CN1201153C - 低误差可变换的测量引线检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种低误差可变换的测量引线检测电路(9)，其用于提供精确的电流测量读数并降低由漏电流所引起的错误测量引线检测的影响。接收输入选择电压Vs的选通门(14)有选择地将输入电压Vd或地端连接到分压器(13)的输入中。在测量引线检测操作模式或保险丝断开检测操作模式中连接Vd，在电流测量操作模式中连接地端。在测量引线检测操作模式中，如果在分离插口(12)中存在测量引线的插针，分压器(13)对电源电压Vd进行分压。在保险丝断开检测操作模式中，在分离插口(12)中存在测量引线，如果存在保险丝(F1)，分压器对电源电压Vd进行分压。在电流测量的操作模式中，当测量引线插针位于分离插口(12)中时分压器(13)和分流器(11)形成串并电路。与分压器(13)的阻抗相比分流器(11)的阻抗可忽略，在分流器(11)上电压降与注入的电流成比例。因为在电流测量操作模式中分压器(13)通过选通门(14)接地，因此没有来自电源电压Vd的误差电流流经分流器(11)。结果，改善了在电流测量操作模式中的电流测量读数的精度。因为在测量操作模式中电源电压并不产生误差电流，分压器(13)的总的阻抗可以降低以降低在测量引线检测操作模式中漏电流的影响。

Description

低误差可变换的测量引线检测电路

技术领域

本发明涉及一种电测量仪表，更具体地说涉及测量引线检测电路。

背景技术

电测量仪表比如万用表应用测量引线将该仪表连接到电路或其它的测试部件中。测量引线包括在一侧上用于插入到构成电测量仪表的一部分的插孔中的插针。通常，电测量仪表具有许多插孔，在电压测量的过程中使用一组插孔，在电流测量中使用另一组插孔。在电流测量过程中，在电流测量组插孔上的电压较低。因为连接到电流测量插孔上的测量电路的阻抗很低，将较高的电压施加到电流测量插孔上可能导致很高的电流流经电流测量电路，从而破坏或损坏该电测量仪表。因此，对于一种仪器来说非常希望告戒使用者测量引线设置在电流输入插孔中以使使用者在将测量引线插入到电流测量插孔中时不会错误地试图测量电压。这通常通过应用分离的插座插孔和测量引线电路实现。此外，配备有测量引线检测能力的电表可以警告使用者不正确的连接测量引线或过载电流保险丝熔断。

一种分离的插座插孔包括一对间隔开的电触点。在测量引线的一端中的插针插入到分离的插座插孔中并跨接在触点之间的间隔上，由此在触点之间产生了电连接。

测量引线检测电路通常由通过用于电流测量的分离的插座插孔所间隔开的检测电路和分流电路组成。参见日本专利摘要Vol.17 No.369(P-1572)，12 July 1993和JP 05 060799A(Hiuki EE Corp)12 March 1993。实现测量引线检测电路的普通的方法是将分离的插座插孔的一个触点通过与过载电流保险丝串联的低值分流电阻连接到地端，并通过两个串联连接的高值上拉电阻将分离插座插孔的其它的触点连接到电源。通过将两个高值上拉电阻的公共节点连接到高输入阻抗设备比如模拟到数字转换器或比较器，将在该公共节点上的电压输送到在测量仪表内的检测电路中。当在两个高值上拉电阻的公共节点上的电压低于电源电压时，位于测量仪表内的检测电路指示测量引线存在，而当在两个高值上拉电阻的公共节点上的电压等于电源电压时，指示测量引线不存在。

当测量引线插针插入在分离插口中时，电源电压通过两个与低值的分流电阻和过载电流保险丝串联的高值上拉电阻连接到地端，产生了电流。流经两个高值上拉电阻的电流在该电阻上产生了电压降。这个电压降对在两个高值上拉电阻之间的电源电压进行分压。因此在两个高值上拉电阻的公共节点上所得的电压小于电源电压，表明在分离插口中存在测量引线。相反，如果不存在测量引线，则电源电压和两个高值上拉电阻没有连接到地端，因此不存在电流。结果，在两个高值上拉电阻上不存在电压降。因此，在两个高值上拉电阻的公共节点上的电压等于电源电压，表明不存在测量引线。

