ЦИФРОВОЙ МУЛЬТИМЕТР С АВТОМАТИЧЕСКИМ ВЫБОРОМ ФУНКЦИИ ИЗМЕРЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01R15/12 

[0001] ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0002] Изобретение является цифровым мультиметром, который осуществляет автоматический выбор сложных категорий функций измерения аналоговой величины и измерительных диапазонов с помощью вольтметра, состоящего из аналогового/цифрового конвертера и подходящего вспомогательного источника энергии, микропроцессора и электрических переключателей.

[0003] УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0004] Обычные цифровые мультиметры обычно обеспечивают механический выбор измерений самим пользователем или выбор измерений с помощью нажатия клавиш. Например, с учетом того, чем обеспечивается работа измеряемого объекта: постоянное/переменное электрическое напряжение, сопротивление или постоянный/переменный электрический ток, кнопка установки ставится на соответствующую позицию функции измерения, что обеспечивает электрическую связь.

[0005] Цифровые мультиметры с автоматическим измерительным рядом могут после выбора функции измерения выбрать подходящий измерительный спектр, используя разные комбинации внутренних электрических позиций, в соответствии с размером измеряемого объекта. Следовательно, цифровые мультиметры могут осуществлять полные измерения для разных величин (например, напряжение постоянного тока). Для этого всего лишь необходимо выбрать соответствующую позицию функции измерения (например, напряжение постоянного тока). Использование мультиметра предполагает выбор пользователем нескольких позиций, подходящих к измерению той или иной функции, предлагаемой прибором (например, напряжение постоянного тока). Ни один из существующих мультиметров не может автоматически задавать функцию измерения.

[0006] В проектах добавлен автоматический выбор функции измерения, основанный на цифровом мультиметре с автоматическими диапазонами измерения. Несмотря на это датчик типа сигнала обязан обнаруживать тип сигнала аналогового входа. Типы сигнала аналогового входа, который может быть обнаружен с этой целью, ограничены. Кроме того, влияние входного импеданса и выключателей в датчиках типа сигнала уменьшают работу мультиметров с автоматическим выбором функций измерения, сокращая их практическую значимость.

[0007] Значительные поправки были сделаны для мультиметров с автоматическим выбором функции измерения в Китае, патент CN 200310112175.3, сделав мультиметры с автоматическим выбором функции измерения доступными к практическому применению. Однако, что касается автоматического выбора пассивного аналогового входа без напряжения/тока, остаются большие пределы, такие как измерения емкости, индуктивности и диодного напряжения.

[0008] Цель изобретения состоит в обеспечении нового типа цифрового мультиметра с автоматической функцией выбора диапазона измерения, который не только может автоматически выбрать функцию измерения с учетом того, чем обеспечивается работа измеряемого объекта: постоянное/переменное электрическое напряжение, сопротивление или постоянный/переменный электрический ток, но у которого есть особенность автоматического выбора функции измерения среди большего количества типов пассивного компонента, включая сопротивление, т.е измерение сопротивления, емкости, индуктивности и диодного напряжения. При самых простых условиях ВКЛ./ВЫКЛ. функциональность этого мультиметра может осуществляться с помощью переключателя электропитания ВКЛ./ВЫКЛ. Кроме того, у этого мультиметра есть скорость срабатывания, которая быстрее, чем у обычных мультиметров, что позволяет автоматически обнаруживать диапазоны измерения во время измерений.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Изобретение выполнено следующим образом: цифровой мультиметр, который автоматически выбирает функции измерения, включает в себя измеряемые входные терминалы объекта, конверсионные кругообороты для быстрого аналогового/цифрового преобразования, микропроцессор, вспомогательный управляемый программой источник напряжения или тока, потенциальный сепаратор сети, электронный выключатель и дисплей. Быстрый аналоговый/цифровой конвертер соединяет окончательно измеренный входной объект посредством потенциального сепаратора сети для быстрого измерения напряжения между входными терминалами; быстрый аналоговый/цифровой конвертер выводит данные на микропроцессор для анализа и обработки. Микропроцессор управляет электронным выключателем в переключении потенциальной сети сепаратора и диапазоне измерения. Результат измерения передается на дисплей, будучи обработанным микропроцессором.

[0010] Когда мультиметр обнаруживает внешнее напряжение на внутренних терминалах, микропроцессор автоматически определяет, есть ли циклическое изменение полярности в выводе данных от быстрого аналогового/цифрового конвертера, является ли сигнал постоянного или переменного электрического напряжения, определяет полярность и ценность сигнала постоянного напряжения. Также выдаются некоторые числовые результаты, такие как амплитудное значение, эффективное значение, частота и цикл, посредством анализа и обработки. Конечно, только когда скорость осуществления выборки быстрого аналогового/цифрового конвертера многократно выше, чем частота измеряемого сигнала переменного напряжения, он может быть точно измерен.

