CN101587141B

CN101587141B - 具有自动切换低通滤波器功能的测量装置

Info

Publication number: CN101587141B
Application number: CN2008101079157A
Authority: CN
Inventors: 黎俊良
Original assignee: Cyrustek Co
Current assignee: Cyrustek Co
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2028-05-21
Also published as: CN101587141A

Abstract

一种具有自动切换低通滤波器功能的测量装置，包括：一控制电路，用以控制该测量装置的运作并提供一参考频率；一频率检测电路，是与输入端及控制电路连接，并输出一高频控制信号；一低通滤波器，是将输入端的待测信号过滤后，输出一频率信号，同时低通滤波器与频率检测电路连接；一频率运算电路，是与控制电路及低通滤波器所输出的频率信号连接，同时，频率运算电路输出一中频控制信号至低通滤波器以及输出一频率测量值至一显示器；一电压测量电路，是与低通滤波器及控制电路连接，并将电压测量值送至显示器。

Description

具有自动切换低通滤波器功能的测量装置

技术领域

本发明是有关于一种电性测量装置及其测试的方法，特别是有关于一种在万用电表上配置具有自动切换功能的低通滤波器。

背景技术

一般的低频信号，往往容易搭载噪声，例如：在测量的市电时，由于市电的频率多为50Hz或60Hz的低频信号，故低频信号本身便很容易受到干扰，而常有噪声，此噪声会影响其真有效值(true RMS)的运算结果，而导致电压测量值的误差。另外，以高级的万用电表为例，在测量AC电压的同时亦可测量信号的频率，而如果噪声的振幅如果过大，也会使施密特触发器(Schmitttrigger)产生多余的脉波信号(pulse)，而导致频率测量的结果偏大。

因此，为了滤除高频噪声，通常会使用低通滤波器(Low-passfilter)来将高频噪声滤除。但是加入低通滤波器之后，若输入信号本身即为一高频信号时，其振幅(amplitude)会被低通滤波器衰减(attenuation)，甚至完全滤除。换句话说，当输入信号本身的频率高到接近低通滤波器的-3db频率时，经滤波后的信号其振幅便会开始衰减，而且频率越高，衰减得越严重。因此，若将低通滤波器直接应用在测量装置进行滤波时，其固然可将有效地将低频待测信号上的噪声滤除，但是当待测信号为一高频信号(即非高频噪声)时，此高频信号的振幅被衰减的结果，会造成运算结果偏低，而导致测量到的数值偏低，让使用者受到误导。例如：若低通滤波器的-3db频率为1KHz，而当输入端的待测信号为一个10KHz/300V的高压信号，且信号的频率很明显的高于低通滤波器的-3db频率，此时会因信号的振幅被衰减，而使得测量到的数值严重偏低，将有可能让使用者忽略而有被电伤的危险。此外，再以高级的万用电表为例，通常在电表测量到待测信号的电压值或电流值大到超过默认值时，电表上的蜂鸣器(buzzer)会鸣叫来警告使用者，若因激活低通滤波器而使测量值偏低时，蜂鸣器将有可能失去示警的作用。另外，若信号振幅衰减得太严重，也会导致施密特触发器无法产生脉波，使得频率无法正常测量。

美国专利US7034517 B2中曾经公开一种手动启动低通滤波器的方法，由使用者自行判断是否应该启动低通滤波器，并通过按压测量装置上的按键来启动。但是若使用者启动低通滤波器后，而其测量的信号的频率会随时间而改变成高频信号时，也有可能造成测量上的误差而不自知。

为了兼顾滤除高频噪声以及维持高频信号测量的正确性，本发明提供了一个自动切换的机制，使得低通滤波器可以依据输入端的信号状态做不同的切换，以提高测量的正确性与方便性。

即在预设的状态下，让低通滤波器处于启动状态，此时测量装置内部可以透过开关选取进行测量；而输入信号本身的频率经过运算，其频率接近或高于Low-passfilter的-3db频率时，则自动将Low-pass filter的-3db频率提高；若检测到输入信号为一个高频的信号时，则自动将Low-pass filter关闭，并选取未经滤波的信号进行测量，以提高测量的正确性与方便性。

