CN1025244C - 自动功能选择的万用表 - Google Patents

Abstract

一种有自动功能选择能力的数字万用表。该装置包括连接到输入端的检测电路，以响应于被检测模拟信号的类型，并提供代表该类型的逻辑信号。可用该逻辑信号使编码信号生出，以对转换器电路进行编码和配置，并作为该模拟输入的一个函数提供所需显示。该装置可包括内部基准信号源，检测电路可检测该基准源信号与外部模拟信号之间的差，以作出决定：在执行由该模拟信号类别决定的功能时，是否断开该基准信号源。

Description

本发明一般地涉及能够执行多种功能（例如，测量电压、电阻和电流，以及执行断线检查和二极管测试）的数字万用表，特别涉及具有自动功能选择能力的万用表。

当前可以买到各种能够提供数字指示或者测量多种参数（例如，直流电压或交流电压、电阻、二极管特性和断线检查）的数字万用表。很多种这样的仪表都备有自动量程选择和自动极性指示。这种仪表所要执行的特定功能一般由功能选择器开关来选择，这种开关是手动预置的，它使这种仪表能够执行所选择的功能、并且提供所需要的指示。

本发明提供一种改进了的数字万用表，其中，对于多种功能的功能选择是自动的。这样的自动功能选择是由自动量程选择和自动极性指示所组成的。因此，本发明的一个目的是，提供能够执行自动功能选择的、改进了的数字万用表，其中，被检测参数的类别自动地驱动该仪表中的电路，以便配置转换电路，来执行适当的功能。这样，可以测量电压而不需要手动选择交流电压或直流电压的功能，也不需要手动选择适当的量程。可以试图测量电阻，而不需要预先使被测电路或被测元件断电。如果情况不是这样，而是外部电压存在于被检测的两个接点之间，本发明仪表将自动地退出电阻功能，建立起适当的电压结构，指示该电压的数值，不论它是交流电压还是直流电压。如果需要，还可以使被调研的电路断电，以便允许进行电阻测量。

通过利用与先有技术仪表中转换电路及显示电路相组合的逻辑， 本发明能够以有效而价廉的方法来实现。根据本发明，包括模-数转换器电路（可以通过选择器开关对于该模-数转换器电路进行手动编码，以便有选择地测量交流电压、或者直流电压、或者电阻）的数字万用表可以备有自动功能选择电路，以便检测出现在该万用表上的信号、并且对于该模-数转换器电路提供编码信号，以便对于该模-数转换器电路进行编码，来执行所需的功能。可以把检测电路连接到输入端上，以便响应于被检测模拟信号的类型、并且提供为了代表这种类型信号而建立的逻辑信号。然后，可以利用这些逻辑信号使编码信号产生出来，以便对于转换器电路进行编码和配置，来执行所需的功能、并且作为未知模拟输入的一个函数来提供所需的显示。这种装置可以包括内部基准信号源（例如，直流基准电压），检测电路可以检测这种基准信号源与外部模拟信号之间的差别，以便作出决定：在执行由该模拟信号类别所决定的功能时，是利用还是切断该基准信号源。

图1为根据本发明构成的数字万用表的透视图;

图2为根据本发明构成的数字万用表优选实施例输入电路的简化电路图;

图3说明部分示于图2的、正检测电路的细节;

图4说明部分示于图2的、负检测电路的细节;

图5说明用来产生编码信号的逻辑方程式;以及

图6为根据本发明构成的数字万用表的方框图。

参看图1，图中示出具有改进了的电路、以便包括和实现本发明自动功能选择能力、有代表性的数字万用表。作为实例，一般使用的、先有技术的万用表包括具有自动定量程能力的双斜率模-数转换器。这种万用表中所采用的电路在1985年12月3日颁布给理查德· E·乔治（Richard·E·George，这里的申请人）的受让人的第45569867号美国专利以及1986年3月13日颁布给诺曼·H·斯特朗（Norman·H·Strong）的受让人的第4588983号美国专利中作了描述。在受让人制作的作为先有技术的70系列万用表时，使用了AP75模-数（A/D）转换器芯片。