[0011] В случае если мультиметр не обнаруживает внешнего напряжения, он начинает измерение для пассивного аналогового объекта. Микропроцессор направляет вспомогательный, управляемый программой, источник напряжения/тока для осуществления вывода во входном терминале, и быстрый аналоговый/цифровой цикл конвертера вводит измеренный результат в микропроцессор для анализа с целью определения природы измеряемого пассивного аналогового объекта. Когда вспомогательное управляемое программой напряжение/ток активно, аналоговое измерение объекта во входном терминале продолжается, связь с вводным терминалом прерывается; когда вспомогательное управляемое программой напряжение/ток пассивно, аналоговое измерение объекта во входном терминале продолжается, осуществляется связь с вводным терминалом. Быстрый аналоговый/цифровой цикл конвертера и управляемый программой источник напряжения/тока, которым управляет микропроцессор, соединяются, чтобы выбрать среди многократных типов аналоговых количественных измерений, в дополнение к измерению соответствующего диапазона измерения. Количественные аналоговые измерения объекта продолжаются следующим образом: вспомогательный источник, управляемый программой, сначала выводит пробный микропоток таким образом, что входной терминал осуществляет цикл с высоким входным импедансом.

[0012] Микропроцессор получает данные об измерении и управляет электронным переключателем управляемых программой источников напряжения/тока, основанных на контрольном сигнале данных изменить природу и размер управляемого программой источника и, таким образом, диапазон измерения. Сохраняя частичные данные измерения, микропроцессор может сохранить и показать графическую форму волны входного сигнала изменения.

[0013] В изобретении есть кнопка выбора, которая соединяет микропроцессор. Эта кнопка позволяет пользователю покинуть функцию автоматического выбора измерения, функция измерения может переключаться при каждом нажатии кнопки.

[0014] В отличие от существующих технологий, это изобретение быстро подстраивается под аналоговые/цифровые конверсионные технологии и используемый определенным вспомогательным источником энергии метод при измерении пассивного аналоговыого сигнала, чтобы измерить срабатывания между входными терминалами после того, как вспомогательный источник энергии применен во время измерений на пассивных элементах. Изобретение обеспечивает мультиметр, который автоматически выбирает функции измерения, давая автоматическое заключение о природе и размере сигнала объекта для того, чтобы сделать возможным автоматический выбор функций измерения для большего количества типов аналогового сигнала, чем ранее. Раньше автоматическая идентификация и автоматический выбор диапазона измерения были невозможны.

[0015] В отличие от существующих технологий, во время измерений сигнала переменного напряжения, данное изобретение не только определяет эффективное значение сигнала переменного напряжения, но и получает данные о сигнале, такие как частота и максимальное напряжение. Обычные мультиметры могут легко определить точное эффективное значение, только преобразовав сигнал переменного напряжения в сигнал постоянного напряжения с помощью специального конвертера точного эффективного значения. В отличие от обычных мультиметров точного эффективного значения, данное изобретение не допускает ошибок в определении диапазона сигнала переменного напряжения, который имеет большой несинусный коэффициент амплитуды (высокое максимальное напряжение, но небольшое эффективное значение). Обычные мультиметры точного эффективного значения могут допускать ошибки в определении диапазона сигнала, которые порождают большие погрешности вычислений.

[0016] В отличие от существующих технологий, данное изобретение позволяет получать более точные данные об измерениях сигналов постоянного напряжения с помощью корректировки полуволны переменного напряжения или корректировки полной волны или об измерении однонаправленных вибрационных сигналов.

[0017] В отличие от существующих технологий, данное изобретение использует усовершенствования скорости измерения, принимая быструю аналоговую/цифровую конверсионную технологию. Изобретение может не только измерить транзитные амплитуды элементов аккумулирования энергии, включая емкость и индуктивность, но и сокращает время, требуемое для пробного измерения, которое определяет функцию. Время, требуемое для того, чтобы измерить диапазон сигнала, и для того, чтобы переключиться, также сокращено, и амплитуда всего мультиметра сильно увеличивается. Проблемы, связанные с долгим резервным временем в обычных мультиметрах с автоматическими измерениями диапазона, таким образом, решаются.

[0018] Это изобретение может эффективно интегрировать функцию предупреждения в мультиметр, который автоматически выбирает функции измерения с помощью звука предупреждения, когда значение электрического сопротивления меньше, чем определенное ожидаемое значение. В других мультиметрах эта функция и диодная функция измерения могут выполняться при установке отдельных положений функции измерения. Это обеспечивает измерения непрерывности, которые обеспечивают быструю реакцию, так как аналоговый метод сравнения достаточно быстрый. Поскольку обычные мультиметры с автоматическим обнаружением диапазона измерения подвергаются нескольким преобразованиям диапазона от разомкнутой цепи метра к измерению сопротивления ниже определенного значения (например, 30 Ом), реакция будет медленной

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0019] На Фиг.1 представлена блок-схема основных характеристик мультиметра;

[0020] на Фиг.2 представлена структурная схема основных функциональных действий или положений для автоматического выбора функции измерений при реализации, представленной на Фиг.1;

[0021] на Фиг.3 представлена блок-схема цифрового мультиметра, который осуществляет выбор функций измерения всего лишь с помощью одной кнопки, в которой задана эта функция.

[0022] на Фиг.4 представлена блок-схема цифрового мультиметра после того, как кнопка дополнительной функции выбора задана.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0023] Сопроводительные чертежи раскрывают пример осуществления изобретения, который не должен восприниматься как определенное ограничение к структуре изобретения. Дальнейшие описания даются ниже вместе с сопроводительными чертежами.

