信号量测装置与信号量测方法与流程

本发明关于一种信号量测装置与信号量测方法，特别是一种量测范围可调的信号量测装置与信号量测方法。

背景技术：

量测设备或是电子设备中的量测电路常常需要持续地量测动态负载信号的功率。一般来说，在量测时有采用自动档位(autorange)或是使用固定档位(constantrange)等两种做法。由于负载信号振幅不固定，若使用自动档位进行量测，在量测过程中常会因为档位的频繁更换而造成量测数据漏失。而若选择固定档位来进行量测，由于未知的动态负载信号往往无法被预估，而使得无法以所选定的固定档位合适地匹配动态负载信号。当选择过高的档位作为固定档位虽然可以量测到所有的信号时，但也会降低量测分辨率与准确度；反之，当选择过低的档位时，虽然具有较佳的分辨率，但仍极可能造成数据的漏失。

以数字功率表来说，目前市面上的数字功率表都会要求量测程序使用固定档位，因此使用者必须对待测物执行预量测(pre-test)的程序，以便预测在正常程序测试中可能会发生的最高信号振幅。但这种方法除了造成使用上的不方便之外，也无法确保量测程序中不发生数据漏失，或是因高估了最高信号振幅而降低了量测分辨率。

技术实现要素：

本发明在于提供一种信号量测装置与信号量测方法，以期克服以往待测信号的未知特性对量测程序所造成的麻烦。

本发明揭露了一种信号量测装置，所述的信号量测装置具有侦测电路、第一量测电路、第二量测电路与控制电路。侦测电路用以电性连接一待测物，以产生待测物的侦测信号。第一量测电路电性连接侦测电路，并依据侦测信号、一第一量测范围与一第二量测范围其中之一产生第一量测信号，其中第二量测范围大于第一量测范围。第二量测电路电性连接侦测电路，并依据侦测信号与补偿量测范围产生第二量测信号，其中补偿量测范围大于第二量测范围。控制电路电性连接第一量测电路与第二量测电路，并依据第二量测信号控制第一量测电路切换第一量测范围与第二量测范围其中之一。

本发明揭露了一种信号量测方法，所述的信号量测方法包括：电性连接待测物以产生侦测信号；依据侦测信号与设定量测范围产生第一量测信号，设定量测范围为多个预设量测范围其中之一；依据侦测信号与补偿量测范围产生第二量测信号，补偿量测范围的上限不小于所述的预设量测范围其中任一的上限；判断第一量测信号的信号值大小是否大于当前的设定量测范围的上限；若第一量测信号的信号值大小大于当前的设定量测范围的上限时，则依据第二量测信号的信号值大小将设定量测范围切换为所述的预设量测范围其中之另一，经切换后的设定量测范围的上限大于第二量测信号的信号值大小。

