CN1159587C - 测量仪表的前端结构 - Google Patents

Abstract

一种为测量仪而设计的前端结构，该结构仅有一种为输入信号转换成数字采样的信号通道。一个信号调整器通过一对探针跨接在电压源、电流源或元件上以产生输入信号。输入信号提供给一个采样系统，该系统有一个连接有十分之一滤波器的西格玛—德尔塔转换器，该转换器过量采样输入信号进而产生一个连续的数字采样流。数字采样提供给一套数字提取滤波器，每一个数字提取滤波器有一个适合从数字采样流中提取测量参数的结构和转换功能。参数的提取是在连续的基础上完成的，因而数字采样和最终数字测量值也是从连续流中得到的。提取参数包括输入信号的直流值，输入信号的均方根值，输入信号的波形参数和输入信号的最大最小峰值。

Description

测量仪表的前端结构

本发明涉及电子测量仪表，尤其是利用数字滤波器从数字采样中提取测量参数的用于电子测量仪表的前端结构。

数字万用表是一种可测量各种物理参数，例如：交流电压和电流，直流电压和电流及电阻的电子测量仪。新型数字万用表的设计增添了测量包括：二极管检测、电容、温度和频率计数/计时测量在内的附加测量能力。其它更多的专用参数所测量也可在特殊应用里增加，如对加热、通风、空气调节等设备使用中的微安范围内的直流电流的测量。

测量各种各样的测量参数需使用相对复杂的信号调整电路，接收仪器输入终端产生的信号，并产生适于转换成数字采样的输入信号。信号调节电路包括由模拟放大器和衰减器组成的量程电路，换算输入信号至有效振幅，给到模—数转换器(ADC)，信号调整电路还包括电压保护电路，如：机械继电器，金属氧化物压敏电阻器(MOVs)、和正温系数电阻器，防止当探测过载电压时毁坏数字万用表。物理参数如：交、直流电流，温度和电压都要被转化为可被模—数转换器转换为数字采样的适当振幅的输入电压。

输入信号在数字万用表的信号调整电路里被分解为两路，交流或高频电路和直流或低频电路。输入信号的直流电路是通过低通滤波输入信号理想地获得直流电压而形成的。实际低通滤波器的截止频率一般小于10赫兹、允许一些交流信号含量存在。由低频滤波器产生的直流电压输给模一数转换器产生数字采样。低频电路需要对增益和失调电压标定。依据增益与频率的对比来标定高频通路，以此消除低频滚降。

大多数数字万用表的模—数转换器有一个每秒小于100次采样的最大采样率，但有31/2到41/2数字的分辩力。为了能够更准确地测量交流信号，如50/60赫兹频率范围内的电源线信号，在交流电路里提供一个均方根给直流转换器，产生一个代表交流信号的直流电压。均方根转换器通常以一单片集成电路的形式在数字万用表内实现。

数字存储示波器是另一种允许数字地采集用于随后进行信号参数计算的输入信号的电子测量仪表。数字存储示波器提供了开关式的输入信号交流电路和直流电路。模一数转换技术已发展到采样率高于每秒100兆次采样，其允许输入信号直接转换成数字采样，并作为时域记录存储在采集存储器里。从这一时域记录，波形和各种信号参数被计算出来。但是数字存储示波器里的信号调节器前端最适合信号电压的采集。传统的数字存储示波器没有加入测量低频物理参数如电阻或电流等其它参数的测量能力。混合测量仪将测量各种物理参数的数字万用表技术和分析波形的数字存储示波器技术结合在一起。

见图1该图(大小没按比例)给出了一个具有一对探针12a和12b并用于测量包括交流电压和电流，直流电压和电流，电阻，电容在内的各种物理参数的测量仪表10。测量仪表10也可利用电流和电压源(图中未画)通过给被测元件施加一个激励信号的方法测试无源二端元件，如：二极管。最好是测量仪10有各种功能可测量各种物理参数。