[0024] Ниже дается подробное описание данного изобретения в сочетании с приложенными диаграммами. Фиг.1 включает в себя три вводных терминала: 1, 2 и 3, и четыре части цикла: А, В, С и D. Среди частей цикла, часть А - это быстрый аналоговый/цифровой конвертер; часть В - микропроцессор; часть С - дисплей, и часть D - источник напряжения/тока, управляемый частью В. Вводный терминал 2 - это обычный терминал, который, как и обычный мультиметр, представляет основу измеряемого сигнала. Вводный терминал 1 - это вводный терминал всех измеряемых аналоговых сигналов, за исключением измерений тока. Во время измерения, объект, обеспечивающий измеряемый аналоговый сигнал, соединяется между терминалом 1 и 2. Вводный терминал 3 - это вводный терминал для измерения тока, и измеряемый сигнал тока соединяется между вводными терминалами 3 и 2. Сопротивление R6 уже соединено между вводным терминалом 3 и 2, функцией которого является превращение сигнала тока в сигнал напряжения. Во время измерения тока, вольтметр с автоматическим измерительным диапазоном, образованным быстрым аналоговым/цифровым конвертером, измеряет напряжение между терминалом 3 и 2, которое определяет природу и объем измеряемого тока. Выбор объема и силы сопротивления R6 зависит от объема измерительного тока. Когда измерение тока не является необходимым, этот вводный терминал и R6 могут не использоваться.

[0025] На Фиг.1, часть А - это вольтметр с автоматическим диапазоном, который берет в основу быстрый аналоговый/цифровой конвертер и задает электронный переключатель, управляемый частью В и сопротивлением R1, R2, R3, R4 и R5. В соответствии с объемом вводного напряжения, ВКЛ./ВЫКЛ. электронного переключателя, управляемого частью В, позволяет R1-R5 быть объединенным в потенциальную сеть сепаратора с отношением напряжения 1, 10, 100, 1000 и 10000, позволяя преобразовывать вводное напряжения разного объема в область измерения быстрого аналогового/цифрового конвертера. Например, соответствующий диапазон напряжения 400 mV, 4 V, 40 V, 400 V и 1000 V. С коэффициентом напряжения 1, то есть с прямым входом основного диапазона на 400 милливольт без ослабления, у части А очень высокий входной импеданс. У части А импеданс 10 М Ом в других условиях. Так же как конверсионная скорость быстрого аналогового/цифрового конвертера достаточно быстра, данные и изменения между входными терминалами могут быть получены в пределах определенной области. Быстрый аналоговый/цифровой конвертер при этом может преобразовать больше чем несколько тысяч циклов в секунду, в отличие от медленного аналогового/цифрового конвертера, используемого в обычных мультиметрах, которые могут преобразовать только несколько циклов в секунду. Кроме того, принятие быстрого аналогового/цифрового конвертера уменьшает время, которое требуется мультиметру для определения измерений функции и преобразования сигнала в точный диапазон. Этим он отличается от существующих обычных мультиметров с автоматическим выявлением диапазона, которые долгое время ждут, прежде чем получить точный результат.

[0026] Часть В - это микропроцессор, который одновременно получает выходные измерительные данные от части А и выводит контрольный сигнал для управления электронным переключателем части А, также меняет диапазон, в зависимости от условий данных, и превращает часть А в вольтметр с автоматическим выявлением диапазона. Фактически, графическое изображение формы волны входного изменения сигнала как функция времени может быть сохранена, сохраняя частично данные об измерениях части А. Поэтому в соответствии с изменениями в сигнале напряжения и циклических сменах направления (полярность), мультиметр может идентифицировать, является ли сигнал напряжения постоянного тока или переменного тока или и того и другого, и внести соответствующие корректировки. Это позволяет дисплею показывать не только числовые результаты измерения, но также и форму волны, графическую схему измеренного сигнала или изменения его значения наряду со временем. Если напряжение превышает заданное пороговое значение между входными терминалами 1 и 2, то мультиметр будет входить, удерживать измерение напряжения и автоматически переставлять диапазон. Цель установки порогового значения состоит в том, чтобы избежать ошибки определения функции из-за внешнего сигнала вмешательства в случае разомкнутой цепи во входных терминалах.

[0027] Если часть А не обнаруживает сигналов напряжения, которые превышают пороговое значение на отрезке времени (например, 10 миллисекунд), часть В начинает этап проверки для пассивных аналоговых сигналов. Часть В управляет частью D и обеспечивает ввод тока в вводный терминал 1. Вывод части D не связан с вводным терминалом 1. Объект измерения ненапряжения может рассматриваться как резистор, диод, конденсатор или катушка индуктивности или как входной терминал, который находится в условиях разомкнутой цепи в соответствии с измерением в результате изменений напряжения между входными терминалами 1 и 2 частью А.

[0028] Если входные терминалы 1 и 2 замечены в условиях разомкнутой цепи, часть В управляет частью А, чтобы переключиться на измерение напряжения между входными терминалами 3 и 2. Если обнаруживается напряжение, превышающее значение определенного порога, мультиметр будет измерять ток. Процесс определения постоянного или переменного тока будет тем же, что и определение напряжения, описанное выше.

