CN100414305C

CN100414305C - 用光控电子开关的自动选择功能万用表

Info

Publication number: CN100414305C
Application number: CNB2003101121753A
Authority: CN
Inventors: 臧玉伦
Original assignee: 臧玉伦
Current assignee: Taicang Ditaike Instrument Co., Ltd.
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-11-13
Also published as: CN1616973A

Abstract

本发明涉及一种新颖的数字万用表，本发明的用光控电子开关的自动选择功能万用表，包括选择开关、控制电路、完成自动量程万用表工作所需的电路部分及外围器件、显示器、内部程序和微处理器，其特征在于所述的控制电路根据直流电压或交流电压或电阻或电流等不同的被测量，产生输出控制至少一个光控电子开关的导通或关断，形成对应的测量回路。本发明与现有技术相比，实现控制电路和测量电路之间的高度隔离，避免两者相互影响，开关速度快，寿命长，也提供了更好的安全性。

Description

用光控电子开关的自动选择功能万用表

技术领域

本发明涉及一种新颖的数字万用表，通过使用光来控制半导体开关，配合一些判别电路和自动量程的模拟-数字转换器，实现了根据测量对象自动选择测量功能和测量量程的数字万用表。

背景技术

现有的数字万用表通常是用机械的旋转式或按键式功能选择开关，来由使用者自己判别和选择测量功能。例如根据被测对象是直流电压、交流电压还是电阻或直流电流、交流电流等，使旋转开关转动到相应的功能测量档位，通过金属接触点产生一些电气的连接，形成一定的直流电压、交流电压或是电阻或电流的测量电路。自动量程的数字万用表在选定一种测量功能后，可以根据被测对象的大小通过内部电子开关的不同组合自动选择合适的量程，因此它可以在选定一种测量功能后(例如直流电压)，只用一个档位完成不同大小被测量值(例如直流电压)的测量；对于手动量程的多用表，需要几个档位来对应不同大小被测量值(例如直流电压)的测量来完成某一种测量功能的整个测量范围的测量。它们不能自动选择测量功能。

已经有在自动量程数字万用表的基础上增加自动选择测量功能的设计。但是由于所使用的开关是用一般的电子开关或继电器，由于性能上的问题或寿命上的问题，做出的产品并无多大的实用价值。

本发明的任务是要提供一种新型的数字万用表，它能够根据被测量的对象是直流电压、交流电压还是电阻或交直流电流，自动选择测量功能，并且具备自动量程的特点。而且它可以完全达到其它数字万用表一样的技术性能，例如测量准确度、输入阻抗等，并且具备更好的安全性。在最简单的情况下，仅需要一个电源开关完成这万用表的开与关，对直流电压、交流电压或是电阻或交直流电流的测量完全自动判别和完成。

发明内容

本发明的任务是以如下方式完成的：本发明的用光控电子开关的自动选择功能万用表，包括光控电子选择开关、控制电路、完成自动量程万用表工作所需的电路部分及外围器件、显示器、内部程序和微处理器，其特征在于所述的控制电路根据直流电压或交流电压或电阻或电流等不同的被测量，产生输出控制至少一个光控电子开关的导通或关断，形成对应的测量回路。

本发明所述的光控电子开关是由通电发光，断电熄灭的发光器件和光敏的电子开关器件组成。光控电子开关可以使用光敏半导体器件作为开关器件；由发光二极管或其它电光器件作为可控光源，控制光敏半导体器件的开与关。所述的光敏半导体器件可以是使用光电池与普通半导体开关器件的组合来构成，所使用的半导体开关器件要求耐高电压，关断时低的漏电和导通时小的电阻。目前最适用的是VMOS晶体管。

本发明也可以在检测输入使用四个光控电子开关，用于实现不同的测量功能所需要的线路变换，并分别连接DIGITEK-3微处理器的K1、K2、K3、K4端。DIGITEK-3微处理器，自动选择测量功能时分辨电压测量和电流测量功能的门限值。DIGITEK-3微处理器在输入端开路时，对外加被测量的量进行不断的测量功能扫描以加快判别的响应速度。测量高阻值电阻或开路时，会自动断开开关S2接通S4，形成与通常测量较低阻值电阻时不同的测量线路，成为一个高输入阻抗的电路。通过增加一个选择按键，可以进入或退出自动选择测量功能，转为按一次转换一次测量功能，这些测量功能可以包括自动选择测量功能无法自动判别的内容，如频率，电容，二极管，通断等测量。可增加数据保持，最大值，最小值显示及RS232通信功能等附加功能。