在测量仪表10的前面数上安装有可以显示数字测量参数的图形显示器14。如以数字万用表的显示形式显示“117 VAC rms”及以数字存储示波器的显示形式显示输入信号波形图。测量仪10可以与电压源16和图2所示的电流源18，或图3所示的一个元件并联。元件20包括电阻、电容、电感器、二极管或其它能被测量仪表10测量及分析的二端部件在内的任何各种无源、两端元件。

见图4显示了一种根据现有技术用在Fluke 8601图形多用测量仪上的测量前端98的简易方框图。一对探针12a与12b跨接在电源16上，为信号调节器50并联一个电压信号。信号调整器50包括放大器，除法器和滤波器，信号调节器50可提供一种适于转换成数字采样的适当振幅和带宽的输入信号，信号调节器50还包括各种形式的电压保护电路(图中未画)，防止测量仪表10在过载电压和过载电流的情况下毁坏。信号调节器50还包括用于将各种物理参数转换成输入信号的各种电路。例如：来自电流源18的交流和直流电流可通过一被校准的电流分流器或电流钳位器产生的电压降来测量。通过测量由信号调节器50内的电流源或电压源(图中未画)在元件20两端产生的电压降来测量电阻。为满足大量的并能转换为输入信号的参数及提供过载电压和过载电流保护的需要，将所有这样的众多需要的电路安装在信号调节器50内，其结果将增加电路的复杂性和成本。

由信号调节器50产生的输入信号与一能产生直流信号并且该直流信号与开关55的直流档并联的低通滤波器的输入端并联。低通滤波器52有一个滚动频率一般接近0赫兹，它保留输入信号的直流成分，同时抑制交流成份。直流信号通过开关5 5的直流档传给慢速模—数转换器，慢速模—数转换器54以小于100赫兹的采样速率，31/2到41/2的分辨力，对直流信号进行数字采样。低通滤波器通常用于直流性质的输入信号，以便对如直流电压、电流和电阻进行精确测量。

均方根转换器56也接收输入信号，并且与开关55的交流均方根档并联。均方根转换器56用于交流特性的输入信号，以产生代表当开关55在交流均方根档时，提供给模—数转换器54的输入信号均方值的直流电压。均方根转换器56，低通滤波器52和慢速模—数转换器54与信号调节器50相结合，组成了通常用在数字万用表前的前端结构，并且以DMM FRONT END标记。

测量仪器10通过增加具有波形前端(WAVEFORMFRONT END)的电路系统而具有附加波形测量能力。信号调节器5 1接收该输入信号并产生为了转换为数字采样的第二个输入信号。快速模—数转换器58接收来自信号调节器51的输入信号，并以明显高于慢速模—数转换器的采样速率产生数字采样，但分辨力较低。采集存储器60接收此数字采样并将它们存储起来用于形成输入信号波形的数字时域记录。一个起动器62以用在数字存储示波器技术的众所周知的方法提供一个起动信号用于决定在数字时域记录里的波形的起动点。一个最大最小峰值器64的作用同一个数字比较器。最大最小峰值器64储存存在采集存储器60内的最大最小值，并以数字采样的形式给出最大最小值。

由快速模—数转换器58、采集存储器60和与信号调节器51相连接的起动器62组成的波形前端是用在数字存储示波器里的典型的前端结构，输入信号的采集要超过一个采样时间，以便存贮在采集存储器60中。数字接口66接收来自慢速模—数转换器54、最大最小峰值器64和采集存储器60的数字采样，为测量仪所使用作为数字测量值。

信号调节器51类似于信号调节器50提供电压保护和标定，但它更适合于波形采集。信号调节器51允许测量仪10与电压源16相连，但不能直接与电流源18或元件20相连。此外为信号调节器51设计的区别于信号调节器50的地方是：具有比信号调节器50的频率范围更广的频率范围之上的频率响应的均匀性，这一点变得更为重要。

见图5描述了根据现有技术例如用在Fluke 93，95和97视测浊度计测量仪上的测量前端99的简单方框图。探针12a和12b跨接在电源16上，为信号调节器72并联—电压信号。信号调整器72包括放大器，除法器和滤波器，以便提供一种能转换成数字采样的适当振幅和带宽的输入信号。信号调整器72进一步还包括各种形式的电压保护电路系统(图中未显示)，以便防止测量仪器10在过载电压和过载电流的情况下毁坏。像图4所示的信号调节器51一样，信号调节器70最适合波形采集。