[0029] Если ввод тока не обнаруживается между вводными терминалами 3 и 2, часть В возвращает измерения на начальную стадию, позволяя части А начать обнаружение напряжения между вводными терминалами 1 и 2. Повтор осуществляется по вышеописанным этапам.

[0030] Часть С - дисплей, который показывает соответствующие измерительные результаты и обозначения единицы измерения в соответствии с данными, которые выводит часть В. Если необходимо, то графическая схема формы волны или измеряемого объекта выводится на дисплей вместе со временем и числовыми результатами во время измерения переменного тока или напряжения.

[0031] Часть D - источник напряжения или тока, управляемый частью В. Управляемая частью В часть D может выводить сигнал напряжения или тока разных объемов и форм волны в вводный терминал 1, удовлетворяя требования к измерениям разных объектов. Например, 0.01 µA, 1 µА или 1 mA может выводиться постоянный ток или треугольная волна тока. Максимальный выход напряжения, например, 2 V. При измерении напряжения, происходит соединение части D и вводного терминала 1.

[0032] Принцип, с помощью которого различаются измерения сопротивления, емкости, индуктивности и диодного напряжения, - разное время срабатывания относительно источников приложенного напряжения или тока.

[0033] Если измеряемый объект - резистор, диод, конденсатор накопительной энергии или индуктор, напряжение/ток соотносятся следующим образом:

1) отношение между напряжением u_R и током , протекающим с сопротивлением:

, или

2) отношение между током i_c, протекающим в конденсаторе С, и напряжением u_c на конденсатор в соответствии с временным коэффициентом изменения :

, или

3) отношение между током i_L, протекающим через индуктор L, и напряжением u_L на индуктор в соответствии с временным коэффициентом изменения :

, или

4) для соотношения напряжения/тока в диоде, следующее выражение соединения процессорного узла диода характеристик вольт-ампера обычно называется выравниванием диода:

В выравнивании, I_S - обратный ток насыщения, U_T является равноценным току температуры. Ниже нормальных температур (300 К), U_T≈2.6 mV.

[0034] Из выравнивания диода следует, что если обратное напряжение U<0 используется в диоде и |U|>>U_T, I≈-I_S. To есть обратное напряжение по существу является константой. Если прямое напряжение используется в диоде, U>0 и U>>U_T, тогда в выравнивании, и следовательно, , что показывает, что прямое напряжение тока I и напряжение U относятся в геометрической прогрессии.

[0035] Измеряя диод с помощью мультиметра, диод измеряется и во всех направлениях, что позволяет судить о его качестве. Это измерение дает разомкнутый контур в обратном направлении, так как диод показывает высокий импеданс. Наблюдается спад прямого напряжения, когда диод находится в прямом направлении. Обычно спад прямого напряжения измеряется при токе в 1 mA.

[0036] Поэтому, измеряя сопротивление, часть А не будет измерять напряжение, проходя через пассивные компоненты, включая разряженный конденсатор, катушку индуктивности или диод. Тогда, часть D вводит постоянный ток или напряжение из источника с сопротивлением определенного значения, связанный последовательно с входным терминалом 1. Измеряемый объект, связанные между входными терминалами 1 и 2, например резистор, конденсатор, катушка индуктивности или диод, покажет разный результат, следуя из разных изменений в напряжении между входными терминалами 1 и 2.

[0037] Если измеряемый объект - резистор, формула (1) указывает, что напряжение, измеренное частью А, находится в прямой пропорции со значением сопротивления и током через сопротивление. Поэтому, когда часть D, которой управляет микропроцессор, производит и применяет известный постоянный ток, напряжение, измеренное частью А, является постоянным значением. Поскольку значение постоянной величины изменено, напряжение на резисторе изменится в пропорции. Вычисляя отношение между напряжением, измеренным частью А, и известным постоянным током, мы можем получить числовой результат значения сопротивления. Состояние, превышающее максимальную область измерения сопротивления, отрегулированную мультиметром, рассматривается как разомкнутая цепь. Метод пропорции, обычно используемый в обычных мультиметрах, может также использоваться в измерении сопротивления.

[0038] Измерения диода аналогичны измерениям резистора, но отличаются от измерений конденсатора или катушки индуктивности. Поскольку конденсаторы и катушки индуктивности являются элементами аккумулирования энергии, они показывают результаты с временной зависимостью, когда постоянный ток внезапно применен с двух сторон. Для обратных измерений на диоде применение постоянного тока с обеих сторон приводит к положению более высокой неизбежности или разомкнутой цепи, даже в самом высоком выходном напряжении (например, 2 V) от части D. Это делает часть D неспособной производить ожидаемое значение тока. Формула (4) указывает, что, когда часть D, которой управляет микропроцессор, производит и применяет известный постоянный ток, напряжение, измеренное частью А, является постоянным значением, представляя постоянную неизбежность. Изменяя значение постоянного тока, напряжение, измеренное частью А, не будет изменяться в пропорции к сопротивлению. Чем больше ток, тем меньше импеданс. Поэтому диодные измерения можно отличить от состояния измерения сопротивления. Когда постоянный ток сведен к 1 mA, числовое значение для передового спада напряжения диода в 1 mA тока получено.

