專利名稱：實現(xiàn)快速均方根測量的均方根轉(zhuǎn)換器的制作方法
總的說來，本發(fā)明涉及均方根(rms)轉(zhuǎn)換器電路，更準(zhǔn)確地說，涉及用于實現(xiàn)電力線信號快速rms測量的電路和方法。
萬用表和電壓表通常提供以電壓的rms表示的交流(交流)電壓測量結(jié)果。電力線信號是由發(fā)電站向消費者或工業(yè)提供的交流電壓，通常是120V或240V rms。在試驗和測量應(yīng)用中，以高精度和高可靠性決定電力線信號的rms值的能力是很重要的，但經(jīng)常要在損害測量速度的情況下才能做到這一點，因為需要跨幾個輸入信號的周期的測量周期來獲得rms值。
早期的萬用表使用二極管整流和電容平均電路，來以適當(dāng)?shù)木忍峁τ幸阎l率和通常為正弦波形的電力線信號的rms測量。這樣的讀數(shù)要求在幾個信號周期上進(jìn)行平均，以便獲得有最小交流脈動電壓的穩(wěn)定的讀數(shù)，此交流脈動電壓疊加到代表rms值的直流電壓上。
模擬rms到直流的轉(zhuǎn)換通過對于有各種各樣波形的信號，以直流電壓的形式產(chǎn)生“真正的rms”值，來改善二極管平均法的限制。熱rms轉(zhuǎn)換器是這樣一種rms轉(zhuǎn)換器，它的工作原理是把信號加到與環(huán)境絕熱的電阻上，然后測量電阻溫度的等效溫升，來獲得對應(yīng)于rms的等效直流加熱值。因為熱rms轉(zhuǎn)換器根據(jù)電阻的熱響應(yīng)來測量等效直流加熱值，所以，獲得穩(wěn)定測量的時間將跨許多個輸入信號周期，而且在其它因素中，測量時間取決于電阻的熱特性、環(huán)境溫度和所要求的rms測量精度。
單片rms轉(zhuǎn)換器是另一種rms轉(zhuǎn)換器，它由例如放大器、乘法器、除法器和積分器這樣的在單片集成電路內(nèi)的模擬電路構(gòu)成，用于獲得代表rms值的直流電壓。在一段預(yù)先確定的的平均時間上來決定這rms值，而這平均時間根據(jù)所希望的精度和疊加到代表rms值的直流信號的交流脈動最大值來設(shè)定。對于50Hz和60Hz的電力線信號，平均時間需要跨許多個周期。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)以前一直放在模擬rms轉(zhuǎn)換器的后面，以便把代表rms值的直流電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字樣值，現(xiàn)在，在較新的儀器設(shè)計中，它正普遍地取代模擬rms轉(zhuǎn)換器，用于在前端測量輸入信號?，F(xiàn)在ADCs有高的取樣速率和測量精度，從而允許對輸入信號直接取樣，并且把數(shù)字樣值作為時間記錄存儲起來，供進(jìn)一步處理。數(shù)學(xué)運算從時間記錄中把預(yù)先確定的數(shù)字樣值個數(shù)的數(shù)字樣值進(jìn)行積分，然后算出信號的rms值。因為不知道信號的準(zhǔn)確的周期，時間記錄要跨多個信號周期，以便獲得所希望的精度。
在Steven D.Swift的、轉(zhuǎn)讓給Fluke公司的未決美國專利申請08/840,086“測量儀器的前端結(jié)構(gòu)”中，公開了測量儀器的前端結(jié)構(gòu)，其中的前端電路調(diào)節(jié)輸入信號，并用ADC把輸入信號數(shù)字化，來獲得數(shù)字樣值。把數(shù)字樣值送到一套數(shù)字提取濾波器，以便同時提取各種測量參數(shù)，包括rms值以及峰值最大值和最小值。數(shù)字濾波器的長度和復(fù)雜程度取決于各轉(zhuǎn)移函數(shù)的所希望的特性。所述前端結(jié)構(gòu)可以適合于測量各種信號，但它沒有告訴我們?nèi)绾螌崿F(xiàn)電力線信號的快速rms測量。
在Swift等的、轉(zhuǎn)讓給Fluke公司的未決美國專利申請08/802,020“使用數(shù)字濾波的rms轉(zhuǎn)換器”中，描述了做成在平方電路后跟著數(shù)字濾波器和平方根電路的rms轉(zhuǎn)換器。從連續(xù)的數(shù)字樣值流獲得rms值，而不必考慮輸入信號的周期，也沒有預(yù)先確定的的積分周期。因為數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)模仿上面討論的熱rms轉(zhuǎn)換器中的實際電阻的熱響應(yīng)，所以獲得rms值的響應(yīng)時間被測量應(yīng)用的精度要求所推遲。對于具有已知周期的信號、例如電力線信號，文中沒有著重介紹以快的測量速率來獲得rms值的問題。
這樣，現(xiàn)有技術(shù)的rms測量以相對慢的速率進(jìn)行，以便在大范圍的可能的輸入周期上獲得可接受的精度。對于許多故障查找應(yīng)用來說，這樣的速率不總是合適的，在這樣的應(yīng)用中，要求較高的測量速率來探測間歇出現(xiàn)的問題。在測量50Hz和60Hz的世界標(biāo)準(zhǔn)電力線頻率的信號的試驗和測量應(yīng)用中，已經(jīng)知道電力線信號的周期是上兩個不同周期中的一個。因此，最好提供一種rms轉(zhuǎn)換器，它進(jìn)行快速rms測量，以便通過利用電力線信號的已知周期，來獲得大大快于用于電力線信號的現(xiàn)有技術(shù)的測量速率。
根據(jù)本發(fā)明，提供用于實現(xiàn)電力線信號快速rms測量的rms轉(zhuǎn)換器。根據(jù)世界標(biāo)準(zhǔn)，電力線頻率信號是有50Hz或60Hz頻率的周期性正弦波。為了故障查找與診斷目的，希望以可能的最快速率產(chǎn)生電力線頻率信號的rms值。