发明内容

如前所述，本发明为应用于测量装置中提供了一个具有自动启动与关闭功能的低通滤波器，然后再透过频率检测电路与频率运算电路，能得知待测信号的频率高低。故本发明的一主要目的是在测量装置上提供一个具有自动启动与关闭功能的低通滤波器，以避免测量到错误的数值。

本发明的另一主要目的是在测量装置上提供一个具有自动启动与关闭功能的低通滤波器，以提高测量的正确性与方便性。

依据上述的目的，本发明公开首先一种具有自动切换低通滤波器功能的测量装置，包括：一控制电路，用以控制该测量装置的运作，并提供一参考频率；一频率检测电路，是与一输入端及该控制电路连接，并输出一高频控制信号；一低通滤波器，是将该输入端的待测信号过滤后，输出一频率信号，同时，该低通滤波器与该频率检测电路连接；一频率运算电路，是与该控制电路及该低通滤波器所输出的频率信号连接，同时，该频率运算电路输出一中频控制信号至该低通滤波器以及输出一频率测量值至一显示器；一电压测量电路，是与该低通滤波器及该控制电路连接，并将电压测量值送至该显示器。

本发明接着公开一种低通滤波器电路，是由一第一操作放大器、一第二操作放大器、一第一电容器、一第二电容器以及多个电阻所组成，其中该第一操作放大器的正输入端与一输入端连接，而该低通滤波器电路的特征在于：该第一操作放大器与该第一电容之间经由一第一开关连接，其中该第一开关的输入端配置有多个切换位置，而该多个切换位置与该多个电阻值不相同的电阻连接至该第一操作放大器的负输入端及该第一操作放大器的输出端，而该第一电容器的第一端与该第一开关的输出端连接；该第二操作放大器与该第一电容之间经由一第二开关连接，其中该第二开关的输入端配置有多个切换位置，而该多个切换位置与该多个电阻值不相同的电阻连接至与该第一开关的输出端，而该第二开关的输出端与该第二电容器及该第二操作放大器的正输入端连接以及该第二操作放大器的输出端与该第一电容器的另一端及该第二操作放大器的负输入端连接。

本发明接着提供一种配置于测量装置中的低通滤波器的自动切换方法，包括：提供一待测信号，是自测量装置的输入端进入；提供一控制电路，用以控制测量装置的运作，并提供一参考频率；提供一频率检测电路，是与测量装置的输入端及控制电路连接，并输出一高频控制信号；提供一低通滤波器，是与测量装置的输入端连接并将输入端的待测信号过滤后，输出一频率信号，同时，低通滤波器与频率检测电路连接并且低通滤波器中配置有一频率切换电路；提供一频率运算电路，是与控制电路及低通滤波器所输出的频率信号连接，同时，频率运算电路输出一中频控制信号至低通滤波器；提供一电压测量电路，是与低通滤波器及控制电路连接；其中

当待测信号经由频率检测电路检测为一高频信号时，频率检测电路会送出一高频(HF)控制信号，役使低通滤波器关闭，同时，将未经滤波的高频信号分别送入电压测量电路进行电压测量，以及频率运算电路进行频率运算，最后将此高频信号的电压与频率测量值由显示器显示；或是，

当待测信号为一低频信号时，此低频信号会通过低通滤波器并经过该频率运算电路与电压测量电路后，分别将低频信号的电压与频率测量值由显示器显示；或是，

当待测信号为一介于低频信号与高频信号之间时，待测信号会经过低通滤波器并经过频率运算电路运算后，由频率运算电路送出一个中频(MF)控制信号至低通滤波器以驱动该频率切换电路，以得到一较高的-3db频率，经过滤波后的信号并经过该频率运算电路与电压测量电路后，再将待测信号的测量值由显示器显示。