[0039] Конденсаторными измерениями управляет формула (2). Когда постоянный ток внезапно применен с обеих сторон разряженного конденсатора при измерении, напряжение в обоих концах изменится от ноля, поскольку время увеличивается. Величина изменения этого напряжения прямо пропорциональна значению примененного тока и обратно пропорциональна пропорциональной емкости измеряемого конденсатора. Имея значение i_c выхода тока из части D и измеряя колебание в Δu_c напряжения на конденсатор частью А на определенном отрезке времени Δt, мы получаем числовой результат емкости измеряемого конденсатора: . Это уравнение является другим выражением формулы (2). Если используемый постоянный ток будет обратным, то напряжение на конденсаторе уменьшится и изменение уровня уменьшения напряжения все еще непосредственно пропорционально значению используемого тока и обратно пропорционально емкости взвешенного конденсатора.

[0040] Относительно измерений индуктивности видно из формулы (3), что ток через измеряемую катушку индуктивности внезапно не изменится. Поэтому, пытаясь применить ожидаемый ток к катушке индуктивности, противодействующая электродвижущая сила, произведенная индуктивностью, сделает часть D неспособной произвести ожидаемое значение тока, таким образом, вызывая максимальное выходное напряжение (например, 2 V) от части D. Под этим напряжением ток в индуктивности будет постепенно увеличиваться, пока значение тока, ожидаемое частью D, не будет достигнуто. Напряжение с обеих сторон катушки индуктивности уменьшится, и, наконец, это напряжение будет сохранено при падении напряжения. Если ток будет внезапно прерван, то большая противодействующая электродвижущая сила сгенерируется при действии индуктивности с обратным напряжением, произведенным в обоих концах. Часть В, ощущая эту особенность, может переключиться, чтобы заставить часть D произвести треугольную волну. Если кривая треугольной волны зафиксирована в определенном значении, формула (3) предполагает наличие постоянного напряжения в прямой пропорции к индуктивности, что является положительным значением, если ток увеличивается, и отрицательным, если уменьшается. Согласно кривой изменения тока и измеряемого напряжения u_L, мы можем получить числовое значение индуктивности. Основываясь на спаде напряжения, произведенном внутренним сопротивлением индуктивности, измеренным, применяя постоянный ток DC во время начального установления, мы можем получить внутреннее сопротивление.

[0041] Блок-схема в справочной диаграмме 2 ниже описывает рабочий процесс этого изобретения. В отправной точке, после того как мультиметр получает информацию, что входной терминал находится под разомкнутой цепью, микропроцессор начнет процедуру обнаружения функции. Вначале быстрый аналоговый/цифровой конвертер части А функции позволяет непрерывно измерить напряжение между входными терминалами 1 и 2 в течение времени (например, 10 миллисекунд), проследить, превышает ли напряжение отрегулированное пороговое значение. Как уже говорилось выше, порог устанавливается для того, чтобы избежать выявления функции ошибок, вызванного внешним сигналом вмешательства, когда входной терминал находится под разомкнутой цепью. Цель непрерывного наблюдения на отрезке времени состоит в том, чтобы избежать быстрого аналогового/цифрового ошибочного выявления конвертера, что вход напряжения отсутствует, пробуя по нулевому пункту напряжения переменного тока, когда есть ввод напряжения переменного тока (например, 50 Гц).

[0042] Если напряжение превышает пороговое значение, примененное между входными терминалами 1 и 2, то микропроцессор начнет процесс измерения напряжения. Начиная измерение, часть А, быстрый вольтметр с автоматическим обнаружением диапазона, начнет измерение в пределах максимального диапазона измерений напряжения. Этот диапазон тогда приспособлен к надлежащему диапазону в соответствии с максимальным измеренным напряжением. Основываясь на данных измерений, легко обнаружить, меняет ли напряжение полярность.

[0043] Если напряжение меняет полярность, измеряемое напряжение будет напряжением переменного тока. Пока быстрый аналоговый/цифровой конвертер может получить достаточную выборку значений в пределах цикла напряжения переменного тока, легко получить данные о напряжении переменного тока, включая амплитудное значение, истинное эффективное значение, частоту или цикл. Эти результаты измерений могут быть отобраны, чтобы быть полностью или частично показанными в случае необходимости. Очевидно, скорость осуществления выборки быстрого аналогового/цифрового конвертера и скорость обработки микропроцессора ограничивают максимальную ширину частоты измеримого напряжения переменного тока. Это изобретение, используя преимущество быстрого аналогового/цифрового конвертера, не будет делать существенные ошибки измерения из-за несоответствующего выбора диапазона, измеряя переменные сигналы формы волны с высокими максимальными факторами (высокое максимальное напряжение, но низкое эффективное значение), которые в настоящее время допускаются в обычных мультиметрах с автоматическим обнаружением диапазона. Поскольку мультиметр в этом изобретении выбирает диапазон, основанный на максимально измеренном напряжении, измеряется точная и полная форма волны, тогда как обычные мультиметры эффективного значения выбирают диапазон, основанный на эффективном значении напряжения, и не будут измерять вершины максимальных напряжений, таким образом, допуская существенные ошибки.