当测量引线正确地固定在分离插口中时，可以应用电测量仪表测量流经被测试物的电流。测量引线的其它端连接到被测试物，电流通过该引线连接到电测量仪表中，通过过载电流保险丝和分流电阻，并通过公共测量引线返回。在分流器和分压器之间对通过被测试物经过测量引线注入到电测量仪表中的电流进行分流。因为分流器阻抗在幅值上小于分压器阻抗的几个数量级，几乎所有的注入电流都流经分流器。流经分流器的电流在该分流器上产生了成比例的电压。将这种电压提供给在测量仪表中的高输入阻抗测量电路中，测量仪表输出与所监测的分压成比例的测量值。

这种方法有几个缺陷。首先，只要存在测量引线，用于测量引线检测的电源电压通过与两个低值分流电阻和过载电流保险丝串联的两个高值上拉电阻连接到地端，产生了电流。这种电流在分流器上产生了电压，这个电压增加了通过被测试物由测量引线所注入到电测量仪表中的注入电流所产生的电压，结果产生了测量误差。虽然通过增加高值上拉电阻的阻抗可以使这种测量误差最小，但是并不能消除该误差。

其次，即使在没有测量引线的情况下，在分离插口的电触点之间的漏电流可能足够使引线检测电路指示引线存在。在这种方面，灰尘和湿气都可能在分离插口的电触点之间产生漏电通路。当发生这种情况时，通过分压器、漏电通路、过载电流保险丝以及分流器的串联组合将电源电压连接到地端。在许多电路中，这种漏电通路的影响可以忽略，因为漏电通路的阻抗比在电路中的任何其它的阻抗的幅值都大几个数量级，结果几乎所有的电压降都出现在漏电通路上。然而，不幸的是，在有测量引线时，当两个高值上拉电阻的阻抗增加以使误差电流最小时，这不并不正确。在这种情况下，在分离插口的电触点之间的漏电通路的阻抗可以具有与高值上拉电阻的幅值相同的数量级。因此，漏电流使电源电压的更大的部分出现在两个高值上拉电阻上。当在分压器的输出上对这种电压降分压时，将输出电压降低到电源电压值以下的值。这种降低可以导致错误的测量引线检测。一种降低由漏电流引起的错误的测量引线检测的可能性的途径是降低上拉电阻的阻值。然而，当存在测量引线时这种降低成比例地增加了测量误差电流。

从前述的讨论中很容易地理解到需要一种新颖的改进的测量引线检测电路，这种测量引线检测电路能够降低或消除由在测量引线检测过程中所使用的电源电压所感生的电流引起的误差，并降低由漏电流所引起的错误测量引线检测的影响。本发明就是为实现这种需要。

发明内容

根据本发明，提供一种用于检测在电测量仪表的分离插口中存在测量引线插针的低误差可变换的测量引线检测电路，该分离插口由至少两个触点形成，所述触点之一通过分流器连接到地，其特征在于，所说的低误差可变换的测量引线检测电路包括：具有接收控制信号的门输入和根据所说的控制信号的状态连接到电源电压或地端的门输出的选通门；分压器，该分压器连接在所说的选通门的输出和分离插口的另一个触点之间，当所说的选通门将所说的门输出连接到所说的电源电压时对所说的选通门的输出进行分压并产生其幅值小于所说的电源电压的分压器的输出。分压器的阻抗优选为比分流器的阻抗的幅值大几个数量级。应用选通装置以在两种操作模式一测量引线检测和电流检测之间切换。

