专利名称：智能自动变换量程rms测量方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及RMS信号测量领域，尤其涉及一种智能自动变换量程RMS测量方法及实现该方法的设备。
现代数字万用表(DMMs)具有测量AC信号的RMS(均方根)值的性能。这种性能分别称为“真RMS”、“AC RMS”或“AC+DC RMS”。
在DMM中使用各种不同的刻度(即量程)来测量不同幅值的信号。例如，DMM可以有500mv、5v、50v和500v量程。自动变换量程的特点是可以根据输入信号决定选择哪个量程，这点在现有技术中是众所周知的。例如，35v的输入信号可能会导致从上面给出的示范性的量程列表中选择50v量程。
重要的是，用来决定正确量程的算法具有某种形式的滞后，以便阻止两个量程之间的振荡。当决定为测量AC信号而采用自动变换量程时，必须利用信号的RMS值作为指导。如上所述35vRMS值的输入信号会自动变换量程到50v量程，而与信号的其它特性如峰值幅度无关。
如果输入信号的值超过当前所选量程的100％时，典型的RMS-only自动变换量程算法会控制DMM改变到下一个更高量程，如果输入信号的值小于当前所选量程的满刻度的8％时，控制DMM改变到下一个更低量程。假设两个相邻量程之比为10∶1，则这个算法提供2％的滞后区。
遗憾的是，上述采用自动变换量程算法的DMM可能量程选择不正确，从而导致显示不正确的读数。当所测量的信号与其RMS值相比具有大峰值时，就会产生这个问题。这种类型的信号被认为会显示出很大的波峰因数。大峰值可能会过驱动模拟调节电路，或使模数(A-to-D)转换器超过其限度(有时称为“railing”A-to-D)。例如，显示出波峰因数6的35v RMS信号实际上可能会有210v的峰值(即最大信号幅度)。这种状况大大超出DMM的50v量程的动态范围。如上所述，尽管如此，典型自动变换量程算法会使DMM选择50v量程，而且用户不知道测量是不正确的。
在电子测试设备中监视将被测量的输入信号RMS值和峰值以实现自动变换量程功能的设备和方法。在本发明主题的系统中，超过当前所选择量程的动态范围的峰值信号量度将导致选择下一个更高量程。超过下一个更低测量量程的动态范围的峰值信号测量将阻止选择下一个更低量程，不然的话，RMS值将选择那个更低量程。没有超过当前所选择的测量量程的动态范围或下一个更低测量量程的动态范围的信号峰值将允许由输入信号的RMS值确定测量量程选择的控制。
图1是有助于理解本发明的流程图。
图2是有助于实现本发明的万用表的部分示意图。
参考图1，在步骤100处进入软件流程。在步骤105处读取峰值测量电路。在步骤110处对极限1是否已经被超过进行确认。极限1是表示测量系统当前所选择的量程的动态范围的值。在显示波峰因数3的系统中，动态范围在50v量程上是150v。因此，在这种工作在5v量程上的系统中，极限1等于150v，超过150v的输入信号的峰值导致控制器退出步骤110沿“是”路径进入步骤115，在步骤115中立即选择下一个更高范围。需要注意的是，由于使用的是快速峰值测量，而不是慢速RMS测量，因此DMM向上自动变换量程(也称作向上变换量程)比现有技术DMM要快得多。
如果在步骤110中未超过极限1，则控制器沿“否”路径进入步骤120，在步骤120中测量输入信号的RMS值。控制器进行到步骤125中确认极限2是否被超过。极限2等于当前量程满刻度读数的100％。因此，在50v量程上，极限2等于50v。如果输入信号的RMS值超过极限2(50v)，则控制器退出步骤125沿“是”路径进入步骤130，在步骤130中选择下一个更高量程。
如果在步骤125中未超过极限2，则检查输入信号的RMS值是否少于当前所选择的量程满刻度的8％。在本例中，50v的8％等于4v。如果RMS值大于或等于4v，则控制器退出步骤135沿“否”路径进入步骤140，在步骤140中保持当前量程。