[0044] Если напряжение не показывает переменную полярность, измеряемое напряжение - напряжение постоянного тока, и полярность в таком случае известны. Полное измерение выполняется просто, посылая значение напряжения и его полярность на дисплей части С для изображения частью В. Если сигналы постоянного тока прерываются колебаниями переменного тока, будут колебания данных, измеренных быстрым вольтметром с автоматическим обнаружением диапазона. Применяется общая обработка, как и для сигналов переменного тока. Точное эффективное значение определяется в пределах промежутка времени как результат заключительного измерения. Чтобы измерить сигнал переменного тока от исправления полуволны переменного тока или исправления полной волны или измерить однонаправленный сигнал пульса, можно получить точные данные. Под множеством требований сигнала мультиметр может дополнительно определить и показать амплитудное значение или эффективное значение.

[0045] В случае когда напряжение не превышает пороговых значений, мультиметр находится в режиме измерения даже для пассивных источников. Микропроцессор части В осуществляет управление дополнительным источником питания элемента D для подачи токов разной силы (0.01 µА, 1 µА и 1 mA) в тестовых целях на клеммы ввода 1 в последовательном подключении. Максимальное напряжение на выходе может составлять, например, 2 V.

[0046] Когда сила тока равняется 0.01 µА, 1 µА, функциональный элемент А работает в режиме прямого подключения с высоким волновым сопротивлением без его ослабления, с диапазоном, заданным в пределах ±400.0 mV. При силе тока в 1 mA, элемент А работает в том же режиме, но с десятикратным ослаблением силы тока пропорционально времени с диапазоном напряжения ±4.000 V.

[0047] Каждый раз при подключении нового источника тока, элемент А непрерывно измеряет напряжение между клеммами ввода 1 и 2, а часть В фиксирует какие-либо колебания напряжения во времени. При действии токов определенного характера, величине напряжения не свойственно изменяться, даже под влиянием дополнительно проводимых измерений сопротивления, измерения характеристик тока на полупроводниках или на входных клеммах в разомкнутой электрической цепи. Такой случай может иметь место, только когда некие аккумуляторы, такие как конденсаторы или индукторы, подключены в цепь между терминалами входа. По этой причине, после того как источник тока внезапно подключается к клеммам 1 или 2, может быть сделан вывод о вариативности напряжения относительно переменной времени, что немаловажно для измерений емкости и индукции. Несмотря на это данный шаг может быть автоматически пропущен в ходе измерений, если не требуется снимать показания с конденсаторов и индукторов.

[0048] Если между входными клеммами подключен индуктор, индуцированный ток не может поменяться внезапно, вначале будет иметь место скачок напряжения (по величине сопоставимый с максимально возможным напряжением на выходе). Некоторое время спустя напряжение упадет в связи с внутренним напряжением индуктора, а сила тока в индукторе увеличится. Такие измерения чаще всего наиболее наглядны для небольшого диапазона напряжений, ниже +400 mV. Так, представляется возможным решить, необходимо ли проводить измерения характеристик индуцированного тока. При таких измерениях источник тока сообщает на коммутатор волну определенной длины, а напряжение лучше всего регистрируется между клеммами 1 и 2. Представляется возможность вычислить длину волны с помощью результатов измерений индуцированного тока.

[0049] Если между клеммами включается разряженный конденсатор, то не будет зарегистрировано резкого скачка напряжения, также и не будет линейного его увеличения с течением времени. На данном этапе можно сделать вывод, необходимо ли проводить измерения емкости. После процессной обработки данных о конденсаторе, скорость зарядки может изменяться при изменении источника тока и диапазона силы тока. Для непрерывных измерений конденсатора при достижении некоторой величины напряжения (например, 400 mV), эффект предполагается следующий: конденсатор начнет разряжаться или произойдет короткое замыкание из-за устремления тока вспять. Однако конденсатор должен быть обесточен перед проведением измерений. В противном случае, если на конденсатор будет действовать остаточное напряжение, то порог напряжения будет превышен и мультиметр начнет измерять величину напряжения, а не емкость.

[0050] Если со временем не было зафиксировано никаких скачков напряжения, то необязательно проводить измерения наведенного тока - мультиметр сам введет необходимые данные для резистора или диода. На этот момент ток будет подаваться из дополнительного источника.

Примечание 1: Если при непрерывных измерениях имеется такая необходимость, можно добавить еще один промежуточный этап для определения, необходимо ли давать предупредительный сигнал при достижении пороговой величины (менее 30 Ом) или показывать текущий результат измерений.

Примечание 2: При напряжении в диоде в обратном направлении, вышеуказанное высокое волновое напряжение (импеданс) может равняться напряжению в открытой цепи или быть менее 40 MΩ. Меньший источник тока может быть использован для измерения разницы между обратными токами утечки каждого из диодов. Необходимо произвести следующие действия:

а) если максимальное напряжение на выходе (например, 2 V) источника тока измеряется при 1 mA, пониженное волновое напряжение (импеданс) должно тоже быть учтено при окончательных результатах измерения;

b) если измеренное напряжение ниже, чем максимальное напряжение на выходе при источнике тока 1 mA, напряжение, измеренное в этот момент, и является результатом измерения (как в случае с полупроводниковым стабилитроном с критическим порогом напряжения ниже 2 V, например полупроводниковый стабилитрон 1.2 V);

Примечание 3: При напряжении в диоде в прямом направлении, все волновые напряжения (повышенное, пониженное и максимально низкое) также зависят от силы тока. В соответствии с этим, пониженное волновое напряжение достигается тогда, когда сила тока высока. В этот момент напряжение ниже 1 mA измеряют так же, как и напряжение в полупроводниках.