根据本发明的其它方面，在测量引线检测的操作模式中，选通装置将电源电压连接到分压器。如果没有测量引线插入到分离插口中，分离插口的电触点断开，且没有电流流经分压器。因为没有电流流经分压器，所以在分压器上没有电压降。结果，不存在电压分压，分压器的输出电压等于电源电压，表明没有测量引线。相反，当测量引线插入到分离插口中时，测量引线插针跨接在分离插口的电触点之间的空间上，然后通过分压器和分流器的串联组合将电源连接到地端。因此，等于电源电压除以分压器和分流器的阻抗之和的电流流经分压器和分流器。这个电流在分压器上产生了电压降，产生了电压分压。结果，分压器的输出电压小于电源电压，表明存在测量引线。

根据本发明的另一方面，在电流测量的操作模式中，选通装置将分压器连接到地端而不是连接到电源电压。当测量引线插入到分离插口中时，来自被测试物的电流通过测量引线注入到分离插口中。通过与由分压器和分流器所形成的并联通路所注入的电流流到地端。因为分流器的阻抗的幅值小于分压器阻抗的几个数量级，几乎所有的电流都流经分流器。仅有可忽略大小的电流流经分压器。流经分流器的电流产生了与电流成正比的参考电压。因为在测量引线检测过程中所使用的电源电压由在电流测量过程中的地电位所替代，消除了在由这个电源电压所产生的分流器中的误差电流。

根据本发明的再一方面，分压器阻抗比在分离插口上的漏电通路的阻抗至少小一个数量级。结果，在测量引线检测的操作模式中在分离插口上产生的由漏电流所产生的电压降的部分比在分压器上产生的电压降部分更大。在分压器上产生更低的电压降导致分压器的输出电压比如下的情况更接近电源电压：在分压器阻抗与分离插口漏电通路阻抗处于相同的数量级的情况。因为等于电源电压的分压器的输出电压表示测量引线不存在，包括其阻抗比分离插口的漏电通路的阻抗至少小一个数量级的分压器使得测量引线检测电路更不容易受到由于漏电流引起的错误的检测的影响。

根据本发明的更进一方面，在分离插口插孔和分流器之间插入过载电流保险丝。与过载电流保险丝串联的分流器将分离插口的一个电触点连接到地端。在测量引线检测的操作模式中，当将测量引线插入到分离插口中时检测保险丝断开。当测量引线插入到分离插口中时，测量引线插针跨接在分离插口的电触点之间的间隙上，然后从选通装置通过分压器、过载电流保险丝和分流器将电源电压连接到地端。如果过载电流保险丝是断开的，没有电流流经该电路。因此，在分压器上没有电压降。结果，分压器的输出电压等于电源电压，表明过载电流保险丝断开。

从前述的描述中很容易地理解，本发明提供了一种可变换的测量引线检测电路，这种测量引线检测电路(i)消除了由用于测量引线检测的电源电压所产生的电流导致的误差，(ii)降低由通过分离插口的漏电流所引起的错误引线检测的影响，以及(iii)提供过载电流保险丝检测的能力。

附图说明

当结合附图，通过参考下文的详细描述将更容易地理解并更好地理解本发明的前述方面和本发明的许多附加优点。

附图1所示为根据本发明所形成的低误差可变换的测量引线检测电路的方框图；以及

附图2所示为适合于在附图1的方框图中所示的电路中使用的分流器、分压器以及限幅器的示意图。

具体实施方式

附图1所示为以方块形式示出的根据本发明形成的低误差可变换的测量引线检测电路9。在附图1中所示的低误差可变换的测量引线检测电路9包括分流器11、保险丝F1、分离插口12、分压器13、CMOS门14、限幅器15、输出电阻器R1和滤波电容器C1。

