专利名称：具有改进的自动模式工作的电压测量仪器和方法
技术领域：
本发明涉及测试和测量装备，并且更具体地涉及一种以能够精确测量电压的方式将信号切换至交流("AC")和直流("DC")电压测量仪 器的电路和方法。
背景技术：
用于测量AC信号电压或DC信号电压的仪器已经存在了很长时 间，并且它们共同应用在各种各样的领域中。早期的电压测量仪器一 般称为"电压-欧姆表"，其使用具有指针的模拟表，指针的角位置表 示DC电压的幅值。通过整流AC信号并将幅值按比例缩放以对应于 该信号的均方根(RMS)的值，这种表还能够测量AC信号的幅值。后 来的电压欧姆表使用数字显示器，且实质上比模拟表更精确。虽然常规电压-欧姆表能够测量AC信号的RMS幅值，但是这种 测量的精确性基于下述假设，即AC信号具有正弦波形。这种电压-欧姆表不能精确测量非正弦AC信号的RMS幅值。由于这个原因， 在过去，已经利用各种技术开发了真正的RMS表。在图1中，示出了常规AC/DC电压测量仪器10的方框图。该仪 器10包括一对端子12、 14，在它们之间通常利用测试探针施加要测 量的信号。端子14耦合至地，而端子12耦合至数个设备。更具体地， 端子12通过电阻器18耦合至比较器和逻辑电路20，通过电阻器24 和开关26耦合至测试节点30，以及通过电容器32、电阻器34和开 关36耦合至测试节点30。该测试节点30通过电阻器38连接至地， 以与电阻器24、 34中的一个形成分压器。测试节点30通过开关42连接至模数("A/D")转换器40。 A/D转 换器40输出端的数字信号施加于显示器44，和/或它可以施加于其他电路或系统(未示出)。测试节点30还连接至放大器46的输入端。放 大器46的输出端通过电容器48耦合至RMS电路50，该RMS电路 50提供了施加到其输入端的的信号的RMS幅值的精确测量。RMS 电路50的输出端通过开关54耦合至A/D转换器40。
电压测量仪器10具有三种工作模式，即DC测量模式，AC测量 模式，以及自动测量模式。通过控制单元60选择性地闭合开关26、 36、 42、 54来选择这些模式。该控制单元60依次由用户选择设备62 或比较器和逻辑电路20的输出端来控制，如下详细解释。该控制单 元60还连接至显示器44，使得它能够显示当前使用的模式。在DC 测量模式或AC测量模式下，控制单元60使显示器44显示通过用户 选择设备62选择的任何模式。但是，在自动测量模式下，控制单元 60由比较器和逻辑电路20控制，使得显示器44指示"自动"，并且 如果比较器和逻辑电路20检测到过零点则显示"AC"，否则显示"自 动"和"DC"。
当要测量DC电压的幅值时，通过用户选择设备62选择DC测 量模式。然后，该选择设备62使得控制单元60闭合开关26和42， 同时开关36和54保持打开。幵关26的闭合将输入端子12连接至测 试节点30，使得电阻器24和电阻器38—起形成分压器。这样，测 试节点30处的电压的幅值与施加在输入端子12、 14之间的信号的幅 值成比例。测试节点30通过闭合的开关42直接连接至A/D转换器 40。然后，A/D输出数字信号，该数字信号指示在端子12、 14之间 施加的信号的幅值，并且显示器44为用户提供端子12、 14之间施加 的DC电压的幅值的指示。
当要测量AC电压的幅值时，再次通过用户选择设备62选择AC 测量模式。然后，选择设备62使得控制单元60闭合开关36和54， 同时开关26和42保持打开。开关36的闭合将输入端12通过电容器 32连接至测试节点30，使得仅有AC信号通过电阻器34耦合，其中 该电阻器34和电阻器38形成分压器。这样，测试节点30处的电压 的幅值与输入端子12、 14之间施加的AC信号的幅值成比例。该测 试节点30处的AC信号的幅值由放大器46升压并且通过电容器48耦合至RMS电路50的输入端。虽然电容器32仅通过AC信号，但 是期望使用电容器48来消除典型地由放大器46产生的偏移。在AC 测量模式下，RMS电路50的输出端通过闭合的开关54耦合至A/D 转换器40。这样，该A/D转换器40输出数字信号，以指示端子12、 14之间施加的AC信号的RMS幅值。然后，显示器44显示该信号 的RMS幅值。