参看图1，图中示出具有输入端12和14的便携式手持万用表10。对于全部功能来说，具有“V”和“Ω”符号的端子12是正的或者高端输入端。对于全部测量方式来说，带有“COM”（“公共端”）符号的端子14是负的、公共的、或者低端输入端。功能选择开关16选择该仪表所要执行的功能。这样的功能可以包括测量交流电压和直流电压、电阻、断线检查、二极管测试，等等。注意反时针方向转动到极端或者标以“AF”的左手位置上。根据本发明，这是“自动功能”位置，这个位置根据从被测电路检测出来的情况，提供测量功能的自动转换。（用适当的符号18简化功能选择器开关16的驱动以便选择所需的功能。）^√

液晶显示器20提供的测量数据显示多达四位，在这种特定的仪表中，还包括条形图形显示。除了数字读出和条形图形显示以外，显示器还包括适当的符号以便指示已选择的功能、测量的单位、以及被测直流电压的极性。在传统的Fluke（锚钩”）70系列的数字万用表中，功能选择器开关的驱动执行转换功能，以便对于转换器芯片进行编码，来执行所需的功能、并且提供适当的显示。换句话说，功能选择器开关以适当的结构配置转换器电路，来执行所选择的功能。

参看图2，图中示出把本发明的一个实施例所包括的模拟电路和逻辑电路组合起来的简化形式。参看图2，以22示出70系列万用 表的AP75芯片，万用表的输入端12和14采用与图1中相同的标号。正如在电压测量结构下传统70系列仪表的情况那样，把被测电压通过几兆欧的电阻24和以26示出的电阻网络连接进来。在这种仪表中包括开关28，以便当配置该仪表来执行电压测量功能时，把电阻网络26的外端连接到地。当把该仪表转换到欧姆或电阻测量功能时，响应于功能选择器开关16的动作，开关28断开，开关30和39接通。

根据图2中所说明本发明的结构，通过把功能选择器开关16放到“AF”（“自动功能”）的位置上，就可以把这种仪表连接成为自动功能选择。当把测量引线端子断开时，开关28断开，开关30和39接通，如前所述这将允许进行电阻测量。为了达到保护的目的，提供了电阻32和热敏电阻34。热敏电阻34是正温度系数类型的，这将把从连接到端子12与14之间的实际电压源中所吸收的电流自动地限制到安全的电平。这种限流作用是热敏电阻34自加热的结果。当这种仪表在电阻测量功能的状态下时，根据在PD和ND检测驱动线36和38上的信号把转换器芯片22编码成为适当的结构，以便执行该功能，并且提供电阻显示。如果在把端子12和14连接上去的接点（或结点）上，具有超过在万用表中用来进行电阻测量的正常内部源电压的实际电压，则本发明装置将通过所连接的PD和/或ND产生一个或一个以上的过压信号，以便不履行转换器的电阻编码、并且转换到电压编码上，以允许进行电压测量。被测电压可以是交流电压或者直流电压，而直流电压的极性是不重要的，因为这种万用表提供极性指示。如果正在进行电压测量，则仪表显示器提供是交流电压还是直流电压为主要电压的指示。

参看图2，把检测晶体管Q1的基极连接到万用表中欧姆测量电压源上。这个电压通常为1.5伏左右。把晶体管Q1的发射极连接到热敏电阻34上，把Q1的集电极通过引线36连接到正电压逻辑电路上。把负电压检测晶体管Q2的发射极连接到热敏电阻34上，把Q2的集电极通过引线38连接到将要描述的、负电压逻辑电路上。把晶体管Q2的基极连接到地。