如果在步骤125中输入信号的RMS值小于4v，则控制器退出步骤135沿“是”路径进入步骤145。显示RMS值小于当前量程8％的信号被测量出来并显示在更低量程上。但是，如果输入信号具有导致其在更低刻度上给出错误读数的波峰因数，则可以认为用户不想选择下一个更低量程(即“向下变换量程”)。因此，在切换到下一个更低测量量程之前在步骤145上检查步骤105上所做的峰值测量是否超过量程动态范围。本发明的重要优点在于不用自动向下变换量程就可向用户传送以下信息尽管显示的是可靠的低读数，但正在检测更高水平的峰值(可能是很危险的)。在本例中，下一个更低的测量范围为5v，具有相应的15v的动态范围(波峰因数处理能力)。因此，为向下切换，输入信号必须具有小于4v的RMS值以及不超过15v的峰值。如果在步骤145上确定的峰值超过极限3(15V)，则取YES路径进入步骤150并保持当前所选择的量程。如果没有超过极限3，则沿NO路径并在步骤155上选择下一个更低量程。
图2以方块图的形式显示了适于实现本发明的DMM的部分电路图。DMM包括两个连接器用于接收连接到待测电路的探测器。有BLACK标志特征的连接器通常接地或连接到电路中的返回点，有RED标志特征的连接器一般接收以地为基准所测量到的信号。所测量到的信号通过两个串联的电阻R210和R202与RED端子连接。R201是具有1.5kΩ的热敏电阻，R202是2.7kΩ电阻。
图2所示DMM具有500mv,5v,50v,500v,1Kv共五个电压测量量程。通过选择开关SW201、SW202和SW203的闭合来选择测量量程。开关集成电路(IC)200包括由响应控制微处理器220的控制信号的开关控制单元控制的多极开关SW202，对于500mv量程，SW201由控制微处理器220控制将信号连接到被闭合的(导通的)开关SW202a，同时SW202的所有其它部分均断开(不导通的)。在这种状态下，输入信号经R210,R202，及R203(具有1兆欧姆值)通过SW201和SW202a输送到放大器205的输入端。对于所有其它的量程来说，SW201均是断开的。
对于5v量程，实际上由R204(具有10兆欧值)和R205(具有1兆欧值)组成的分压器分配信号。附加串联电阻R201和R202与分压电阻器的电阻相比要小得多，因此对输出电压几乎没有什么影响。R205通过SW202b、SW202c以及闭合的继电器K1的继电器触点203的作用连接到分压器电路上。继电器K1响应控制微处理器220发出的控制信号来运行，并经R209应用于激励晶体管Q1。准确的继电器驱动器结构可以是几个已知技术中的一种，这点对本发明不是特别重要。
对于50v量程，实际上由R204(具有10兆欧值)和R206(具有100kohm值)组成的分压器分配信号。R206通过SW202b、SW202d以及闭合的继电器K1的继电器触点203的作用连接到分压器电路上。
对于500v量程，实际上由R204(具有10兆欧值)和R207(具有10kohm值)组成的分压器分配信号。R207通过SW202b、SW202e以及闭合的继电器K1的继电器触点203的作用连接到分压器电路上。
对于1Kv量程，实际上由R204(10兆欧值)和R208(具有1kΩ值)组成的分压器分配信号。R208通过SW202b、SW202f以及闭合的继电器K1的继电器触点203的作用连接到分压器电路上。
从放大器205中发出的信号与包括在信号处理集成电路210内的A/D转换器电路212的一个输入端相连。A/D转换器电路212的另一个输入端与BLACK端相连。A/D转换器电路212将从放大器205中接收到的模拟电压转换成多位数字信号并将多位数字信号应用于RMS处理器214和峰值检测器216。RMS处理器214可以为抽取输入信号的RMS值所设计的多种电路中的一种。同样地，峰值检测器可以是在众所周知的现有技术中的多种峰值检测电路中的一种。
RMS处理器214和峰值检波器216的输出端与控制微处理器220相连。控制微处理器220处理数据并将测量到的值在诸如LCD显示设备之类的显示器240上显示出来。