附图说明

图1是本发明的电路的功能方块图；

图2是本发明的具有自动启动与关闭功能的低通滤波器的电路示意图；

图3是本发明的低通滤波器的电路的实施例；

图4是本发明定义的LF、MF与HF与低通滤波器输出的-3db频率的相对关系；

图5是本发明的频率检测电路的实施例；

图6是本发明的频率检测电路的实际运作情形；

图7是一个典型的低通滤波器的电路。

【主要组件符号说明】

110 控制电路

120 频率运算电路

130 频率检测电路

140 低通滤波器

150 均方根值转换器

155 电压测量电路

160 数字/模拟转换器

170 显示器

SW 开关

ST 施密特触发器

OP 操作放大器

具体实施方式

本发明在此所探讨的方向为一种电性测量装置，例如：一种高级的万用电表；特别是一种具有自动启动与关闭功能的低通滤波器的电性测量装置。为了能彻底地了解本发明，将在下列的描述中提出详尽的电路的组成。显然地，本发明的施行并未限定于测量装置的技艺者所熟习的特殊细节。另一方面，众所周知的测量装置或测量步骤等，并未描述于细节中，以避免造成本发明不必要的限制。本发明的较佳实施例会详细描述如下，然而除了这些详细描述之外，本发明还可以广泛地施行在其它的实施例中，且本发明的范围不受限定，其以之后的专利范围为准。

首先，请参考图1，是本发明的具有自动切换低通滤波器功能的测量装置的方块图。如图1所示，此测量装置包括：一个控制电路110，用以控制测量装置的整体运作并提供一个参考频率(reference frequency；Fr)至频率检测电路130；而频率检测电路130与输入端及控制电路110连接并输出一高频控制信号；一个低通滤波器140，是配置有一频率切换电路(未显示于图1中)，并可将输入端的待测信号过滤后，输出一频率信号，同时，此低通滤波器140与频率检测电路130连接；一个频率运算电路120，与控制电路110及低通滤波器140所输出的频率信号连接，同时，此频率运算电路120输出一中频控制信号至低通滤波器140以及输出一频率测量值至一显示器170；一个电压测量电路155，与低通滤波器140及控制电路110连接，并将电压的测量值送至显示器170。

依据图1所示的测量装置，当输入端的待测信号为一低频信号时，此低频信号会通过低通滤波器140，滤波后的信号分别传送至频率运算电路120与电压测量电路155，再将此低频信号的频率测量值与电压测量值传送至显示器170显示。当输入端的待测信号经由频率检测电路130检测为一个高频信号时，频率检测电路130会送出一个高频控制信号，役使低通滤波器140关闭，并通过开关SW2选取未经滤波的信号分别传送至频率运算电路120与电压测量电路155，再将此高频信号的频率与电压测量值由显示器170显示。当输入端的待测信号为一个介于低频信号与高频信号之间时，此待测信号会经过低通滤波器140，然后经过频率运算电路120运算后，由频率运算电路120送出一个中频(MF)信号至低通滤波器140，此时低通滤波器140将会驱动频率切换电路，可得到一个较高的-3db频率，以避免输入信号被衰减，滤波过后的信号并经过频率运算电路120与电压测量电路155后，再将待测信号的电压与频率测量值由显示器170显示。

接着，请参考图2，是本发明的具有自动启动与关闭功能的低通滤波器的电路示意图。如图2所示，此低通滤波器电路包括：控制电路110(Control circuit)、低通滤波器140(Low-passfilter)、至少一个施密特触发器(Schmitt trigger)、至少一个开关(Switch)、频率检测电路130(Frequency detectioncircuit)、频率运算电路120(Frequency evaluation circuit)、均方根值转换器150(RMS converter)、数字/模拟转换器(160A/Dconverter)及显示器170(Display)等等。其中控制电路110是用来控制整个系统的运作并且提供一个参考频率(Fr)；频率检测电路130与输入端及控制电路110连接，用以检测输入信号频率的高低，并依据检测的结果来控制开关；频率运算电路120与控制电路110连接，则是用来计算频率的数值(高低)，并依据计算频率的数值来控制低通滤波器140的切换，用以滤除高频噪声；施密特触发器(ST1，ST2)是用来将弦波转换成方波；开关SW1，SW2与频率检测电路130连接，用来切换信号的路径；均方根值转换器150是用来将输入信号转换成真有效值(true RMSvalue)，数字/模拟转换器160则是用来将输入端的模拟信号转换为数字信号，再经运算成为数值信号后，送到显示器170上显示测量数值。

