数字开关(16)和(17)、D触发器(18)、与非门(19)和(20)、或门(21)、倒相器(22)和十分频器(23)组成的电压、频率和周期信号测量的功能转换电路，计数定时控制器(15)通过数据线与CPU(10)和程控输入输出接口(14)相接，程控数字开关(16)的b和f接于放大整形电路(9)的输出d和e接于计数定时控制器(15)A通道的输出，g和h分别接于计数定时控制器(15)的A通道和B通道的输入，i和j分别接于程控数字开关(17)n、r和k，j并接于十分频器(23)的输入，十分频器(23)的输出接于程控数字开关(17)的m，程控数字开关(17)的s和u分别接于与非门(19)、(20)的各自一个输入端，v接于倒相器(22)的输入，计数定时控制器(15)B通道的输出经D触发器(18)加给与非门(19)、(20)各自的另外一个输入端，或门(21)和倒相器(22)的输出都加给计数定时控制器(15)C通道的输入，CPU(10)通过程控输入输出接口(14)控制程控数字开关(16)、(17)。
2.根据权利要求1所述的多功能测量仪，其特征在于所述的电压、频率和周期信号测量的功能转换电路组成如下其电压信号测量程序控制电路包括程控继电器(2)和(5)、程控锁存器(12)和(13)、程控输入输出接口(14)、程控数字开关(16)和(17)、倒相器(22)以及计数定时控制器(15)；其频率信号测量程序控制电路包括程控输入输出接口(14)、程控数字开关(16)和(17)、D触发器(18)、与非门(19)、或门(21)和十分频器(23)以及计数定时控制器(15)其周期信号测量程序控制电路包括程控输入输出接口(14)、程控数字开关(16)和(17)、D触发器(18)、与非门(20)、或门(21)以及计数定时控制器(15)。
专利摘要一种应用微机的电压、频率和周期的多功能测量仪器。现有多功能测量仪器每种测量功能都须设专用插件，使得设备复杂。本实用新型利用CPU、程控输入输出接口、计数定时控制器、程控继电器、程控数字开关、门电路等少量部件，代替多组寄存器和计数器，测量时通过编制的程序和CPU调用有关电路组成所需功能的测量通道，使用一台仪器实现电压、频率、周期的多功能测量。该仪器电路简单、成本低、“智能化”程度高。
文档编号G01R15/12GK2062454SQ89217700
公开日1990年9月19日 申请日期1989年10月18日 优先权日1989年10月18日
发明者马淑芬 申请人:中国人民解放军国防科工委指挥技术学院;电话3017404