第二对探针12a’和12b’跨接在元件20上，以便用于测量电阻或其它元件参数。这对探针12a’和12b’与最适合低频测量的信号调节器70并联，在这一优选实例里，没有用于测量电流源18的装置。外部电流分流器或钳位器被用来产生一电压信号给信号调节器70或72的任一个。开关74有一个与信号调节器70耦合的二极管欧姆档和一个与信号调节器72耦合的电压档；其可以选择性地与输入给模—数转换器76的输入信号耦合，模—数转换器76将输入信号数字化并产生存储在采集存储器78内的数字采样。一个接收输入信号并产生起动信号的启动器80，对特殊数据采集的时间进行控制。通过分析采集存储器78里的存储内容可以产生大量的提供给数字接口82的参数，数字接口82又为测量仪10提供数字测量值。虽然测量前端99仅需要一个模—数转换器76，分开的经过信号调节器70和72的信号路径和开关74仍保持不动。仅从被数字化的输入信号部分中提取信号参数，信号参数没有被连续提取，这只是总时间的一小部分。

连续地使用独立的数字万用表和波形信号电路，用独立的适于波形采集的信号调节器和低频数字万用表测量，导至实质上元件重复，增加制造成本和测量仪10的复杂性。这种仪器适应测量新型信号参数的能力将因这种分叉结构而被严格地限制。因此需要一种仅有一条输入信号通路，允许连续提取各种信号参数的用于测量仪表前的前端结构。

                           发明概述

本发明提供了一种用于测量仪的前端结构，该前端结构仅有一条输入信号通道，输入信号由模—数转换器转换成数字信号。数字采样输给一个用于提取大量被选参数的数字滤波器，这些参数的测量值输给测量仪作为数字测量值。

一个信号调整器可通过一对探针与电压源、电流源，或元件并联产生一输入信号。这个输入信号被传送给一个采样系统，该系统有一个连接有十分之一滤波器的西格玛—枷玛转换器，用于产生数字采样。当然该采样系统也为由用一个模—数转换器来进行数字采样。

该数字采样被传送给一套数字提取滤波器，每一个数字提取滤波器有一个适于从数字采样流中提取一个物理参数的结构和转换功能。参数提取是在连续的基础上完成的，从而数字采样和最终数字测量值也以连续流的方式提供。因为每一个数字提取滤波器接收相同的数字采样并与其它数字提取器并行工作，所以大量的测量参数可在相同时间从相同的数字采样内被提出。

这套数字提取器允许从输入信号的直流值的数字采样，输入信号均方根值的数字采样，输入信号的波形参数的数字采样和输入信号最大最小峰值的数字采样中提取。直流值、均方根值、波形参数和最大最小峰值都是许多测量参数之中的，可以同时从连续的数字采样流中提出并作为数字测量值经一个数字接口提供给测量仪。