如图2所示，测量装置可同时针对待测信号的电压及频率进行测量。首先，在测量装置开始测试前，开关SW1及开关SW2会预设在S0的位置，当一个待测信号从输入端(INPUT)进入后，待测信号先进入低通滤波器140，然后再经过开关SW2，再由均方根值转换器150转换成真有效值，然后再经由数字/模拟转换器160转换为电压值，最后将此电压值送至显示器170。

在上述对待测信号的电压进行测量的同时，待测信号的频率部分也同时进行测量。当待测信号为一个低频信号(例如：10Hz)，由输入端(INPUT)进入后，待测信号先进入低通滤波器140，然后通过开关SW2，再经由施密特触发器S T2将弦波转换成方波，此方波信号再经由开关SW1传送至频率运算电路120，最后将运算后的频率值传送至显示器170。

接着，请参考图7，是一个现有技术中典型的低通滤波器电路，由两个OP(Operational amplifier)及两个电阻及两个电容所组成。很明显地，当改变R1及R2的大小时，即可调整低通滤波器的-3db频率，并且当电阻值越小，低通滤波器的-3db频率将越高。

再接着，请继续参考图3所示，其为本发明的低通滤波器140的实施例，其是在图7的先进技术的电路中，再加上两个电阻(R3，R4)及两个开关(SW3，SW4)所组成，其中R3＜R1，而R4＜R2。

如图3所示，本发明的低通滤波器电路140，是由第一操作放大器OP1、第二操作放大器OP2、第一电容器C1、第二电容器C2以及多个电阻(R_n；n＝1，2，3，4…)所组成，其中第一操作放大器OP1的正输入端与一输入端连接，同时第一操作放大器OP1与第一电容器C1之间经由第一开关SW3连接，其中第一开关SW3的输入端配置有多个切换位置(S0，S1)，而多个切换位置与多个电阻值不相同的电阻连接至第一操作放大器OP1的负输入端及第一操作放大器OP1的输出端，而第一电容器C1的第一端与第一开关SW3的输出端连接；而第二操作放大器OP2与第一电容器C1的间经由第二开关SW4连接，其中第二开关SW4的输入端配置有多个切换位置(S0，S1)，而多个切换位置与多个电阻值不相同的电阻连接至第一开关SW3的输出端，而第二开关SW4的输出端与第二电容器C2及第二操作放大器OP2的正输入端连接以及第二操作放大器OP2的输出端与第一电容器C1的另一端及第二操作放大器OP2本身的负输入端连接。此外，两个开关(SW3/SW4)是由中频信号(MF)所控制，当中频信号(MF)为Low时，两个开关(SW3，SW4)均保持初始状态，即两个开关(SW3，SW4)均位于S0的位置，此时低通滤波器140所输出的-3db频率定义为ω₀；而当中频信号(MF)为High时，两个开关(SW3，SW4)均会被切换至S1的位置，此时低通滤波器140所输出的-3db频率定义为ω₁。很明显地，由于R3＜R1且R4＜R2，所以-3db频率ω₁大于-3db频率ω₀。

由于低通滤波器140的电路会使高频噪声(包含高频待测信号本身)衰减，甚至完全被滤除。因此，若一个高频待测信号(包括高频噪声或是高频待测信号)由图2的输入端(INPUT)进入后，待测信号会先进入低通滤波器140，此时，低通滤波器140的输出端(LPF_out)的振幅已被衰减，此一个被衰减过的信号，一方面被送到开关SW2的S0端点上；而在另一方面，由于低通滤波器140的输出端(LPF_out)的振幅已被衰减，若衰减得太严重时，将造成施密特触发器ST2无法将输入信号转换成方波信号，此时开关SW1的S0端点将收不到正常的方波信号，造成频率运算电路120也无法运算，甚至运算出错误的频率值，然后将运算后的频率值传送至显示器170。另外，由于此时均方根转换器150所接收到的是一个被衰减后的信号，因此经过数字/模拟转换器160所得到的是一个偏低的数值，此数值也传送至显示器170。很明显地，此时所显示的频率测量值是错误的，而电压值是偏低的，让使用者误以为输入端是一个低电压信号。