将选通门选择信号Vs施加到CMOS门14的输入中。根据门信号Vs的不同状态，CMOS门14将电源Vd或地端21连接到分压器13。当电源Vd连接到分压器13时，低误差可变换的测量引线检测电路9处于测量引线检测的操作模式。在测量引线检测的操作模式中，电源Vd通过分压器13连接到分离插口12的电触点17。分离插口12的其它的电触点19通过保险丝F1和分流器11所形成的串联电路连接到地端21中。当测量引线插针插入到分离插口12中时，测量引线插针在分离插口12的电触点17和19之间的间隙跨接。因此，通过分压器13、分离插口12、保险丝F1和分流器11所形成的串联电路将电源Vd连接到地端。当测量引线插针插在分离插口中时电流流经这个串联电路。这种电流在分压器13上产生电压降，这个电压降产生了其幅值小于电源Vd的输出电压Vo。可取的是，分压器13的阻抗至少比分流器11的阻抗大几个数量级。结果，在由分压器13、分离插口12、保险丝F1和分流器11所形成的串联电路上的基本上所有的电压降都在分压器13上。分压器的这种结构使得当将测量引线插针插入在分离插口中时分压器的输出电压Vo比电源电压Vd小得多，因此，可以检测在Vo和Vd之间的差值。

如果在分离插口12中没有测量引线，则分离插口12的电触点断开。因此，电源Vd不通过分压器13、分离插口12、保险丝F1和分流器11连接到地端21。结果，除了漏电流以外，没有电流从电源电压Vd流到地端。因此，输出电压Vo等于电源电压电平Vd。

此外，当可变换的测量引线检测电路9处于引线检测模式时，测量引线插针插入在分离插口12中，应用测量引线检测电路9检验断开的过载电流保险丝F1。如果存在过载电流保险丝F1，则电流流经过载电流保险丝F1到达地端。结果，分压器输出电压Vo极大地小于电源电压Vd。然而，如果过载电流保险丝F1不存在或熔断了，则没有电流流经过载电流保险丝F1，分压器输出电压Vo将等于电源电压Vd。

根据本发明，分压器13的阻抗极大地小于通过分离插口12的漏电通路的阻抗，优选小于几个数量级。选择这种阻抗关系以使由于漏电流所引起的错误的测量引线检测最小。例如，如果分压器13的阻抗等于通过分离插口12的漏电通路的阻抗，则在漏电通路上的电压降几乎等于在分压器13上的电压降。因此，分压器13的输出电压Vo相当大地小于电源电压Vd，小于在分压器阻抗相当地地小于通过12的漏电通路的阻抗的情况，因此增加了产生错误的测量引线检测的危险。相反，使分压器13的阻抗相对于通过分离插口12的漏电通路的阻抗最小增加了在漏电通路上的成比例的电压降，降低了发生错误的测量引线检测的危险。

选择分压器13的阻抗另一种考虑是电测量仪表的额定功率。分压器13必需能够以电测量仪表的额定的电压消耗功率。因此，当分压器13的阻抗降低时，分压器13的物理尺寸必需增加以容纳当将额定的电压施加到电测量仪表时更大的电流。结果，选择阻抗关系主要是使由漏电流所引起的错误测量引线检测最小，可取的是还使它不要求多余的空间。

当CMOS门14将分压器13连接到地端21时，低误差可变换的测量引线检测电路9处于电流测量的操作模式中。在这种模式中，当将测量引线插针插入在分离插口12中时，测量引线跨接在分离插口12的电触点17和19之间的间隙上。来自被测试物的电流通过测量引线注入到由保险丝F1和分流器11以及分压器13所形成的综合并连电路中。因为与分压器13的阻抗相比分流器11的阻抗较低(可取的是可忽略)，几乎从被测试物注入的所有的电流都流经分流器11。只有可忽略的量的电流流经分压器13。在分流器11上的这种电压降的幅值与流经分流器11的电流的幅值成正比。此外，因为分压器13接地，所以不存在由电源电压Vd所产生的误差电流流经分流器11。

在流经分离插口12的电流过载的情况下，保险丝F1通过从该电路中断开分流器11提供电路保护。这就断开了该电流通路，阻止了电流流经分流器11。可取的是，低误差可变换的测量引线检测电路9还包括限幅器15，该限幅器15对在电源电压Vd和地端之间的分压器13的输出电压Vo起钳位作用。结果，在保险丝F1已经熔断之后在分离插口12上的过电压都消耗在分压器13上。分压器13的输出电压Vo限制在输出电压Vd和地电位之间，由此保护了连接到分压器的输出的装置。此外，可取的是，应该选择分压器13的阻抗以便在不要求多余物理空间的情况下能够处理过压的情况和导致的功率耗散。