参看图3，图中示出正电压检测电路。端子12和14、电阻32、热敏电阻34和网络电阻26与图2所说明的相同。如前所述，图2中的开关30在仪表的这种状态下是接通的，而在图3所说明的电路结构中，并未示出开关30。把晶体管Q1的集电极连接到二极管D1的阳极上，把D1的阴极连接到地。把二极管D1的阳极通过串联连接的电阻40和42连接到负电压源-Vss上。把串联连接的电阻40与42的连接点连接到晶体管Q3的基极上，把Q3的发射极连接到负电压源-Vss上。把晶体管Q3的集电极通过电阻44连接到正电压源+Vdd上。把电容器46跨接到电阻44的两端上。引线48定义正电压逻辑信号，以便使转换器适当编码，即：使电阻测量编码无效，以便允许自动功能选择为电压测量。

图4说明负电压检测电路，还说明输入端子12和14、输入电阻32、热敏电阻34和网络电阻26。把晶体管Q2的集电极通过电阻50连接到晶体管Q4的基极上。把晶体管Q4的发射极连接到正电压源+Vdd上，把电阻52从正电压源+Vdd连接到晶体管Q4的基极上。把晶体管Q4的集电极通过电阻54连接到负电压源-Vss上。电阻54与电容56并联连接，在引线58上提供负电压逻辑信号。下面将描述图3和图4中电压检测电路和逻辑电路的功能。 把电压逻辑信号N和 P定义为正实逻辑（N代表相对于公共端的负极性信号，P代表相对于公共端的正极性信号）。

参看图3，假定把万用表的功能选择器开关调到“AF”测量方式下。如果在输入端子12和14上没有出现外部电压，则这种仪表将以其传统方式而起作用，即根据来自逻辑信号 P和N的、转换器的电阻测量编码，来执行电阻测量。如果在输入端子上出现了超过电阻测量源电压（近似为1.5伏）的正外部电压，则该外部电压将使晶体管Q1饱和或者接通、并且使电流从端子12通过电阻32、热敏电阻34、晶体管Q1和二极管D1而流动。电流还将通过串联电阻40和42流到负电压源-Vss上。这将使晶体管Q3偏置到饱和或者接通状态，使得电流还从正电压源+Vdd通过电阻44和晶体管Q3流到负电压源-Vss上。在此情况下，逻辑引线48处于负电压源-Vss的电位上。

如果跨在输入端子12-14上的正电压并未超过送到晶体管Q1基极上的电阻测量源电压，则晶体管Q1不导通，晶体管Q3也不导通。在此情况下，逻辑引线48处于正电压源+Vdd的电位上。

参看图4，如果负的外部电压源出现在输入端子12上，则晶体管Q2接通，电流通过晶体管Q2、电阻50和电阻52流到正电压源+Vdd上。这使晶体管Q4偏置到接通，使得电流还从正电压源+Vdd通过晶体管Q4、电阻54流到负电压源-Vss上。在此情况下，在逻辑引线58上有正电压源+Vdd电位的信号。如果在输入端子12上没有外部负电压，则晶体管Q2不导通，晶体管Q4也保持断开。在这些情况下，逻辑引线58上的信号处于负电压源-Vss的电位上。

如果外部交流电压出现在输入端子上，则图3和图4的正检测电路和负检测电路通过使用图3的电阻电容电路44-46和图4的54-56，在其逻辑引线48和58上提供电压指示。这些电路是类似的，一般可以设计为0.1秒的时间常数，以便保持交流峰值。尽管把那些电路画成了模拟的时间常数电路，但是，应该指出，数字处理技术能够有选择地提供相同时间常数的逻辑信号。这样，当在端子12-14上检测到交流信号时，-Vss的逻辑信号将出现在逻辑引线48上，+Vdd的逻辑信号将出现在逻辑引线58上。把逻辑信号的这种组合配置成为使转换器编码，以便执行交流测量功能。

如前所述，把Fluke    70系列万用表的转换器电路编码成为适当的电路结构，以便通过手动功能选择器开关，来执行其多种功能。其它传统的数字万用表也是这样。选择器开关在70系列转换器中所建立的工作状态，如下列真值表所示：