在频率测量的过程中，频率运算电路120会持续对待测信号的频率进行运算，而频率检测电路130也会持续将待测信号(此待测信号已经过施密特触发器ST1将输入信号转换成方波信号)的频率高低进行检测，以判断待测信号为高频信号或是低频信号。

请参考图4，是为本发明所定义的中频(MF)、高频(HF)与ω₀、ω₁的相对关系，其中ω₀＜ω_M＜ω_H＜ω₁，当频率介于ω_M与ω_H之间时，定义为的中频(MF)；而当频率高于ω_H时，定义为高频(HF)。当频率运算电路计120算出输入信号的频率高于ω_M时，此时中频(MF)信号会变为High，因此图3中的两个开关(SW3，SW4)将被切换至S1的位置，此时低通滤波器140所输出的-3db频率将由ω₀被改变为ω₁，由于ω₁的频率值高于ω_H，很明显地，通过本发明的低通滤波器140的设计，可以避免一些在中频附近的信号被衰减。而当频率检测电路130检测到输入信号的频率高于ω_H时，高频(HF)信号会变为High，而使得开关SW1及开关SW2会被切换至S1的位置。此时，待测信号经由开关SW1及开关SW2的S1的位置分别进入频率运算电路120及均方根值转换器150，最后由显示器170显示测得的频率与电压值。很明显地，在对高频(HF)信号的测量过程中，经由开关SW1及开关SW2的切换，使得高频(HF)信号未经低通滤波器140，如此便可避免高频信号被衰减而造成的测量误差，并维持频率运算电路的正常运作。此时，可经由控制器110将低通滤波器140关掉，以减少耗电；而当频率检测电路130检测到输入信号为一个低频信号时，则立即会将开关SW1及开关SW2切换回S0的位置，并由控制器110重新启动低通滤波器140。因此，本发明所公开的低通滤波器140电路，可以依据待测信号的频率范围做自动的切换，除了可以提高测量的正确性与方便性外，也同时具有降低耗电的功能。

再接着，请参考图5，是本发明的频率检测电路130的实施例。如图5所示，频率检测电路130是由四个除以二的除频电路(divide-by-2 frequency divider)、一个D型flip-flop(Dtypeflip-flop)及一个SR型闩(SR latch)电路所组成，在本实施例中的除频电路及Dflip-flop都为负缘触发(falling edgetrigger)。图5中的PRS、Latch、CLR、及Reset为控制电路110(Control circuit)所送进来的信号，INPUT为待测信号，当检测到待测信号为高频信号时，HF信号会变为High。而频率检测电路130实际的运作情形如图6所示。当测量系统开机时，控制电路会先送出一个PRS的reset信号，此时HF与Qsr信号会被reset为Low。在每次测量之前，控制电路110会先送出一个Latch信号，来储存Qsr的状态，之后再送出一个CLR信号来将Qsrreset为Low；另一方面，控制电路110也会一直送出RS的信号来将Q0~Q3 reset为Low。在图6中，当输入信号为低频信号，此时Q3一直为Low，而当输入信号变为高频时，Q3便会被Q2触发(trigger)为High，而使Qsr被设定(set)为High，之后HF信号会被Latch信号触发为High，此时开关SW1，SW2将被切换至S1的位置，并将低通滤波器140关闭，可避免测量到被衰减的信号，测量的正确性与使用的安全性可大幅提升。