本发明的目的之一是提供一种用于测量仪的前端结构，该测量仪使用一条输入信号通道。

本发明的另一个目的是提供一种用于大量参数同时提取的前端结构。

本发明的辅助目的是提供一种具有一套提取滤波器的前端结构，该套提取滤波器可从一连续的输入信号的数字采样流中同时提取参数。

本发明的进一步目的是提供一种利用一种简化的前端结构而具有测量多种参数能力的测量仪。

对那些精通技术的人，通过结合附图来阅读下面的描述，本发明的测量前端结构其它的特征和优点就显而易见了。

                      附图简述：

图1描述了一种当与一电压源并联后能测量各种物理参数的测量仪。

图2描述了一个可与如图1所示测量仪并联的电流源。

图3描述了一个可与如图1所述测量仪并联的元件。

图4描述了一种用于现有测量仪的测量前端的简易方框图。

图5描述了用于现有测量仪的第二种测量前端的简易方框图。

图6描述了本发明最佳实例的用于测量仪的测量前端的简化方框图。

图7描述了本发明最佳实例中的一个数字提取滤波器的简化方框图，该提取滤波器在预先成形的范围内从连续的数字采样流中提取均方根值。

图8描述了本发明另一个实施例的用于测量仪的测量前端的简化方框图。

                 本发明的详细描述

图6是本发明用在测量仪10(见图1)上的一种测量前端100的简化方框图。一个信号调节器102接收跨接在一对探针12a和12b上的电压源16产生的电压信号。用于测量直流或交流电压。该信号调节器102也可与电流源18并联(图2所示)，用于测量直流或交流电流。信号调节器102还可以进一步与元件20(图3所示)并联，用于测量电阻、电容或其它物理参数。信号电压可通过适当的转换电路产生，该转换电路包括用于测量交流或直流电流的已校准的电流分流器。信号调节器102一般地通过微处理器控制而形成所期望的测量功能(图中没画出)。

信号调节器102产生一个适当振幅和输入带宽的输入信号，通过采样系统104转换成数字采样。在本发明最佳实施城，采样系统104包括一信号德尔塔(6)转换器106，其以高于输入带宽的采样速率产生原始数字采样，一种通常熟知的作为过量采样的过程。原始数字采样输给十分之一滤波器108，该滤波器以选定的采样速率和增加了许多分辨率对原始数字采样进行低通滤波，产生数字采样。

在本发明最佳实例里，输入带宽择定为500千赫，输入信号被以每秒10兆次采样，一个20比1的速率产生具有5比特分辨力的原始数字采样。该十分之一滤波器108抽取十分之四的原始采样，以每秒2.5兆次采样速率产生数字采样，并具有13比特的分辨力。十分之一滤波器108能形成一种有限冲击响应(FIR)、无限冲击响应(IIR)或有限冲击响应和无限冲击响应之结合(FIR和IIR)为的是产生所需的转换功能。

为简化硬件需要和减少能量消耗，本发明实例中采用两级十分之一抽样，设计时应注意的一点是输入信号中存在的超过4.5兆赫兹、将混浠回到基带频率里的频率成份被大量抑制在十分之一滤波器108内。为获得所需的测量准确性，选择了一个抑制高于60分贝4.5兆赫频率的阻带。能达到十分之一滤波器108所需转换功能的滤波器的结构和参数可用这一领域的公知技术完成。

来自十分之一滤波器108的数字采样被给一套数字提取滤波器110-116。每一套提取滤波器110-116可在相同时间内接收该数字采样流，以便提取被选出的测量参数。这套数字提取滤波器110-116最好以单片集成电路来实现，以减少元件数和能量消耗。

以D、C标记的数字提取滤波器110是直流提取滤波器，其内设计有一个结构，该结构能提取从信号调节器102接收并被采样系统104数字化的输入信号的直流值。数字提取滤波器110具有一种低通滤波器的转换功能，其优选实施例的提取滤波器参数如下：

到最后值的0.001％的建立时间                 0.5秒

超过123分贝抑制的阻带                       49.9赫兹

通带波动                                    0％

阶跃响应过冲                                0％

数据采集率0.125，0.5，2和1000赫兹。

滤波器参数根据设计要求产生，该设计要求为当测量仪10每秒读2次的数据采集率时有一个5位数的直流测量精度，阻带抑制50/60赫兹的电源线颇率波动。能达到提取滤波器110提取直流值所需的转换功能的提取滤波器的结构和滤波器常数可用该领域现有技术来完成。提取滤波器的参数和相关的转换功能可以很容易地修改以适应特殊测量需要的测量精度和数据采集率。

以RMS标记的数据提取滤波器112是均方根提取滤波器，其有一个被设计为可从由信号调整器102接收的被采样系统104数字化的输入信号中提取输入信号均方根值的结构。输入信号的均方根值可以以各种方法提取。在本实例中，均方根是在连续的基础上算出来的，更详细的解释即以一种不依靠已知信号周期或预定测量周期的方式计算。或者通过对预定测量周期波形下的面积的积分来计算均方根值。