以上关于本发明内容的说明及以下实施方式的说明用以示范与解释本发明的原理，并且提供本发明的权利要求保护范围更进一步的解释。

附图说明

图1为根据本发明一实施例所绘示的信号量测装置的功能方块图。

图2为根据本发明另一实施例所绘示的信号量测装置的功能方块图。

图3为根据本发明又一实施例所绘示的信号量测装置的功能方块图。

图4为根据本发明一实施例所绘示的信号量测方法的方法流程图。

图5为根据本发明另一实施例所绘示的信号量测方法的方法流程图。

图6为根据本发明更一实施例所绘示的信号量测方法的方法流程图。

图7为根据本发明又一实施例所绘示的信号量测方法的方法流程图。

图8为根据本发明再一实施例所绘示的信号量测方法的方法流程图。

其中，附图标记：

1、1’、1”信号量测装置

12侦测电路

122’、124’、126’保护电路

128”可编程增益放大器

13信道

14第一量测电路

142第一放大器

144抗混叠滤波器

146第一模拟数字转换器

16第二量测电路

162第二放大器

164抗混叠滤波器

166第二模拟数字转换器

18控制电路

182数字信号处理器

184现场可编程门阵列

19耦合电路

192脉冲变压器

194光电耦合器

2待测物

d1～d4二极管

e1第一侦测端

e2第二侦测端

e3外部输入端

nd分压节点

r1第一电阻

r2第二电阻

r1”～r4”电阻

rl1第一继电器

rl2第二继电器

rl3第三继电器

rl4第四继电器

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域的技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求保护范围及附图，任何本领域的技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请参照图1，图1为根据本发明一实施例所绘示的信号量测装置的功能方块图。如图1所示，信号量测装置1具有侦测电路12、第一量测电路14、第二量测电路16与控制电路18。侦测电路12电性连接第一量测电路14与第二量测电路16。第一量测电路14与第二量测电路16分别电性连接控制电路18。

侦测电路12具有多个侦测端。在此实施例中以第一侦测端e1、第二侦测端e2为例进行说明。侦测电路12用以经由第一侦测端e1、第二侦测端e2取得待测物2的待量测信号。所述的待量测信号可以是电压信号或是电流信号，在此并不加以限制。侦测电路12用以依据待量测信号产生侦测信号。

第一量测电路14具有多个默认量测范围。第一量测电路14用以依据侦测信号与设定量测范围产生第一量测信号。所述的设定量测范围为所述的预设量测范围其中之一。举例来说，各个预设量测范围例如分别为0毫安(ma)至5毫安、0毫安至20毫安、0毫安至50毫安、0毫安至200毫安与0毫安至300毫安。设定量测范围可以被切换至预设量测范围的其中任一。举例来说，当设定量测范围被切换至如前述的0毫安至20毫安的预设量测范围，且侦测信号的电流大小也位于0毫安至20毫安之间时，此时第一量测电路14可用将侦测信号的电流大小以适当的形式记载于第一量测信号中。理想上，第一量测信号的信号值即为侦测信号的电流大小。设定量测范围为其他预设量测范围的情况可依此类推。需说明的是，在此以第一量测电路14用以量测电流的情况以作说明，所属领域技术人员经详阅本说明书后应可理解而类推当第一量测电路14被设计用以量测电压的情况，在此并不重复赘述。

第二量测电路16电性连接侦测电路12。第二量测电路16具有补偿量测范围。补偿量测范围的上限不小于所述的预设量测范围其中任一的上限。举例来说，补偿量测范围例如为0毫安至300毫安而涵盖了所有的预设量测范围。或者，补偿量测范围的上限也可以是大于300毫安，在此并不加以限制。第二量测电路16用以依据侦测信号与补偿量测范围产生第二量测信号。如前述所举的例子，当侦测信号的电流大小位于0毫安至300毫安之间时，第二量测电路16可以用适当的方式将侦测信号的电流大小记载在第二量测信号当中。理想上，此时第二量测信号的信号值大小即为侦测信号的电流大小。相仿地，在另一实施例中，第二量测信号的信号值大小也可为侦测信号的电压大小。

控制电路18电性连接第一量测电路14与第二量测电路16。控制电路18用以依据第一量测信号与第二量测信号指示第一量测电路14切换设定量测范围为所述的预设量测范围其中另一。举前述的各数值范围来说，假设设定量测范围例如为0毫安至20毫安，补偿量测范围例如为0毫安至300毫安，而侦测信号的电流大小例如为60毫安。此时，侦测信号的电流大小大于设定量测范围的上限，因此第一量测信号的信号值大小只为20毫安。而侦测信号的电流大小小于补偿量测范围的上限，因此，理想上第二量测信号的信号值大小应为60毫安。是故，当控制电路18判断这样的情况发生时，控制电路18依据第二量测信号的信号值大小指示第一量测电路14将设定量测范围调整为上限值至少大于60毫安的预设量测范围。在此实施例中，控制电路18例如是将设定量测范围的上限调大至200毫安。

在一实施例中，当控制电路18指示第一量测电路14于第一时间切换设定量测范围为所述的预设量测范围其中另一时，控制电路18进一步依据第一时间的第二量测信号补偿第一时间的第一量测信号。藉此，避免第一时间上的第一量测信号具有瑕疵或是无法被后端电路所辨识。