在此要再次强调，在本发明的实施例中，当频率检测电路130检测到输入的待测信号为高频(HF)信号时，频率检测电路130会输出一个HF为High的信号至开关SW1及开关SW2。此时，开关SW1及开关SW2将被切换至S1的位置，并将低通滤波140关闭，可避免测量到被衰减的信号，测量的正确性与使用的安全性可大幅提升。而当输入的待测信号的频率是介于低频以及高频之间时，即当频率运算电路计120算出输入信号的频率高于ω_M时，此时中频(MF)信号会变为High，因此图3中的两个开关(SW3/SW4)将被切换至S1的位置，此时低通滤波器140所输出的-3db频率将被改变为ω₁。而能够使得低通滤波器140所输出的-3db频率改变，是因为两个开关(SW3/SW4)将电阻切换至R3，R4，而R3，R4的阻值分别小于R1，R2的阻值。依此设计原理，若愈更精确地区分介于低频以及高频的待测信号的频率时，即可将两个开关(SW3，SW4)换成多波段开关(例如：S0~S15)，同时，每一开关的接点S0~S15与一不同阻值的电阻连接，如此，本发明的低通滤波器140电路可依待测信号的频率，做不同频率的转换，故测量的正确性与使用的安全性更可大幅提升。

显然地，依照上面实施例中的描述，本发明可能有许多的修正与差异。因此需要在其附加的权利要求项的范围内加以理解，除了上述详细的描述外，本发明还可以广泛地在其它的实施例中施行。上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的权利要求；凡其它未脱离本发明所公开的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求范围内。

Claims

1.一种具有自动切换低通滤波器功能的测量装置，其特征在于，包括：

一控制电路，用以控制该测量装置的运作，并提供一参考频率；

一低通滤波器，是与一输入端的待测信号连接；

一频率检测电路，是与该输入端的待测信号、该低通滤波器及该控制电路连接，于该待测信号为一高频信号时，该频率检测电路输出一高频控制信号，使该低通滤波器关闭；

一频率运算电路，是与该控制电路及该低通滤波器所输出的频率信号连接，同时，于该待测信号为一介于低频信号与高频信号之间时，该频率运算电路输出一中频控制信号至该低通滤波器以及输出一频率测量值至一显示器；

一电压测量电路，是与该低通滤波器及该控制电路连接，并将电压测量值送至该显示器。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该频率检测电路是由多个串联的除频电路、一正反器以及一SR型闩所组成。

3.一种具有自动切换低通滤波器功能的测量装置，其特征在于，包括：

一低通滤波器，是与一输入端的待测信号连接；

一频率检测电路，是与一第一施密特触发器、该低通滤波器及该控制电路连接，该第一施密特触发器是与该输入端的待测信号连接，并将该输入信号转换成一方波，于该待测信号为一高频信号时，该频率检测电路并输出一高频控制信号，使该低通滤波器关闭；

一频率运算电路，是与该控制电路连接，而该频率运算电路与该低通滤波器之间经由一第一开关与该第一施密特触发器及一第二施密特触发器连接，同时，于该待测信号为一介于低频信号与高频信号之间时，该频率运算电路也输出一中频控制信号至该低通滤波器以及输出一频率测量值至一显示器，其中该第二施密特触发器是将该开关的输出频率信号转换成一方波；

一均方根值转换器，是经由一第二开关与该低通滤波器及该输入端连接；以及

一数字/模拟转换器，是与该均方根值转换器连接，用以将一数字信号送到该显示器。

4.如权利要求3所述的测量装置，其特征在于，该频率检测电路是由多个串联的除频电路、一正反器以及一SR型闩所组成。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，低通滤波器电路，是由一第一操作放大器、一第二操作放大器、一第一电容器、一第二电容器以及多个电阻所组成，且该第一操作放大器的正输入端与一输入端连接，其中：

该第一操作放大器与该第一电容之间经由一第一开关连接，其中该第一开关的输入端配置有多个切换位置，而该多个切换位置与该多个电阻值不相同的电阻连接至该第一操作放大器的负输入端及该第一操作放大器的输出端，而该第一电容器的第一端与该第一开关的输出端连接；

该第二操作放大器与该第一电容之间经由一第二开关连接，其中该第二开关的输入端配置有多个切换位置，而该多个切换位置与该多个电阻值不相同的电阻连接至该第一开关的输出端，而该第二开关的输出端与该第二电容器及该第二操作放大器的正输入端连接以及该第二操作放大器的输出端与该第一电容器的另一端及该第二操作放大器的负输入端连接。

6.如权利要求1或3所述的测量装置，其特征在于，于该频率运算电路输出该中频控制信号后，该低通滤波器进一步将该待测信号调整至一个较高的-3db频率。