本发明与现有技术相比，用光控制的电子开关来代替现有的机械式开关来完成接通或断开的功能；根据万用表的被测对象的特征，判别被测量的对象是直流电压、交流电压还是电阻或电流，然后控制相应电子开关的通断，使万用表构成适当的测量电路，完成所需的测量。这些都可以由内部的安装了适当程序的微处理器来辅助进行。光控制的电子开关是由通电发光，断电熄灭的发光器件(例如发光二极管)和光敏的电子开关器件组成。使用光控制的电子开关可实现控制电路和测量电路之间的高度隔离，避免两者相互影响，开关速度快，寿命长，也提供了更好的安全性。并且如果需要的话，可以只通过一个按键来选择更多的测量功能。

附图说明

图1是本发明的原理电路图。

图2是本发明光控电子开关的原理电路图。

图3是增加一个功能选择键，实现只用一个键选择测量功能的数字万用表的原理图。

图4是增加辅助功能选择键数字万用表的原理图。

下面结合附图说明对本发明作进一步详细的描述：在图1中，包含了光控电子开关，显示器，和用IC1表示的电路部分，及说明工作原理所需的部分外围器件，和输入被测未知量的输入端子。图1中的方框IC1的内部包含了以下几个功能部分：一个能完成万用表自动量程测量的功能部分；判别被测量的对像是直流电压，交流电压还是电阻或电流的判别电路；以及显示器驱动电路和光控电子开关的驱动电路，和安装了适当程序的微处理器。它们可以是由几块电路组成，也可以集成在一块集成电路中。

在测量电压和电阻时，被测对象接在数字万用表的″V/OHM″和″COM″两个输入端子之间；在测量电流时，被测电流接在数字万用表的″A″和″COM″两个输入端子之间，在分流器R10上产生与被测电流大小对应的电压降。或者在钳形万用表的情况下这信号来自于钳头的传感器。

光控电子开关的原理说明如下：参照图2，使用光敏半导体器件S作为开关器件；由发光二极管D或其它电光器件作为可控光源，控制光敏半导体器件S的开与关(导通与断开)；通过对发光器件通电与否，形成一个通过光耦合来控制的开关，并实现控制信号与开关器件之间的隔离。光敏半导体器件S也可以是使用光电池与普通半导体开关器件的组合来构成。所使用的半导体开关器件要求耐高电压，关断时低的漏电和导通时小的电阻，目前最适合本发明使用的半导体开关器件是VMOS晶体管。图1中使用了4组光控电子开关，即D1-S1，D2-S2，D3-S3，D4-S4。

自动选择测量功能，首先要判别数字万用表的″V/OHM″和″COM″两个输入端子之间输入的是电压还是电阻。在本发明中是同时具备两种判别方法：数字的和模拟的，以达到更好的效果。

数字方法是利用自动量程数字万用表测量电阻时，在万用表的″V/OHM″和″COM″两个输入端子之间出现的最大电压不超过+0.45V，也不会出现负电压的特点。例如可以把直流电压的门限值定为+0.5V和-0.1V。在测量过程中不断的把测量到的这两个输入端子之间出现的电压值，与储存在内部存贮器中的数据值进行比较，在检测到超过门限值的电压时自动进入电压测量状态，否则就进入电阻测量状态。也可以规定几个不同的门限值储存在内部存贮器中，使用者通过对电路的控制端的选择来选择不同的门限值。在检测到超过所选门限值的电压时自动进入电压测量状态，否则就进入电阻测量状态。对直流和交流可以规定不同的门限值，例如规定判定直流电压的门限值为0.5V，交流电压的门限值为3V等。

对于突然加上的大电压，高于万用表内部电源电压时，会通过电阻测量线路影响到内部电压的变化，当变化达到一定的程度时，会被内部电路检测出来，自动转入电压测量状态。这是模拟比较的方式。

按照此发明制成的数字万用表进行测量时，将会根据数字万用表的″V/OHM″和″COM″两个输入端子之间是否有超过设计规定的门限电压，和内部电路是否检测到外加的电压引起的变化，来决定是否由电阻测量状态转到电压测量状态。

在进入电压测量状态时，将通过对交直流转换器的状态检测判断被测的是直流电压还是交流电压，以决定在测量时是否要进行交流/直流转换。

在数字万用表的″V/OHM″和″COM″两个输入端子之间没有检测到超过设计规定的门限电压的电压值时，进入电阻测量状态。如果测得的电阻数值在数字万用表的最大测量范围之内，就处于电阻测量状态。如果测得的电阻数值超出数字万用表的最大测量电阻范围，就在显示一个表示超量程的符号同时进入到功能扫描状态。