功能    B0    B1    B2

交流电压    1    1    1

直流电压    0    1    1

电阻    0    0    1

二极管测试    1    0    0

符号B0、B1和B2表示70系列万用表中由手动功能选择器开关控制的连接点或结点，该真值表示出：为了把转换器电路编码或者配置成为适当的结构，以便测量交流电压、直流电压、电阻和二极管，测试在这样的连接点上所必需的逻辑电平。根据本发明，附带地实现对于电阻和电压（交流或直流）或者对于二极管测试和电压（交流或直流）的自动功能选择，都是可能的。

用来根据在引线48和58上的正逻辑信号和负逻辑信号，以及功能选择开关的位置AF、

、Ω、 ，产生B0、B1、B2编码信号的逻辑方程式示于图5。这在图6中作了进一步说明，其中，输入端子示为60。把正过载电路和负过载电路示为62，把70系列转换器示为64，64的显示器示为66。利用适当的编码器68来执行图5的逻辑方程式，68接受来自检测电路62的正逻辑信号（ P）和负逻辑信号（N）。

一种包括本发明自动功能选择特性的、改进了的万用表可以方便地使用如下：如果需要测量具有未知参数的电路，可以把选择器开关调到“AF”的位置上，把测试引线或者输入端子加到需要测量的点或结点上。如果在这些点上存在着实际电压，则检测电路和逻辑电路62将对编码器68提供适当的信号，该信号本身又对转换器64进行编码，以便根据检测器电路的指示来测量交流电压或者直流电压。如果在这些点上不存在实际电压（把实际电压定义为，其大小足以对于检测驱动电路供电的电压），那么，将显示出电阻测量（或者，对于另一种情况为二极管测试）。如果需要，这种仪表也可以通过选择器开关手动转换到交流电压、直流电压、电阻或者二极管测试等测量功能上。虽然已经详细地描述和说明了本发明，但是，应该了解：那同样都只是作为说明和实例，而不是要作为限定，本发明的精神和范围仅受限于所附权利要求书中所述的。

Claims (8)

1、在能够执行多种功能的数字万用表中，其中包括用来处理多种类型的外部模拟信号的电路，其中的外部模拟信号是加到所述电路输入端上的，其特征在于所述电路包括：

耦合到所述输入端，能够配置后以便能对外部模拟信号执行多种处理功能的信号处理电路；

用来检测所述外加模拟信号值，并且用来产生作为所述外加模拟信号值的一个函数的控制信号的控制装置；

响应于所述控制信号，用来产生编码信号并将所述编码信号加到所述信号处理电路上的编码装置，使所述信号处理电路呈现为一种结构，这种结构响应于外部模拟信号值，执行预定功能。

2、根据权利要求1所述的万用表，其特征在于：所述信号处理电路包括具有用来产生基准信号的内部基准信号装置的模拟转换器电路;其中所述控制装置检测所述基准信号与所述外部模拟信号幅度间的差。

3、根据权利要求2所述的万用表，其特征在于包括：在所述控制装置检测到外部模拟信号超过所述基准信号以后，切断所述基准信号装置的开关装置。

4、根据权利要求2所述的万用表，其特征在于包括：所述信号处理电路当所述控制装置检测到外部模拟信号超过所述基准信号时，执行第一信号处理功能;当所述控制装置检测到所述外部模拟信号没有超过所述基准信号时，执行第二信号处理功能。

5、根据权利要求4所述的万用表，其特征在于包括：所述第一信号处理功能响应于所述外部模拟信号;所述第二信号处理功能响应于所述基准信号和连接到所述电路输入端上的外部阻抗值。

6、根据权利要求6所述的万用表，其特征在于包括：所述信号处理电路当所述控制装置检测到外部模拟信号超过所述基准信号且所述外部模拟信号是交流信号时，执行第三信号处理功能。

7、根据权利要求1所述的万用表，其特征在于包括：所述信号处理电路产生响应于所述外部模拟信号幅度的第一输出信号和指示对于所述外部模拟信号所进行处理的类型的第二输出信号。

8、根据权利要求1所述的万用表，其特征在于包括：连接在所述电路与所述信号处理电路之间的正温度系数电阻器。

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