在自动测量模式下，基于在端子12、 14之间施加的信号的属性， 该电压测量仪器10在DC测量模式和AC测量模式之间切换。该功 能由比较器和逻辑电路20检测待测量信号的过零点来实现。如果电 路20检测到端子12、 14之间施加的信号的过零点，那么认为该信号 是AC信号。因此，它将相应信号发送给控制单元60，该控制单元 60将开关36、 54闭合，以使仪器10进入如上所述的AC测量模式。 如果电路20没有检测到过零点，则它认为端子12、 14之间施加的信 号是DC信号。因此，电路20将相应信号发送给控制单元60，该控 制单元60将开关26、 42闭合，以使仪器10进入同样如上所述的DC 测量模式。
图1所示的电压测量仪器10适用于许多应用，尤其适用于待测 量信号是纯DC信号或纯AC信号的应用。但是，它在要测量的信号 是具有AC分量的DC信号或具有DC偏移的AC信号的应用中不能 提供精确的结果。如果AC分量相对于DC偏移足够大，那么比较器 和逻辑电路20将检测到过零点，并因此将仪器10切换至AC测量模 式。但是，电容器32、 48将阻塞DC分量，使得仅测量AC分量。 因此，RMS电路50将产生指示仅有AC分量的RMS幅值的数字输 出。然而，真实的RMS幅值受DC分量和AC分量的影响。
如果AC分量相对于DC偏移来说比较小，则会产生另一问题。 在这种情况下，比较器和逻辑电路20将检测不到过零点，并因此将 仪器10切换至DC测量模式。然后，该仪器10提供该信号的DC幅 值的错误测量值，这取决于A/D转换器40的采样点而变化。这些不 一致的测量可能向用户指示在DC电压实际上为恒定时，它指示该 DC电压连续变化。因此，需要一种电压测量仪器和方法，它们能够在自动测量模式
下提供信号电压的精确测量，其中，所述信号包括具有AC分量的 DC信号或具有DC偏移的AC信号。
发明内容
电压测量仪器和方法在DC测量模式和AC测量模式或自动测量 模式下测量输入信号的幅值。在DC测量模式下，利用模数转换器采 样输入信号的幅值，其中该模数转换器产生与采样的幅值对应的数字 值。在AC测量模式下，输入信号通过电容器耦合至RMS电路，其 确定通过电容器耦合后的输入信号的RMS幅值。然后，产生与RMS 幅值相对应的数字值。在自动测量模式下，将输入信号直接耦合至 RMS电路，而不是首先通过电容器耦合输入信号。在自动模式下， 输入信号优选通过放大器耦合至RMS电路。该电压测量仪器执行校 准过程，以计算用于补偿放大器所产生的任何偏移的校正系数。在自 动模式下，使用该校正系数来显示校正的RMS幅值的值。
图1是常规AC/DC电压测量仪器的一个实例的方框图； 图2是根据本发明一个实例的AC/DC电压测量仪器的方框图； 图3是示出校准过程的一个实例的流程图，其中该校准过程可以 用于校准图2的电压测量仪器中使用的放大器的任何偏移；以及 图4是根据本发明另一实例的AC/DC电压测量仪器的方框图。
具体实施例方式
图2示出了根据本发明一个实例的电压测量仪器100。该仪器100 类似于图1所示的电压测量仪器10，所述仪器100包括耦合在端子 12和测试节点30之间的用于测量DC信号幅值的电阻器24和幵关 26，以及耦合在端子12和测试节点30之间的用于测量AC信号幅值 的电容器32、电阻器34和开关36。该电压测量仪器100还包括开关 42、放大器46、 RMS电路50以及开关54，其中闭合所述开关42以将测试节点30连接至A/D转换器40，以便用于测量DC信号的幅值， 而闭合所述开关54以测量AC信号的幅值。最后，该仪器100还包 括控制单元104和用户选择设备62。然而，提供的控制单元104具 有不同的附图标记，这是因为它的结构和功能与仪器10中使用的控 制单元60的结构和功能不同。