在运行期间，当峰值检测数据显示出信号的波峰因数是使得正被测量的信号内的峰值超过所选量程的动态范围时，控制微处理器220控制上述开关电路选择下一个更高测量量程。如果RMS数据的值大于或等于当前所选择测量量程的满刻标度时，则控制微处理器220控制上述开关电路选择下一个更高的测量量程。需要注意的是，由于峰值检测器216比RMS处理器214运行得快从而使自动向上变换量程完成得更快。
在向下变换量程方向，如果峰值检测器显示出所测量的信号的峰值不会超出下一个更低测量量程的动态范围时，控制微处理器220将通过控制上述开关设置来选择下一个更低量程。
有利的是，根据峰值所做出的本发明的自动变换量程的决定不是基于满刻度RMS值是什么，而是基于测量系统的动态范围。对于具有波峰因数3的系统来说，在50v量程内这会是150v。必须使用滞后来阻止两个量程之间的振荡。例如，如果峰值大于系统动态范围的8％，基于峰值可以决定不向下变换量程。当峰值大于系统动态范围的100％时，决定向上变换量程。这会产生2％的滞后区。即，2％=((100％/10％)-8％)(假定两个测量量程之比为10∶1)。
必须选择峰值上自动变换量程滞后区，使其不干扰基于信号RMS值的正常向下变换量程。例如，如果对于RMS来说向下变换量程阈值是RMS满刻度的8％，这种具有波峰因数3的信号就有RMS满刻度的24％的峰值。如果动态范围为RMS满刻度的300％(规定波峰因数至多为3)，那么对于峰值来说不向下变换量程必须选为30％RMS满刻度的最大值(在更低量程中变为300％)，减去一些滞后阈值。看起来将RMS满刻度的24％选作峰值的“不向下变换量程”阈值是最容易的，因为这产生最大的滞后，在波峰因数小于规定值的情况下不影响信号的分辨力。在本例中，当向下变换量程被完成时，峰值会达到RMS满刻度的的240％,RMS会达到RMS满刻度的的80％。在不影响测量分辨力情况下产生最大阈值的公式为最大滞后峰值阈值=RMS向下变换量程阈值×规定的波峰因数产生的两个错误为在不向下变换量程决定上的假阳性或假阴性。假阴性意味没有足够的滞后，仪器会在两个相邻的测量量程间振荡。假阳性意味当仪器本应向下变换量程时不向下变换量程，测量将不具有在更低量程内所具有的分辨力。
任何超过规定波峰因数的附加动态范围都产生附加滞后边界，或用其帮助避免作出假阳性“不向下变换量程”的决定。用来选择与假阳性“不向下变换量程”决定相反的产生附加边界且不改善滞后的“不向下变换量程阈值”的公式为假阳性决定边界=RMS向下变换量程阈值×动态范围/满刻度RMS峰值测量设备的准确度必须足够准确以使两个不同量程的峰值测量中的差值(误差)不超过滞后区。两个误差源是量程的带宽差和峰值检测器的测量分辨力。需要滞后区大于测量误差以避免振荡。
实际上，因为在两个相邻测量量程之间振荡比对具有波峰因数在3左右的信号没有向下变换量程的情形更为恶劣，所以使用的是最大可能滞后和假阳性决定边界之间的一半距离。
虽然在本说明书中使用了术语控制微处理器，但也可以使用控制器的其它形式，例如微型计算机、专用逻辑电路、ASIC(专用集成电路)。因此可以认为术语控制器包括所有上述形式。
虽然本发明描述的是数字万用表，但在这里我们认为本发明对其它类型的检测和测量工具也是适用的，这样的修改也落在在后面的权利要求范围内。
权利要求
1．一种数字万用表，包括响应所测量到的输入信号的特征来自动选择测量量程的自动变换量程电路；控制所述自动变换量程电路以选择量程的控制器；与所述控制器相连用于向所述控制器提供表示所述输入信号RMS值的信号的RMS处理器；及用于向所述控制器提供峰值信号的峰值检测器电路；如果所述峰值信号超出预定阈值，所述控制器使所述自动变换量程电路选择下一个更高测量量程。
2．根据权利要求1所述的数字万用表，还包括用于选择测量量程的多个可控开关，所述多个可控开关在控制器的控制下运行。