通过电容器C1和分压器13形成的滤波器滤去在输出电压Vo上的高频噪声。滤波器为低通单极RC滤波器，其截止频率为3分贝，这个截止频率由滤波电容器C1的值和输出阻抗的幅值(如分压器13的输出)决定。单极滤波器衰减了其频率超过滤波器的截止频率的噪声。

因此在电阻器R1的输出端上可获得经调节的输出电压Vj，该电阻器R1连接到高阻抗级检测或测量电路(未示)。当状态输出电压Vj远小于电源电压Vd时引线检测电路指示存在测量引线，而当状态输出电压基本等于电源电压Vd时它指示不存在测量引线。输出电阻器R1保护测量电路不受在分压器13的输出电压Vo上的过渡信号的影响。通常，由于从连接到输出电阻器R1的高输入阻抗电路中流出的电流是可忽略的，因此在输出电阻器R1上的电压降可忽略。结果，经调节的输出电压Vj与分压器13的输出电压Vo基本相同。

附图2所示为在附图1中所示的类型的低误差可变换的测量引线检测电路9的更详细的示意图。更具体地说，附图2所示为优选用于形成分流器电路11、分压器电路13和限幅器电路15的部件。

在附图2中所示的分流器电路11包括：R4表示的电阻器；分压器13包括两个串联的以R2和R3表示的电阻器；以及限幅器15包括两个以D1和D2表示的二极管。分压器输出Vo产生在R2和R3公共的节点上。R2和R3串联连接以使R3连接到CMOS门14的输出上以及R2连接到分离插口12的一个触点17上。如上文所述，R4的阻抗比分压器13的阻抗低得多。结果，通过测量引线所注入的几乎所有的电流都流经R4。在低误差可变换的测量引线检测电路9处于电流测量操作模式时，只有可忽略的一部分电流流经R2和R3。

当低误差可变换的测量引线检测电路9处于测量引线检测操作模式中时，在分离插口12中的测量引线将选通的电源电压Vd通过分压电阻器R2和R3、分离插口12、保险丝F1和分流电阻器R4连接到地端。基本等于电源电压Vd除以R2、R3和R4的电阻值之和的电流流经该串联电路。因此输出电压Vo等于输出电压Vd乘以R2和R4的电阻之和除以R2、R3和R4的电阻值之和的比率。

如上文所述，为了使由漏电流所引起的错误测量引线检测最小，选择R2和R3的值为比分离插口漏电通路的电阻小得多。在分离插口12中没有测量引线插针的情况下，与分离插口漏电通路电阻相比时将R2和R3的电阻值保持较低，相对在R2和R3上的电压降增加了在漏电通路上的电压降。选择R2和R3的阻值以使在R2和R3上的电压降极大地低于在分离插口漏电通路电阻上的电压降，保持输出电压Vo接近于电源电压Vd，由此降低错误测量引线检测的影响。

如果在分离插口12出现过压的情况并且保险丝F1已经熔断时，R2还具有限制电流的作用。因为输出电压Vo稳定在电源电压Vd和地电位之间，在分离插口12上的任何过压都被消耗在R2上。因此，理想的是R2具有相对较高的电阻值。

如上文所述，当低误差可变换的测量引线检测电路9处于电流测量操作模式时，CMOS门14将分压器(具体为R3)连接到地端。结果，从该电路中断开了电源电压Vd，消除了电源电压Vd所产生的任何误差电流。当在分离插口12中插入测量引线插针时，来自被测试物的电流注入到由分流电阻器R4和分压电阻器R2和R3所形成的综合并联电路中。流经分流电阻器R4的电流的比率等于R2和R3的电阻之和除以R2、R3和R4的电阻之和的比率。因为分流电阻器R4的电阻比分压电阻器R2和R3的电阻之和小得多，因此几乎所有的电流都流经分流电阻器R4。包括在并入了本发明的电流测量仪表中的高输入阻抗测量电路(未示)测量由流经分流电阻器R4的电流所产生的电压。测量电路将电压值转换为成比例的电流测量值。