请接着参照图2以对信号量测装置进行更进一步的说明，图2为根据本发明另一实施例所绘示的信号量测装置的功能方块图。图2绘示出了信号量测装置的一种具体实施方式。在图2所示的实施例中，信号量测装置1’用以量测待量测信号的信号值大小。在图2中，信号量测装置1’进一步具有信道13与耦合电路19。耦合电路19具有脉冲变压器192与光电耦合器194，相关细节应为所属技术领域技术人员所熟知，在此不予赘述。脉冲变压器192的一端电性连接第一量测电路14与第二量测电路，脉冲变压器192的另一端经由信道13电性连接控制电路18。光电耦合器194的一端电性连接第一量测电路14与第二量测电路，光电耦合器194的另一端经由信道13电性连接控制电路18。

控制电路18具有数字信号处理器182与现场可编程门阵列184(fieldprogrammablegatearray，fpga)。数字信号处理器182电性连接现场可编程门阵列184。数字信号处理器182经由现场可编程门阵列184存取第一量测信号或第二量测信号，且数字信号处理器182经由现场可编程门阵列184调整第一量测电路14或第二量测电路16。

在图2所示的实施例中，第一量测电路14具有第一放大器142、抗混叠滤波器144与第一模拟数字转换器146。第一放大器142、抗混叠滤波器144与第一模拟数字转换器146依序电性连接，第一放大器142的输入端电性连接侦测电路，第一模拟数字转换器146的输出端电性连接脉冲变压器192。其中，第一放大器142经由前述的电路结构受控于数字信号处理器182。在一实施例中，控制电路18用以依据第一量测信号的信号值大小与第二量测信号的信号值大小调整第一放大器的增益以切换设定量测范围为所述的预设量测范围其中另一。

此外，第二量测电路16具有第二放大器162、抗混叠滤波器164与第二模拟数字转换器166。第二放大器162、抗混叠滤波器164与第二模拟数字转换器166依序电性连接，第二放大器162的输入端电性连接侦测电路，第二模拟数字转换器166的输出端电性连接脉冲变压器192。其中，第二放大器162经由前述的电路结构受控于数字信号处理器182。在一实施例中，控制电路18用以依据第一量测信号的信号值大小与第二量测信号的信号值大小调整第二放大器的增益以切换补偿量测范围。

从另一个角度来说，第一量测信号或第二量测信号例如为侦测信号经过取样与量化后的数字信号。更具体地来说，第一量测信号与第二量测信号在取样时序上同步，而第一量测信号所对应的动态范围(dynamicrange)与第二量测信号的动态范围可以是相同或是不同。由于数字信号处理器182已知第一量测电路14的量测范围与第二量测电路16的量测范围，因此即使当第一量测信号的动态范围与第二量测信号的动态范围不同，数字信号处理器182还是可依据第一量测范围的上限与第二量测范围的上限的相对关系而自第二量测信号取得关联于第一量测信号的信息。如前述地，第一量测电路14于第一时间点切换设定量测范围时，第一量测信号于第一时间点的相关数值或第一时间点前后的相关数值可能无法被辨识或是可能有瑕疵。此时数字信号处理器182即可依据第二量测信号于第一时间点的信息换算出第一量测信号于第一时间点的相关数值，并据以补偿第一量测信号。

另一方面，在此实施例中，侦测电路12进一步包括档位切换子电路，档位切换子电路具有第一电阻r1、第二电阻r2、第一继电器rl1、第二继电器rl2、第三继电器rl3与第四继电器rl4。第一电阻r1两端分别电性连接第一侦测端e1与分压节点nd。第二电阻r2两端分别电性连接第二侦测端e2与分压节点nd。