[0051] Мы можем отличить показания разомкнутой цепи от показаний резистора или диода, используя таблицу.

[0052] 1. Если все показания напряжения превышают максимальный порог 400 mV функционального элемента А при силе тока 0.01 µА и 1 µА, а измерения проводятся при напряжении, близком к максимальному (2 V), так же как и в случае с силой тока в 1 А (в этом случае, максимальный диапазон элемента А составляет 4 V), цепь между источниками 1 и 2 разомкнута. Далее, функциональный элемент А зафиксирует отсутствие напряжения между источниками 3 и 2.

[0053] а. Если присутствует напряжение, переключитесь в режим снятия показаний измерений. Оцените результаты, проверьте, постоянным или переменным является ток, представьте результаты в соответствии с законом Ома и соизмеримо с силой тока и сопротивлением источников 3 и 2.

[0054] b. Если напряжение между источниками 3 и 2 равняется нулю, то цепь признается разомкнутой, процедура измерений начинается сначала.

[0055] 2. Следующие случаи попадают под категорию измерения сопротивления:

[0056] а. Если напряжение меньше чем 400 mV при силе тока 0.01 µА, выше чем максимальное допустимое значение (400 mV), то в этот момент при 1 µА и максимальном напряжении на выходе, равном 2 V (критическое пороговое значение может быть повышено до 4 V), при силе тока 1 mA, выбирается сила в 0.01 µА. Величина сопротивления может быть определена в соответствии с формулой (1) и будет лежать в пределах между 400 КΩ и 40 МΩ.

[0057] b. Когда напряжение ниже 4 mV при 0.01 µA и ниже чем 400 mV при 1 µА, выше чем 400 mV при 1 mA, выбирается сила в 1 µА для проведения измерений. Результаты будут лежать в пределах диапазона 400 кΩ - 40 МΩ.

[0058] с. Когда значение величины напряжения близко к нулю при силе тока в 0.01 µА, меньше чем 0.4 mV при 1 µА и меньше чем 400 mV при 1 mA, выбирается сила в 1 mA для проведения измерений. Полученное значение может составлять число, меньше 400 Ω. Чтобы для удобства при чтении увеличить количество цифр на показателе счетчика, вольтметр устанавливается на диапазон 400 mV. При условии необходимости контроля безопасности, заранее включается дополнительная функция предупредительного сигнала при достижении порогового значения.

[0059] 3. Если показания снимаются с диода, то результаты в таблице размещены в соответствующей строке.

[0060] В случае обратного напряжения в полупроводнике, обычно измеряется высокое волновое напряжение. Оно может быть равно напряжению разомкнутой цепи или составлять величину, меньшую 40 MΩ, используется более низкая сила тока для того, чтобы измерить разницу между обратной утечкой тока каждого диода. Измерения в этом случае проводятся следующим образом:

[0061] а. Если максимальное напряжение на выходе (например, 2 V) при силе тока, составляющей 1 mA, пониженное волновое напряжение должно учитываться как результат измерений.

[0062] b. Если измеренное напряжение ниже чем самый высокий уровень напряжения на выходе, при 1 mA, вполне вероятно, что это свидетельствует о наличии неисправности, но также необходимо принимать во внимание случаи с полупроводниковым стабилитроном с критическим порогом напряжения ниже 2 V, например полупроводниковый стабилитрон 1.2 V.

[0063] В случае с прямым направлением тока в полупроводнике, рассмотрим случаи включений под действием различных источников тока. Высокое, пониженное и максимально низкое волновые напряжения, упомянутые в таблице, напрямую зависят от этого. Зависящее от направления тока пониженное волновое напряжение лучше измерять при высокой силе тока. В этот момент, показания напряжения при силе тока в 1 mA отражены на данном приборе так же, как и обычные мультиметры отображают показания полупроводника.

[0064] В процессе измерений, описанных выше, мультиметр должен после каждой стадии быть возвращен в исходное положение и в случае аномальных показаний перепроверен.

[0065] Сконструированный с привлечением новых технологий (о которых говорилось выше) цифровой мультиметр запускает операции посредством нажатия одной кнопки. Возможны как автоматические, так задаваемые вручную режимы работы прибора, причем они являются взаимоисключающими (специально не нужно отключать автоматический режим при включенном режиме пользователя). Таким образом, можно самому настраивать режимы работы прибора, включать и отключать единичные функции. Режим по умолчанию при запуске прибора всегда «автоматический». При нажатии кнопки «напряжение» прибор перейдет в режим измерения напряжения. При необходимости можно переключаться между режимами переменного и постоянного тока, а также измерения частоты, длительности импульса, сопротивления, измерений, связанных с характеристиками полупроводников, индукции. Фиг.3 наглядно это показывает.

[0066] Фиг.4 демонстрирует управление дополнительными функциями мультиметра, такими как память процессора, указание пороговых чисел диапазона, данные подключения к внешнему компьютеру.