限幅器电路15的一个二极管D1形成了正电压钳位二极管，另一个二极管形成了地电位钳位二极管。这样，D1的阴极连接到电源Vd，D2的阳极接地。D2的阴极连接到D1的阳极，在D1和D2之间的接点连接到在R1、R2和R3和C1之间的接点。正电压钳位二极管D1和地电位钳位二极管D2分别将分压器钳位在电源电压Vd或地电位上。如果在分压器13的输出上产生了超过电源电压Vd与正钳位二极管D1接通电压Von之和的过电压，则D1正向偏压，分压器输出被钳位在Vd和Von之和上。相反，如果分压器13的输出小于Von的负值，地电位钳位二极管D2正向偏压，分压器输出被钳位在Von的负值上。

虽然已经描述并示出了本发明的优选实施例，但是应该理解的是在不脱离如附加的权利要求所述的本发明的精神范围的前提下可以作出各种变型。

Claims (17)

1.一种用于检测在电测量仪表的分离插口(12)中存在测量引线插针的低误差可变换的测量引线检测电路，该分离插口(12)由至少两个触点(17和19)形成，所述触点之一(19)通过分流器(11)连接到地，其特征在于，所说的低误差可变换的测量引线检测电路包括：

(a)具有接收控制信号的门输入和根据所说的控制信号的状态连接到电源电压(Vd)或地端(21)的门输出的选通门(14)；

(b)分压器(13)，该分压器连接在所说的选通门的输出和分离插口(12)的另一个触点(17)之间，当所说的选通门(14)将所说的门输出连接到所说的电源电压(Vd)时对所说的选通门(14)的输出进行分压并产生其幅值小于所说的电源电压的分压器的输出。

2.如权利要求1中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中所说的分压器的阻抗小于通过所说的分离插口(12)的漏电通路的阻抗。

3.如权利要求2中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中所说的分流器(11)的阻抗小于所说的分压器(13)的阻抗。

4.如权利要求1中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中所说的分流器(11)的阻抗小于所说的分压器(13)的阻抗。

5.如权利要求1中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中所说的分压器(13)包括一对串联电阻器(R2/R3)。

6.如权利要求5中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中形成所说的分压器(13)的所说的一对串联电阻器(R2/R3)的电阻小于通过所说的分离插口(12)的漏电通路的电阻。

7.如权利要求5中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中所说的分流器(11)包括一个电阻器(R4)。

8.如权利要求7中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中形成所说的分流器(11)的所说的电阻器(R4)的电阻小于形成所说的分压器(13)的所说的一对串联电阻器(R2/R3)的电阻。

9.如权利要求8中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中形成所说的分压器(13)的所说的一对串联电阻器(R2/R3)的电阻小于通过所说的分离插口(12)的漏电通路的电阻。

10.如权利要求1中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，包括连接在所说的分流器(11)和所说的分离插口(12)之间的保险丝(F1)。

11.如权利要求1中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，包括限制所说的分压器输出电压的幅值的限幅器(15)。

12.如权利要求11中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中所说的限幅器(15)包括一对二极管(D1/D2)。

13.如权利要求12中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中所说的二极管中的一个二极管(D1)连接在所说的分压器输出和正电源电压(Vd)之间，当所说的分压器输出的电压的幅值小于所说的正电源电压的幅值时所说的二极管反向偏压；以及所说的二极管中的另一个二极管(D2)连接在所说的分压器输出和地端之间，当所说的分压器输出大于地电位时所说的另一个二极管反向偏压。

14.如权利要求1中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，其中所说选通门是CMOS门。

15.如权利要求1中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，包括连接在地端和所说的分压器输出之间的滤波电容器(C1)。

16.如权利要求1中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，包括连接到所说的分压器输出的输入电阻器(R1)的一端部。

17.如权利要求16中所述的低误差可变换的测量引线检测电路，包括连接在地端和所说的分压器输出之间的滤波电容器(C1)。

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