功能扫描状态是指不断地通过光控电子开关的不同组合和IC1内部电子开关的不同组合，使万用表处于″测量电压→测量电阻→测量电流→测量电压……″功能的试探性测量循环中。在进入到″测量电流″功能状态时，将检测输入端″A″的电压值是否超过设计规定的门限值(此门限值与直流电压和交流电压的门限值不同)，如果检测到输入端″A″的电压值超过设计规定的门限值，则进入电流测量状态。而这时光控电子开关将停留在电压测量时一样的安全状态。如果所制作的万用表不需要电流测量功能，可以取消输入端子″A″。

功能扫描状态使万用表能加快对输入信号的判别响应速度。

下面叙述在不同测量状态下光控电子开关的通断情况：

在电压测量功能状态，IC1的K1的输出使发光二极管D1导通发光，D1的光线使光控电子开关S1导通，使精密电阻R4-R8的公共端连接到COM(地)。而另外三个光控电子开关S2，S3，S4，由于K2，K3，K4的输出没有使相联接的发光二极管导通发光，均处于断开状态。在测量时，由数字万用表的″V/OHM″和″COM″两个输入端子之间输入的被测电压，经热敏保护电阻R2和精密电阻R3加到IC1内部自动量程电路的输入端。而连接到IC1内部自动量程电路端子的精密电阻R4-R8的公共端，通过开关S1接到″COM″输入端子(地)。如同常见的自动量程数字万用表测量电压的工作原理一样，R3与R4-R7通过内部的电子开关，可以组合成1，10，100，1000，10000倍的分压器，使不同的被测电压被分压到基本量程以内完成测量。

如果检测到的电压值小于设计规定的门限电压值，万用表将进入电阻测量状态。为了更进一步提高数字万用表的保护功能，本发明对光控电子开关的通断情况进行了特别设计。

通常自动量程数字万用表在测量电阻时使用比例法，即让被测电阻与标准电阻流过同样的电流，测量被测电阻与标准电阻上电压降的比值来确定被测量电阻的大小。在测量时，把作为标准的电阻R3，R4，R5，R6，R7的一个端子连接在一起，这些电阻的另一端由集成电路内部的电子开关控制，根据被测电阻的大小改变选择某些电阻作为比较用的标准电阻。按照此原理，我们在图一中使光控电子开关S2和S3导通，而S1和S4断开，就可以构成典型的自动量程数字万用表测量电阻的线路。

这时，用来作为标准电阻的R4-R7的公共端通过S2与R3和R2的连接点接在一起。IC1的RL端子通过电阻R8可以取样到这公共端的电压值，以确定在标准电阻上的电压降的大小。而IC1的SMV端子则通过S3和电阻R1连接到万用表的测量输入端″V/OHM″，可以取样到被测量电阻上的电压降的大小。根据被测量电阻值的大小，使不同的标准电阻接入，就可以自动测量阻值不同大小的电阻。但是在电阻测量功能状态时，当使用者错误地去测量电压时，高电压通过标准电阻加到集成电路上，可能会对万用表造成破坏。因此，需要加入保护电路，通常是使用热敏电阻加晶体管的保护线路，其缺点是对被测电压源会形成一个低阻抗的负载，要随着热敏电阻的发热才逐步变为高阻抗负载。

进行通常的电压或电阻测量时，数字万用表的两个输入测试棒将插在数字多万用表的″V/OHM″和″COM″两个输入端子之间。在本发明中，提供了一种特别的内部保护。其方法为：在电阻测量时，当被测电阻值大于一定数值，仅使用R3作为标准电阻时，断开S2接通S4。IC1的RL端子通过电阻R8与SMV连接在一起，用SMV的电压也就是测量输入端″V/OHM″的电压来确定在标准电阻上的电压降的大小，由于R2的阻值与R3相比很小，其造成的误差可以忽略。当使用者把按本专利制作的数字万用表的两个输入测试棒分开，准备测量电压时，数字万用表处于功能扫描状态，在功能扫描状态正好处在选择电压或电流测量时，由于光控电子开关处于电压测量功能时一样的状态，都保持着很高的输入阻抗，在突然接入被测电压时是安全的。如果在可能出现需要保护的电阻测量状态，由于测试棒分开相当于被测电阻为很大，S2被断开，被测电压只通过R1和R2-R3两个高阻抗通路加到测量线路上，在突然接入被测电压时，对数字万用表和外部被测电压源都不会有影响，起到良好的保护作用。解决了通常的数字万用表在电阻测量功能状态接到电压源时出现低阻抗的情况，对数字多用表本身和被测电压源都提供了更好的保护和安全性。