图2的电压测量仪器100与图1的仪器10的区别在于几个重要 的方面。首先，该仪器100在用于测量DC信号幅值的路径中包括低 通滤波器110。该低通滤波器IIO滤除待测量信号中的任意AC分量， 使得该幅值显示不随A/D转换器40抽取的不同采样而波动。这样， 仪器100提供DC信号幅值的一致、精确的测量结果。另外，由于下 面解释的原因，A/D转换器40的输出端连接至控制单元104。
如下所述，在AC测量模式下，电压测量仪器100以与仪器10 实质相同的方式工作，除了它不包括仪器IO使用的用于消除放大器 46中的任何偏移的电容器48。作为替换，如下面更详细的解释，控 制单元104执行校准过程，以消除放大器46中的任何偏移。
电压测量仪器100和现有技术的仪器10之间最显著的区别在于 其在自动测量模式下的工作。当使用用户选择设备62选择自动测量 模式时，控制单元104闭合开关26、 54，并且打开开关36、 42。并 且，不管比较器和逻辑电路20是否检测到过零点，开关26、 54都保 持闭合，而开关36、 42保持打开。因此，比较器和逻辑电路20的唯 一功能是利用与现有技术的仪器10在自动测量模式下控制显示器44 的方式(如上所述)相同的方式来控制显示器44。与常规仪器10中 的比较器和逻辑电路20不一样，仪器100中的比较器和逻辑电路20 不会使得控制单元104在自动模式下控制开关26、 54、 36、 42中的 任一个。
通过在没有任何中间电容器或其他高通滤波器的情况下将RMS 电路50耦合至端子12，则不管信号什么属性，RMS电路都能够提供 RMS幅值的精确测量结果。例如，如果该信号是具有很大AC分量 的DC信号，则RMS电路将提供该信号的RMS值的真实指示，其考 虑了该信号的DC分量和AC分量。如上所述，由于控制单元104执行校准过程，所以该仪器100无 需使用电容器来消除放大器46的偏移。如图3所示，在122进入该 校准过程120，然后，控制单元104打开开关26和36。然后，电阻 器38使节点30变为零伏。接下来，控制单元104检查A/D转换器 40的输出。如果A/D转换器40提供不是零的RMS幅值的指示，那 么控制单元104在步骤128确定与该RMS幅值相对应的放大器46 的偏移。然后，控制单元104在步骤130计算校正系数，其中该校正 系数将用于随后的在AC测量模式和自动测量模式下的测量。最后， 在步骤134退出校准过程。虽然在图3中示出了校准过程的一个实例， 但是应该理解，可以使用其他校准过程来补偿放大器46和转换的 RMS50的任何偏移。不管使用什么校准过程，使用校准过程补偿放 大器46的偏移都允许RMS电路50在AC测量模式和自动测量模式 下通过DC电路路径连接，而不管施加在端子12、 14之间的信号的 属性。因此，当信号的幅值具有AC分量和DC分量两者时，该电压 测量仪器100能够提供更加精确的测量结果。
图4示出了电压测量仪器140的另一实例。该电压测量仪器140 包括图2的电压测量仪器100中使用的所有相同的部件，并且这些所 有相同的部件以实质相同的方式工作。该仪器140与仪器100的不同 之处在于将比较器和逻辑电路20通过电阻器144连接至端子12，而 不是和仪器100 —样将比较器和逻辑电路20直接连接至测试节点30 。
虽然已经参照公开的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员 应该意识到在不脱离本发明精神和保护范围的情况下，可以在形式和 细节上做改变。这些修改在本领域普通技术人员的技术内是允许的。 相应地，除了后附的权利要求以外，本发明不受限制。
权利要求