图7描述了本发明所述具体实例的一种为了从连续的数字采样流中提取均方根的数字提取滤波器112的简单方框图。来自如图6所示的采样系统104的数字采样到达数字提取滤波器112。每个数字采样在平方电路200内被平方进而产生平方后的数字采样。平方电路200包括一硬件乘法电路，其与数字提取器202在同一集成电路里。另外，乘法也可通过外部的微处理器完成获得平方后的数据采样。每一个平方后的数字采样传输给一个均方根数字滤波器202，其有允许均方根滤波器202以低通滤波器的方式工作的选定滤波器系统。滤波器系数和数字滤波器结构可根据已知的有限冲击响应(FIR)和无限冲击响应(IIR)技术或有限冲击响应(FIR)和无限冲击响应(IIR)技术的结合来设计，以便提供一个具有所需特性的低通滤波器。在这个最佳实例中，均方根滤波器202有下例特性：

测量带宽                             500千赫

超过123分贝的抑制阻带                49.9赫兹

到最后值的0.001％的建立时间          0.5秒

阶跃响应过冲                         0.0％

数据采集率            0.125，0.5，2和1000赫兹

在数字均方根滤波器202里，设计要求在来自电源线频率的50/60赫兹的高阻带波动的阶跃响应中没有过冲。数字均方根电路204通过对滤波后的均方根值进行平方根运算从而产生均方根值。平方根电路204包括硬件平方根电路，其与数字提取滤波器202在同一集成电路里形成。另外，平方根运算也可由外部微机处理器完成而获得均方根值。

滤波器参数由设计需要决定，该设计需要测量仪10在每秒2次的数据采集率时有一个5位数的交流均方根测量精度。阻带需能抑制50/60赫兹电源线频率波动。提取滤波器的参数和相关的转换功能可以修改以适合用于其它特殊测量要求的数据采样率和测量精度。用于达到能提取交流均方根值的数字提取滤波器112所需的转换功能的提取滤波器的结构和滤波器参数，可用该领域现有技术来完成。

返回见图6，标记为WAVEFORM的数字提取滤波器114是一种波形提取滤波器，其有一个被设计为可从信号调节器102接收的并被采样系统104数字化的输入信号中提取输入信号波形的结构。数字提取滤波器114有一个适合波形采集的转换功能。例如：数字提取滤波器具有适合俘获假信号的结构，这些假信号中延续时间极短的脉冲和高振幅的脉冲可以存储在存储器中。特殊的波形例如汽车应用里的具有常用公知的形状和时间参数的点火脉冲，可以利用数字提取滤波器104获取并最适合显示。

数字提取滤波器114包括公知的高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器组成的结构，用于滤去不想要的频率而让所需频率通过。例如：高频噪音可用一低通滤波器抑制。一个所需的已知频率的信号可被一带阻滤波器选择通过。数字提取滤波器114由于具有采用性和可变化的结构使其具有允许测量仪10测量各种信号参数的优点。

以PEAK MIN/MAX标记的数字提取滤波器是一种最大最小峰值提取滤波器，其有一个结构，专为提取输入信号的最大和最小值，正如来自采样系统的数字测量值。这个结构仅需由用于获取数字采样中的最大最小值的数字比较器和寄存器组成并具有被外部信号(图中未显示)重置的功能。这样一种结构，尽管容易实现，但却提供了可提取信号参数的能力，特别是如果和其它结构相结合可进一步提高其提取过程的可靠性。如果需要从数字采样中提取交流正弦波形式的输入信号的峰一峰值，则需使用一种结构，其包括一用在数字比较器前的集中在50/60赫兹左右的带通滤波器和一个寄存器以进一步抑制与电源线信号无关的外来噪音，从而提高峰—峰值测量质量。

数字提取滤波器110-116所提供的直流值、交流均方根值，波形参数值和最大最小峰值分别传给数字接口118，数字接口118选择地将这些值中每一个值提供给测量仪10的其余部分以作为数字测量值。数字接口118可组织这些测量参数并在需要时提供给测量仪10，通常根据用于显示或显示更新率的被选出的参数。数字接口118可用缓冲器，存储器和其它商业上广泛提供的用于存储和转换数字数据的数字设备来实现。