按本发明设计自动选择功能的数字多用表时，如果对数字万用表的技术指标要求不高，例如输入阻抗只要1兆欧姆时，可以把开关S1，S3，S4换成不是用光控制的普通半导体开关，而开关S2仍必须使用光控的方式。也就是说，本发明的基本特征是，在构成自动选择功能的数字多用表时最少可使用一组光控半导体开关。

如果全部不使用光控半导体开关，将使所制成的自动选择功能的数字万用表性能变得很差，例如测量电压时输入阻抗很低，测量误差大，消耗被测电压源的功率大，甚至对被测电压源造成不良影响，对高阻值的电阻测量困难等等。如果使用机械继电器来替代上述的光控半导体开关，制成的产品可以达到与本发明产品大体相当的技术性能，但由于机械继电器的寿命问题，使得它没有实用价值。这两者都不在本发明的范围以内。

在上述发明的基础上，对于一些无法进行自动功能判别来选择测量功能的测量对象，由于可以通过内部程序控制光控半导体开关来构成所需要的功能测量线路，可以利用自动量程数字万用表集成电路所具备的其它测量功能，例如测量频率、占空比、电容、二极管、通断等功能，发展出只用一个按键来选择测量功能的数字万用表。也就是说只要加上如图3所示的一个功能选择键，按动这个键时，在内部程序控制下可以进入或退出自动功能选择状态，按照不同的测量功能调整内部的电子开关和控制光控半导体开关，成为固定在某一测量功能状态上进行测量。通过一次次按动这功能选择键，可以变换和选择测量功能。例如：开机初始状态是自动功能选择状态，按动功能选择键时将进入电阻测量功能；再按一次进入交流电压测量功能；再按时依次进入直流电压测量，频率测量，占空比测量，二极管测量，通断测量，电容测量，直流电流测量，交流电流测量，然后又回到电压、电阻和电流的功能自动选择测量状态。

在上述发明的基础上，完全可以增加一些在普通自动量程数字万用表上常见的如数据保持，最大值，最小值显示，差值显示等附加功能和连接外部电脑的RS232通信功能等，如图4所示。图中的按键用于选择这些辅助功能。

Claims

1. 一种用光控电子开关的自动选择功能万用表，包括选择开关、控制电路、完成自动量程万用表工作所需的电路部分及外围器件、显示器、内部程序和微处理器，其特征在于所述的控制电路根据直流电压或交流电压或电阻或电流不同被测量，产生输出控制至少一个光控电子开关的导通或关断，形成对应的测量线路。

2. 根据权利要求1所述的用光控电子开关的自动选择功能万用表，其特征在于所述的光控电子开关是由通电发光、断电熄灭的发光器件和光敏电子开关器件组成。

3. 根据权利要求2所述的用光控电子开关的自动选择功能万用表，其特征在于所述的光控电子开关使用光敏半导体器件作为开关器件；由发光二极管或其它电光器件作为可控光源，控制光敏半导体器件的开与关。

4. 根据权利要求3所述的用光控电子开关的自动选择功能万用表，其特征在于所述的光敏半导体器件是使用光电池与普通半导体开关器件的组合来构成，所使用的半导体开关器件要求耐高电压、关断时低的漏电和导通时小的电阻的VMOS晶体管。

5. 根据权利要求1所述的用光控电子开关的自动选择功能万用表，其特征在于所述的检测输入使用多达四个光控电子开关，用于实现不同的测量功能所需要的线路变换，并分别连接DIGITEK-3微处理器的K1、K2、K3、K4端。

6. 根据权利要求1所述的用光控电子开关的自动选择功能万用表，其特征在于所述DIGITEK-3微处理器自动选择测量功能时，分辨交直流电压测量和电流测量功能时设置不同门限值。

7. 根据权利要求6所述的用光控电子开关的自动选择功能万用表，其特征在于所述的DIGITEK-3微处理器在输入端开路时，对外加被测量的量进行不断的测量功能扫描以加快判别的响应速度。

8. 根据权利要求7所述的用光控电子开关的自动选择功能万用表，其特征在于测量高阻值电阻或开路时，会自动断开开关S2、接通S4，形成与通常测量较低阻值电阻时不同的测量线路，成为一个高输入阻抗的电路。

9. 根据权利要求7所述的用光控电子开关的自动选择功能万用表，其特征在于增加数据保持、最大值、最小值显示及RS232通信功能。

10. 根据权利要求1所述的用光控电子开关的自动选择功能万用表，其特征在于通过增加一个选择按键，进入或退出自动选择测量功能，转为按键一次，便转换一次如频率，电容，二极管，通断测量。