第一继电器rl1的输出端电性连接第一放大器142的其中一个输入端，第一继电器rl1的多个输入端分别电性连接第一侦测端e1、分压节点nd与外部输入端e3。第二继电器rl2的输出端电性连接第一放大器142的另一输入端。第二继电器rl2的多个输入端分别电性连接第二侦测端e2、分压节点nd与外部输入端e3。第三继电器rl3的输出端电性连接第二放大器162的其中一个输入端。第三继电器rl3的多个输入端其中的两个分别电性连接第一侦测端e1与外部输入端e3。第四继电器rl4的输出端电性连接第二放大器162的另一输入端。第四继电器rl4的多个输入端其中的两个分别电性连接分压节点nd与外部输入端e3。其中，外部输入端e3用以让使用者提供一用户自定义的信号源。于实务上，外部输入端e3可以具有一或多个实体端口口，在此并不加以限制。

藉由选择性地导通继电器的各输入端及其输出端，档位切换子电路得以提供用户更多的量测范围选择。其中，第一电阻r1的电阻值与第二电阻r2的电阻值可依据电路阻抗以及实际所需的量测范围而予以调整，在此并不加以限制。另一方面，侦测电路12’中进一步具有保护电路122’、124’、126’。保护电路122’用以防止第一侦测端e1与第二侦测端e2短路。保护电路124’用以避免使用者提供过大的电流而烧毁电路。当第二电阻r2具有较小的电阻值时，保护电路126’用以避免具有大电流的待量测信号使第二电阻r2毁损。

请接着参照图3，图3为根据本发明又一实施例所绘示的信号量测装置的功能方块图。在图3所示的实施例中，信号量测装置1”用以量测待量测信号的电压大小。信号量测装置1”的电路架构大致上相仿于图2中的信号量测装置1’，不同之处在于，信号量测装置1”藉由电阻r1”～r4”与二极管d1～d4组成分压电路，并经由可编程增益放大器128”(programmablegainamplifier，pga)依据分压电路的输出信号提供侦测信号。其中，可编程增益放大器128”受控于数字信号处理器182。换句话说，数字信号处理器182除了可以藉由分别调整第一放大器142的增益或第二放大器162的增益来调整设定量测范围与补偿量测范围之外，数字信号处理器182更可以藉由调整可编程增益放大器128”的增益来调整设定量测范围或补偿量测范围。

依据上述，本发明提供了一种信号量测方法，请接着参照图4以进行说明，图4为根据本发明一实施例所绘示的信号量测方法的方法流程图。于步骤s101中，电性连接待测物以产生侦测信号。于步骤s103中，依据侦测信号与设定量测范围产生第一量测信号，设定量测范围为多个预设量测范围其中之一。于步骤s105中，依据侦测信号与补偿量测范围产生第二量测信号，补偿量测范围的上限不小于所述的预设量测范围其中任一的上限。于步骤s107中，判断第一量测信号的信号值大小是否大于当前的设定量测范围的上限。于步骤s109中，当判断若第一量测信号的信号值大小大于当前的设定量测范围的上限时，则依据第二量测信号的信号值大小将设定量测范围切换为所述的预设量测范围其中另一。

于一实施例中，当于第一时间切换设定量测范围为预设量测范围其中另一时，依据第一时间的第二量测信号补偿第一时间的第一量测信号。相关细节如前述，于此不再重复赘述。

此外，于实务上，所述的设定量测范围可被依据第一量测信号的信号值大小进行调整。所述的预设量测范围分别对应于不同的多个量测门槛值。在一实施例中，先判断第一量测信号是否不小于当前的设定量测范围所对应的量测门槛值。当判断第一量测信号不小于当前的设定量测范围所对应的量测门槛值时，切换设定量测范围为预设量测范围其中另一。调整后的设定量测范围的上限大于调整前的设定量测范围的上限。举例来说，当前的设定量测范围例如为0毫安至20毫安，对应的门槛值为16毫安。当第一量测信号的信号值为17毫安时，即切换设定量测范围为0毫安至50毫安。藉此，以使设定量测范围能对应于第一量测信号的信号值范围预作调整，避免侦测信号被剪除。

于实务上，补偿量测范围也可依据量测情况而被调整，请接着参照图5以进行说明，图5为根据本发明另一实施例所绘示的信号量测方法的方法流程图。在此实施例中，第二量测电路具有第一补偿范围与第二补偿范围，补偿量测范围为第一补偿范围与第二补偿范围其中之一。第一补偿范围的上限于小于第二补偿范围的上限。第一补偿范围对应于第一门槛值。于步骤s201中，当补偿量测范围为第一补偿范围时，判断第二量测信号的信号值大小是否小于第一门槛值。于步骤s203中，当判断第二量测信号的信号值大小不小于第一门槛值时，将补偿量测范围切换为第二补偿范围。