测量前端100根据测量仪10所需的测量功能提供数字测量值。因为只有一条输入信号通道在转换为数字采样之前交、直流路径没有区别，所以对信号调节器102的要求被大大地简化。由于一套数字提取滤波器110-116可同时从相同输入信号中提取许多所需参数。所以增加了测量仪10测量各种信号参数的能力。

图8描述了本发明的另一种实例中测量仪器前端100的简化方框图。通过用模—数转换器120代替西格玛—德尔塔转换器106和如图6所示的十分之一滤波器108而形成一采样系统104，产生数字采样，另外采样系统104内的其它模—数转换器布局也很容易被取代，只要模数转换器120的采样率和精度满足测量仪10的输入阻带和测量精度要求。

对那些本领域有普通技能的人来说，在以上所描述的本发明的最优选实例的细节上进行改变是非常容易的，在其扩展方面不脱离这一发明精神。例如：可使用大量的或小量的数字提取波器去提取所需的参数。通过使用标准的数字滤波元件以及如乘法器、平方根器和除法器以及需要的标准数字运算模块可很容易地适应测量附加的信号参数。数字比较器和寄存器也可用于检测特殊电平电压。因此本发明的范围将由下面的权利要求决定。

Claims (12)

1、一种测量仪的测量前端，包括：

(a)一个接收信号电压并从所述的信号电压中产生输入电压的信号调整器；

(b)一个与所述信号调整器耦合以接收输入电压并产生所述输入信号的数字采样的采样系统；

(c)多个数字提取滤波器，每一个所述的数字提取滤波器与所述的采样系统耦合，以同时接收所述的数字采样，这里所述的数字提取滤波器从所述的数字采样中提取大量的所述输入信号的测量参数。

2、根据权利要求1所述的测量仪的测量前端，所述的采样系统还进一步包括与所述的数字提取滤波器耦合的数字接口，该数字接口接收来自该套测量滤波器的测量参数并且为测量仪提供数字测量值。

3、根据权利要求1所述的测量仪的测量前端，所述的采样系统还进一步包括：

(a)接收所述输入电压并产生原始数字采样的西格玛—德尔塔转换器；

(b)一个与所述的西格玛—德尔塔转换器耦合的十分之一滤波器，用于接收原始数字采样和产生所述的数字采样。

4、根据权利要求1所述的测量仪的测量前端，所述采样系统还进一步包括一个接收所述输入电压并产生所述数字采样的模数转换器。

5、根据权利要求1所述的测量仪的测量前端，所述的一套数字提取滤波器还进一步包括：一个直流提取滤波器，一个均方根提取滤波器，一个波形提取滤波器和一个最大最小峰值提取滤波器。

6、根据权利要求1所述的测量仪的测量前端，所述测量参数还进一步包括直流，均方根，波形和最大最小峰值。

7、根据权利要求1所述的测量仪的测量前端，所述的一套数字提取滤波器连续地提取大量的所述的测量参数。

8、一种用测量仪从信号电压中获取大量测量参数的方法，包括下列步骤：

(a)通过调整所述信号电压获取输入信号；

(b)在采样系统中对输入信号进行采样获取数字采样；

(c)由多个数字提取滤波器同时接收所述的数字采样；

(d)利用所述多个数字提取滤波器从所述的数字采样中提取所述的大量的测量参数。

9、根据权利要求8所述的用测量仪从信号电压中获取大量测量参数的方法还进一步包括选择性地向所述的测量仪提供所述的大量的测量参数，作为测量值。

10、根据权利要求8所述的用测量仪从信号电压中获取大量测量参数的方法还进一步包括，所述该套数字提取滤波器包括一个直流提取滤波器，一个均方根提取滤波器，一个波形提取滤波器，一个最大/最小提取滤波器。

11、根据权利要求10所述的用测量仪从信号电压中获取大量测量参数的方法还进一步包括，所述大量测量参数还有直流，均方根，波形和最大最小峰值。

12、根据权利要求8所述的用测量仪器从信号电压中获取大量测量参数的方法还进一步包括，用所述的该套数字提取滤波器从数字采样连续地提取大量的测量参数。

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