[0067] В то время как основные моменты технологических достижений, использованных при разработке данного прибора были упомянуты, очевидно, что с течением времени будут вноситься дальнейшие коррективы, не изменяя, однако, целостной теории, описанной выше.

Цифровой мультиметр содержит терминал ввода с тремя контактами для подсоединения к ним объекта измерений, последовательно связанные быстрый аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор анализа и обработки и дисплей, а также программно управляемый источник питания. Источник питания выполнен с возможностью подачи на объект измерений переменного или постоянного тока. Источник питания подключен к микропроцессору и к первому контакту терминала и, через одно сопротивление, к аналого-цифровому преобразователю. Аналого-цифровой преобразователь через делитель напряжения с группой сопротивлений подключен ко второму контакту терминала и непосредственно к третьему контакту терминала, связанному со вторым контактом терминала через другое сопротивление, выполненное с возможностью приложения к нему измеряемого тока через второй и третий контакты терминала, первый и второй контакты которого выполнены с возможностью подсоединения к ним объекта из группы: резистор, конденсатор, катушка индуктивности, диод. Микропроцессор выполнен с возможностью неоднократного опроса наличия, определения значения и полярности напряжения на контактах терминала, сравнения с пороговым значением и определения вида измеряемого объекта из указанной выше группы. Микропроцессор снабжен средствами управления видом напряжения, подаваемого источником питания, управления коммутатором аналого-цифрового преобразователя для выбора метода и диапазона измерений с задействованием соответствующего сопротивления из состава делителя напряжения. Технический результат - повышение быстродействия устройства, качества и точности измерений, а также расширение функциональных возможностей. 7 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Цифровой мультиметр, содержащий терминал ввода с тремя контактами для подсоединения к ним объекта измерений, последовательно связанные быстрый аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор анализа и обработки и дисплей, а также программно управляемый источник питания, выполненный с возможностью подачи на объект измерений переменного или постоянного тока и подключенный к микропроцессору и к первому контакту терминала и через одно сопротивление к аналого-цифровому преобразователю, который через делитель напряжения с группой сопротивлений подключен ко второму контакту терминала, и непосредственно к третьему контакту терминала, связанному со вторым контактом терминала через другое сопротивление, выполненное с возможностью приложения к нему измеряемого тока через второй и третий контакты терминала, первый и второй контакты которого выполнены с возможностью подсоединения к ним объекта из группы: резистор, конденсатор, катушка индуктивности, диод, причем микропроцессор выполнен с возможностью неоднократного опроса наличия, определения значения и полярности напряжения на контактах терминала, сравнения с пороговым значением и определения вида измеряемого объекта из указанной выше группы, и снабжен средствами управления видом напряжения, подаваемого источником питания, управления коммутатором аналого-цифрового преобразователя для выбора метода и диапазона измерений с задействованием соответствующего сопротивления из состава делителя напряжения, а дисплей - с возможностью визуального отображения числового, амплитудного и эффективного значений, а также графического отображения результатов измерения и форм входного сигнала.

2. Цифровой мультиметр по п.1, отличающийся тем, что быстрый аналого-цифровой преобразователь подключен к устройству ввода-вывода измеряемого объекта цепью аналого-цифрового преобразователя и выполнен со скоростью больше чем частота измеряемого сигнала переменного напряжения, а микропроцессор выполнен с возможностью сохранения данных измерения и формы входного измеряемого сигнала.

3. Цифровой мультиметр по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным источником питания и кнопкой ручного выбора функции измерения и выполнен с функцией предупредительного сигнала о достижении порогового значения измерения.

4. Цифровой мультиметр по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью подключения внешнего источника напряжения/тока.

5. Цифровой мультиметр по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью автоматического выбора функции и соответствующей пары контактов терминала ввода для определения показателей постоянного или переменного тока, внешнего напряжения и анализа конечных результатов измерения, а также автоматического выбора функции при отсутствии внешнего источника тока и переключения на ввод тока посредством команды микропроцессора, при этом аналого-цифровой преобразователь выполнен с возможностью фиксации результатов в базе данных для анализа и выбора метода обработки данных.

6. Цифровой мультиметр по п.1, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью обнаружения внешнего напряжения на контактах терминала, а микропроцессор - с возможностью автоматического определения, наличия или отсутствия циклического изменения полярности данных, вводимых от быстрого аналого-цифрового преобразователя, определения полярности и значения сигнала постоянного напряжения, и выдачи числовых результатов, из группы: амплитудное значение, эффективное значение, частота и цикличность, а в случае, если внешнее напряжение не обнаружено, - измерения пассивного аналогового объекта, для чего микропроцессор осуществляет программное управление напряжением/током источника питания, а быстрый аналого-цифровой преобразователь вводит измеренный результат в микропроцессор для определения природы измеряемого пассивного аналогового объекта и соответствующего диапазона измерения, после чего источник питания подает пробный ток, выбранный из условия обеспечения цикла измерений с высоким входным импедансом.

7. Цифровой мультиметр по п.1, отличающийся тем, что микропроцессор выполнен с возможностью получения данных об измерении и управления источником питания.

8. Цифровой мультиметр по п.1, отличающийся тем, что микропроцессор выполнен с возможностью автоматического переключения режимов измерений между парными контактами терминала.