举例来说，第一补偿范围例如为0毫安至300毫安，第一门槛值为290毫安，第二补偿范围例如为0毫安至500毫安。当前述的数字信号处理器182判断第二量测信号的信号值大小已等于或大于第一门槛值时，数字信号处理器182指示第二量测电路16将第一补偿范围切换为第二补偿范围。藉此，以使信号量测电路在电路能力范围内尽可能地避免第二量测信号失真，从而避免无法自第二量测信号补偿第一量测信号的窘境。

此外，除了调大设定量测范围的上限之外，于本发明所提供的信号量测装置与信号量测方法中亦可依实际清况适当地调降设定量测范围的上限，以使第一量测信号具有较佳的分辨率。请接着参照图6以进行说明其中一种做法，图6为根据本发明另一实施例所绘示的信号量测方法的方法流程图。于此实施例中，所述的多个预设量测范围中定义有一第一量测范围与至少一第二量测范围。当前的设定量测范围的上限大于第一量测范围的上限与至少一第二量测范围的上限，至少一第三量测范围的上限大于当前的设定量测范围的上限，第一量测范围的上限大于至少一第二量测范围的上限。于信号量测方法的步骤s301中，取得第一量测信号于调降参考时间区间中的有效参考值。于步骤s303中，判断有效参考值是否小于第一量测范围的上限或小于至少一第二量测范围的上限。于步骤s305中，当判断有效参考值小于第一量测范围的上限或小于至少一第二量测范围的上限时，将设定量测范围切换为第一量测范围。

所述的有效值例如为第一量测信号的连续多个取样点的均方根值(rootmeansquarevalue，rmsvalue)。举例来说，当前的量测范围例如为0毫安到200毫安，第一量测范围为0毫安到50毫安，第二量测范围有两个，分别为0毫安到20毫安与0毫安到5毫安。当第一量测信号于调降参考时间区间中的均方根值为30毫安时，前述的数字信号处理器182指示第一量测电路14将设定量测范围调整为第一量测范围，也就是0毫安到50毫安。此举的意义在于，所述的有效值例如用以代表第一量测信号的长期趋势变化，也就是说，当有效值落于某个量测范围时，代表第一量测信号的后续取样点的大小都很有可能落于此量测范围。因此，当有效值落于比当前的设定量测范围还要小的量测范围时，数字信号处理器182指示第一量测电路14调整设定量测范围，以取得较佳的分辨率，且在参考有效值作决定的情况下，调整后的设定量测范围不致于太小而剪除了侦测信号。

延续前述，当第一量测信号于调降参考时间中的均方根值为15毫安时，数字信号处理器182还是指示第一量测电路14将设定量测范围调整为第一量测范围，也就是0毫安到50毫安。此举是为了避免过度快速地调降设定量测范围的同时，侦测信号的电流值或电压值突然升高而使得侦测信号的峰值被剪除。

请接着参照图7说明调降设定量测范围的另一种做法，图7为根据本发明又一实施例所绘示的信号量测方法的方法流程图。于步骤s401中，判断第一量测信号于模板参考时间中是否符合信号模板。于步骤s403中，当判断第一量测信号于模板参考时间中符合信号模板时，调整设定量测范围为所述的预设量测范围中的第一量测范围。其中，所述的预设量测范围中进一步定义有至少一第二量测范围，第一量测范围的上限不小于第一量测信号的最大值，第一量测范围的上限小于至少一第二量测范围的上限。