1、一种AC/DC电压测量仪器，包括模数转换器，用于产生数字输出信号，以指示由所述模数转换器接收的信号的幅值；RMS电路，构造为用于产生RMS输出信号，以指示由所述RMS电路接收的信号的RMS幅值；电容器；耦合的显示器，构造为用于显示与数字输入信号相对应的值，所述数字输入信号基于从所述模数转换器接收的所述数字输出信号；以及可工作于DC模式、AC模式或自动模式的切换电路，所述切换电路用于在所述DC模式下将输入端耦合至所述模数转换器，用于在所述AC模式下将所述输入端通过所述电容器耦合至所述RMS电路，并且将来自所述RMS电路的RMS输出信号耦合至所述模数转换器，以及用于在所述自动模式下将所述输入端耦合至所述RMS电路，而不是通过所述电容器耦合所述输入端，并且将所述RMS电路的RMS输出信号耦合至所述模数转换器。
2、 如权利要求1所述的AC/DC电压测量仪器，还包括耦合至所 述输入端和所述显示器的比较器和逻辑电路，所述比较器和逻辑电路 用于在所述自动模式下检测施加至所述输入端的输入信号的过零点， 并且使得所述显示器对此响应而通告在所述AC模式下工作。
3、 如权利要求2所述的AC/DC电压测量仪器，其中所述切换电 路独立于所述比较器和逻辑电路而工作。
4、 如权利要求1所述的AC/DC电压测量仪器，还包括在所述自 动模式下耦合在所述输入端和所述RMS电路之间的放大器。
5、 如权利要求4所述的AC/DC电压测量仪器，其中所述放大器 在所述AC模式下还耦合在所述输入端和所述RMS电路之间。
6、 如权利要求4所述的AC/DC电压测量仪器，还包括耦合的控 制单元，以用于从所述模数转换器接收所述数字输出信号，所述控制 单元还用于在所述自动模式下执行校准过程，以补偿所述放大器中的 任何偏移，并且用于向所述显示器施加数字输入信号，所述数字输入 信号与来自所述模数转换器且用于补偿所述放大器的任何偏移的数 字输出信号相对应。
7、 如权利要求6所述的AC/DC电压测量仪器，还包括在所述输 入端和参考电压之间耦合的开关，并且其中所述控制单元通过执行下 列步骤来执行所述校准过程闭合所述开关，检查所述模数转换器的 输出以确定所述放大器的任意信号输出的幅值，基于所述确定的幅值 计算校正系数，以及使用所述校正系数和所述模数转换器的所述数字 输出信号产生施加于所述显示器的数字输入信号。
8、 如权利要求6所述的AC/DC电压测量仪器，其中所述控制单 元还用于在所述AC模式下执行所述校准过程。
9、 一种电压测量仪器，包括模数转换器，用于产生数字输出信号，以指示由所述模数转换器 接收的信号的幅值；腹S电路，构造为用于产生RMS输出信号，以指示由所述RMS 电路接收的信号的RMS幅值；电容器；放大器耦合的显示器，构造为用于显示与数字输入信号相对应的值，所 述数字输入信号基于从所述模数转换器接收的所述数字输出信号； 可工作于AC模式或自动模式的切换电路，所述切换电路用于在所述AC模式下将所述输入端通过所述电容器耦合至所述RMS电路， 并且将来自所述RMS电路的RMS输出信号耦合至所述模数转换器， 以及用于在所述自动模式下将所述输入端通过所述放大器耦合至所 述RMS电路，而不是通过所述电容器耦合所述输入端，并且将所述 RMS电路的RMS输出信号耦合至所述模数转换器；以及控制单元，构造为用于控制所述切换电路的工作，还将所述控制 单元耦合为从所述模数转换器接收所述数字输出信号，所述控制单元 用于在所述自动模式下执行校准过程以补偿所述放大器中的任何偏 移并且用于向所述显示器施加数字输入信号，所述数字输入信号与来 自所述模数转换器且用于补偿所述放大器的任何偏移的数字输出信 号相对应。
10、 如权利要求9所述的电压测量仪器，还包括耦合在所述输入 端和参考电压之间的开关，并且其中所述控制单元通过执行下列步骤 来执行所述校准过程闭合所述开关，检查所述模数转换器的输出以 确定所述放大器的任意信号输出的幅值，基于所述确定的幅值计算校 正系数，以及使用所述校正系数和所述模数转换器的所述数字输出信 号产生施加于所述显示器的数字输入信号。