3．根据权利要求2所述的数字万用表，其中所述RMS处理器在输出端产生多位数字信号。
4．根据权利要求2所述的数字万用表，其中所述峰值信号处理器在输出端产生多位数字信号。
5．一种数字万用表，包括响应所测量到的输入信号的特征来自动选择测量量程的自动变换量程电路；控制所述自动变换量程电路以选择量程的控制器；与所述控制器相连用于向所述控制器提供表示所述输入信号RMS值的信号的RMS处理器；及用于向所述控制器提供峰值信号的峰值检测器电路；如果所述峰值信号超过与所述下一个更低测量量程相关的预定阈值，所述控制器阻止所述自动变换量程电路选择下一个更低测量量程。
6．根据权利要求5所述的数字万用表，还包括用来选择测量量程的多个可控开关，所述多个可控开关在控制器的控制下运行。
7．根据权利要求6所述的数字万用表，其中所述RMS处理器在输出端产生多位数字信号。
8．根据权利要求6所述的数字万用表，其中所述峰值信号处理器在输出端产生多位数字信号。
9．电子测量设备，包括响应所测量到的输入信号的特征来自动选择测量量程的自动变换量程电路；控制所述自动变换量程电路以选择量程的控制器；与所述控制器相连用于向所述控制器提供表示所述输入信号RMS值的信号的RMS处理器；及用于向所述控制器提供峰值信号的峰值检测器电路；如果所述峰值信号超出预定极限，所述控制器使所述自动变换量程电路选择下一个更高测量量程；及当所述RMS值小于预定RMS极限且所述峰值信号未超过与所述下一个更低测量量程有关的预定峰值时，所述控制器使所述自动变换量程电路选择下一个更低测量量程。
10．根据权利要求9所述的测量设备，还包括用来选择测量范围的多个可控开关，所述多个可控开关在控制器的控制下运行。
11．根据权利要求10所述的测量设备，其中所述峰值信号的预定极限与每一个测量量程的动态范围有关。
12．根据权利要求9所述的数字万用表，其中所述RMS处理器在输出端产生多位数字信号。
13．根据权利要求9所述的数字万用表，其中所述峰值信号处理器在输出端产生多位数字信号。
14．一种控制自动变换量程功能的方法，包括的步骤有响应所测量到的输入信号特征选择测量量程；提供用于表示所述输入信号RMS值的信号的RMS处理器；及提供用于表示所述输入信号峰值幅度的峰值信号的峰值检测器电路；如果所述峰值信号超过预定极限，使所述自动变换量程电路选择下一个更高测量量程；及当所述RMS值小于预定RMS极限且所述峰值信号未超过与所述下一个更低测量量程有关的预定峰值时，使所述自动变换量程电路选择下一个更低测量量程。
15．一种控制自动变换量程功能的方法，包括的步骤有响应所测量到的输入信号特征选择测量量程；提供用于表示所述输入信号RMS值的信号的RMS处理器；提供用于表示所述输入信号峰值幅度的峰值信号的峰值检测器电路；及如果所述峰值信号超过预定极限，使所述自动变换量程电路选择下一个更高测量量程。
16．一种控制自动变换量程功能的方法，包括的步骤有响应所测量到的输入信号特征选择测量量程；提供用于表示所述输入信号RMS值的信号的RMS处理器；提供用于表示所述输入信号的峰值幅度的峰值信号的峰值检测器电路；及当所述RMS值小于预定RMS极限且所述峰值信号未超过与所述下一个更低测量范围有关的预定峰值时，使所述自动变换量程电路选择下一个更低测量量程。
全文摘要
在电子测试设备中监视将被测量的输入信号RMS值和峰值以实现自动变换量程功能的设备和方法。在本发明主题的系统中,超过当前所选择量程的动态范围的峰值信号量度将导致选择下一个更高量程。超过下一个更低测量量程的动态范围的峰值信号测量将阻止选择下一个更低量程,不然的话,RMS值将选择那个更低量程。没有超过当前所选择的测量量程的动态范围或下一个更低测量量程的动态范围的信号峰值将允许由输入信号的RMS值确定测量量程选择的控制。
文档编号G01R15/09GK1236105SQ9910635
公开日1999年11月24日 申请日期1999年5月7日 优先权日1998年5月8日
发明者P·I·绍博 申请人:特克特朗尼克公司