需先说明的是，图7所示实施例中的第一量测范围与第二量测范围的定义并不同于图6所示实施例中的第一量测范围与第二量测范围的定义。所述的信号模板(signalpattern)例如指信号的变化幅度或是信号波形的升降趋势等等，此为所属技术领域技术人员经详阅本说明书后可自行定义，在此并不加以限制。另一方面，模板参考时间等同于一观察时间，在此同样不加以限制。当第一量测信号于模板参考时间中符合信号模板时，代表第一量测信号应会符合一定的规律。因此，在适当地选择信号模板后，即可判断符合信号模板的第一量测信号的电压值或电流大小会位于某个范围中。此时，设定量测范围即可被调整为此实施例中的第一量测范围。从另一个角度来说，此实施例中的第一量测范围的上限为所有的预设量测范围的上限中最接近第一量测信号的最大值且大于第一量测信号的最大值。

请接着参照图8以进行说明，图8为根据本发明再一实施例所绘示的信号量测方法的方法流程图。于步骤s501中，判断第一量测信号于变动参考时间区间中的最大值。于步骤s503中，判断侦测信号于变动参考时间区间中的平均值。于步骤s505中，判断最大值与平均值的差值是否小于差值阈值。于步骤s507中，判断于变动参考时间区间中，第一量测信号小于参考阈值的统计时间。于步骤s509中，判断统计时间是否小于时间阈值。于步骤s511中，当判断最大值与平均值的差值小于差值阈值，且判断统计时间小于时间阈值时，调整设定量测范围为预设量测范围其中之一，调整后的设定量测范围的上限大于最大值。于步骤s513中，当判断最大值与平均值的差值不小于差值阈值，且判断统计时间不小于时间阈值时，调整设定量测范围为所述的预设量测范围其中之一，调整后的设定量测范围的上限不大于最大值。

在此实施例中，依据第一量测信号的变动程度来决定是否调整设定量测范围以及如何调整设定量测范围。进一步来说，当第一量测信号于变动参考时间区间中的最大值与平均值的差异较大时，代表第一量测信号的信号值变化相对剧烈。反过来说，当第一量测信号于变动参考时间区间中的最大值与平均值的差异较小时，代表第一量测信号的信号值相对稳定。另一方面，于此实施例中进一步判断第一量测信号小于参考阈值的时间，藉此以简单且有效地判断第一量测信号的信号值分布。

因此，如同步骤s511所述地，当判断最大值与平均值的差值小于差值阈值，且判断统计时间小于时间阈值时，代表第一量测信号值变化相对快速，但是变化范围并不大。此时，调整设定量测范围为所述的预设量测范围其中之一，调整后的设定量测范围的上限大于最大值，藉此以避免太频繁地切换设定量测范围，而有出错的风险。由于第一量测信号的变化范围不大，此举也可使第一量测信号具有相当不错的分辨率。另一方面，如同步骤s513所述地，当判断最大值与平均值的差值不小于差值阈值，且判断统计时间不小于时间阈值时，代表第一量测信号的信号值相对稳定，但是一旦第一量测信号发生变化时，第一量测信号的变化幅度会相当大。此时，调整设定量测范围为所述的预设量测范围其中之一，调整后的设定量测范围的上限不大于最大值。藉此，以使第一量测信号在大部分时间都具有较佳的分辨率，且当信号产生变化时，控制电路亦可如前述地依据第二量测信号调整设定量测范围，并依据第二量测信号补偿第一量测信号，从而让第一量测信号仍然保有正确的量测结果。

综合以上所述，本发明提供了一种信号量测装置与信号量测方法。所述的信号量测装置与信号量测方法具有一设定量测范围与一补偿量测范围。设定量测范围切换于多个预设量测范围。藉此，所述的信号量测装置与信号量测方法得以藉由切换设定量测范围以试图用最接近于待量测信号的动态范围的量测范围来量测待量测信号，藉以使量测结果具有较佳的分辨率。另一方面，补偿量测范围涵盖所有的预设量测范围，因此，理想上所述的信号量测装置与信号量测方法可依据补偿量测范围取得未经剪除(clip)的量测结果，且所述的信号量测装置与信号量测方法可依据此未被剪除的量测结果来切换设定量测范围于所述的多个预设量测范围，以使设定量测范围能够在涵盖待量测信号的动态范围之外更能使量测结果具有较佳的分辨率。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。