11、 如权利要求9所述的电压测量仪器，其中所述控制单元还用 于在所述AC模式下执行所述校准过程。
12、 如权利要求9所述的电压测量仪器，还包括耦合至所述输入 端和所述显示器的比较器和逻辑电路，所述比较器和逻辑电路用于在 所述自动模式下检测施加至所述输入端的输入信号的过零点，并且使 得所述显示器对此响应而通告在所述AC模式下工作。
13、 如权利要求12所述的电压测量仪器，其中所述切换电路独 立于所述比较器和逻辑电路而工作。
14、 一种用于在DC测量模式，AC测量模式或自动测量模式下 测量输入信号幅值的方法，所述方法包括在所述DC测量模式下，对所述输入信号的所述幅值进行采样， 并将采样转换为与所述采样的幅值相对应的数字值；在所述AC测量模式下，通过电容器耦合所述输入信号，确定通 过所述电容器耦合的所述输入信号的RMS幅值，以及提供与所述 RMS幅值相对应的数字值；以及在所述自动测量模式下，确定所述输入信号的所述RMS幅值， 而不是首先通过所述电容器耦合所述输入信号，以及提供对应于所述 输入信号的所述RMS幅值的数字值。
15、 如权利要求14所述的方法，还包括显示与所述DC测量模 式下的所述采样的所述幅值相对应的数字值，以及显示与所述AC测 量模式和所述自动模式下的所述RMS幅值相对应的数字值。
16、 如权利要求14所述的方法，还包括在对所述输入信号的 所述幅值进行采样之前，在所述DC测量模式下对所述输入信号进行 低通滤波。
17、 如权利要求14所述的方法，还包括在确定所述输入信号的所述RMS幅值之前，在所述自动测量模式下放大所述输入信号。
18、 如权利要求17所述的方法，还包括在所述自动测量模式 下执行校准过程，以补偿在放大所述输入信号的动作期间所产生的任 何偏移。
19、 如权利要求18所述的方法，其中所述校准过程包括使得所述输入信号具有预定电压；检查放大的输入信号，以确定所述放大的输入信号的幅值是否与 所述预定电压相对应；如果所述放大的输入信号的所述幅值与所述预定电压不相对应，则计算校正系数；以及在确定所述输入信号的所述RMS幅值中使用所述校正系数。
20、 在一种电压测量仪器中，具有耦合的放大器，以用于从输 入端接收输入信号并用于产生放大的输入信号；耦合的RMS电路， 以用于从所述放大器接收所述放大的输入信号并用于产生指示所述 放大的输入信号的RMS幅值的RMS输出信号；以及耦合的模数转 换器，以用于从所述RMS电路接收所述RMS输出信号并用于产生 指示所述RMS输出信号的幅值的数字输出信号， 一种校准电压测量 系统以补偿所述放大器中的任何偏移的方法，所述方法包括将所述输入端连接到预定电压；检査所述模数转换器的输出，以确定所述放大器的任意信号输出 的幅值；基于所确定的幅值来计算校正系数；以及 使用所述校正系数和来自所述模数转换器的所述数字输出信号 来产生校正的数字输出信号。
21、 如权利要求20所述的方法，其中所述预定电压包括接地电势。
全文摘要
一种AC/DC电压测量仪器可用于DC模式，AC模式，或自动模式下。在DC模式下，输入端直接耦合至模数转换器，该模数转换器产生指示所接收信号的幅值的数字输出信号。在AC模式下，该输入端通过电容器耦合至RMS电路。该RMS电路产生输出信号，该输出信号的幅值指示所接收信号的RMS幅值，并且该输出信号耦合至模数转换器。在自动模式下，该输入端也耦合至RMS电路，但是它耦合至RMS电路，而不通过电容器耦合。该输入端通过放大器耦合至RMS电路，并且使用校准过程来补偿放大器的任何偏移。
文档编号G01R13/02GK101231310SQ20071019330
公开日2008年7月30日 申请日期2007年12月3日 优先权日2006年12月4日
发明者M·F·加拉万 申请人:弗卢克公司