根據(jù)本發(fā)明的rms轉(zhuǎn)換器利用已知的電力線頻率和波形，提供50毫秒(ms)的最小測量周期的快速rms測量，這50毫秒(ms)的測量周期使或者50Hz或者60Hz適應(yīng)獲得每秒20次rms測量的測量速率。
在含有rms轉(zhuǎn)換器的測量儀器中，被測量的信號(“輸入信號”)通過調(diào)節(jié)輸入信號的前端，被耦合到取樣系統(tǒng)，來提供模擬信號的數(shù)字樣值，上述取樣系統(tǒng)通常是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)形式，或∑-δ轉(zhuǎn)換器或現(xiàn)有技術(shù)中的已知的提供模擬信號的數(shù)字樣值的其它數(shù)字取樣技術(shù)。取樣系統(tǒng)以取樣速率和充分高的分辨率提供數(shù)字樣值，這分辨率高到足以在50ms的測量周期上獲得所希望的精度。在最佳實施例中，由取樣系統(tǒng)以每秒1,000次取樣的取樣速率和以八位的振幅分辨率提供數(shù)字樣值。
到達(dá)rms轉(zhuǎn)換器的數(shù)字樣值在平方電路中被平方，在平均電路中被求和。在每個測量周期的末尾，平均值被送到平方根電路來計算rms值。然后，rms值被送到微處理器作進(jìn)一步的處理，這包括存儲最小和最大rms值或畫出rms值對于時間的曲線。已經(jīng)把rms測量周期選擇為50ms，以便跨越50Hz和60Hz頻率的平方后的電力線信號的最小整數(shù)個周期。對于60Hz頻率，50ms的rms測量周期跨越六個周期，而對于50Hz頻率則跨越五個周期，以便以每秒20個rms值的最大速率提供快速rms測量。
本發(fā)明的一個目的是提供一種實現(xiàn)快速rms測量的方法。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種實現(xiàn)電力線頻率信號的快速rms測量的rms轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的一個附帶的目的是提供一種實現(xiàn)快速rms測量的方法，它能適應(yīng)或者50Hz或者60Hz電力線頻率信號。
本發(fā)明的再另一個目的是提供產(chǎn)生電力線頻率信號的快速rms測量的測量儀器。
當(dāng)結(jié)合附圖閱讀下面的描述時，本專業(yè)的技術(shù)人員就會清楚本發(fā)明的其它特征、所取得的結(jié)果和優(yōu)點。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于實現(xiàn)電力線信號的快速rms測量的測量儀器的簡化方框圖；圖2是表示60Hz電力線信號與rms測量周期之間的關(guān)系的曲線圖；圖3是表示50Hz電力線信號與rms測量周期之間的關(guān)系的曲線圖；圖4是表示根據(jù)rms測量周期，從電力線信號形成快速rms測量的曲線圖；和圖5是根據(jù)本發(fā)明的rms轉(zhuǎn)換器的簡化方框圖。
圖1是適用于實現(xiàn)電力線信號的快速rms測量的測量儀器10的簡化方框圖。測量儀器10耦合到電壓源12，后者模擬在典型的試驗和測量應(yīng)用中所遇到的電力線頻率信號。電力線信號是有根據(jù)世界電力標(biāo)準(zhǔn)的或者50Hz或者60Hz頻率的周期性正弦波。為了故障查找與診斷目的，希望以可能的最快的速率產(chǎn)生電力線頻率信號的rms值。這樣產(chǎn)生的rms值可被存儲、被挑出最大和最小值或畫成圖象顯示，以供進(jìn)一步分析，例如探測各種短時異?，F(xiàn)象。
電壓源12通過一對測試探頭16耦合到前端14。前端電路14接收到作為輸入電壓的在一對測試探頭16間的電壓。因為輸入電壓可能具有未知的電平，并且可能出現(xiàn)其它頻率或噪聲成分，所以前端電路14有信號調(diào)節(jié)電路，以便提供經(jīng)調(diào)節(jié)的、具有適合于轉(zhuǎn)換到數(shù)字樣值的振幅電平和輸入帶寬的輸入信號，上述信號調(diào)節(jié)電路包括過壓保護(hù)電路、放大器、濾波器和分壓器。
經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入信號被送到取樣系統(tǒng)18，后者把經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字樣值流，此數(shù)字樣值流被送到rms轉(zhuǎn)換器20。取樣系統(tǒng)18可以用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(未示出)，或∑-δ轉(zhuǎn)換器和抽取濾波器(未示出)或現(xiàn)有技術(shù)中的已知的其它取樣技術(shù)來實現(xiàn)?？梢园讶酉到y(tǒng)的取樣速率選得足夠高，以便獲得所希望的rms測量精度和測量儀器10的輸入帶寬。在最佳實施例中，選擇每秒1,000次取樣的取樣速率和八位振幅分辨率的取樣參數(shù)，以便獲得所希望的rms值精度。
選擇50毫秒的rms測量周期作為將適應(yīng)50Hz和60Hz兩種頻率的電力線信號的最小測量周期，這樣，不必改動，就能以每秒20個rms值的最大可能的速率提供rms測量。rms測量周期與50Hz和60Hz的電力線信號之間的關(guān)系表示在圖2和圖3上。把測量周期選為50ms，以便跨越電力線信號的平方的最小整數(shù)個周期，或者如圖2B所示的六個周期，或者如圖3B所示的五個周期，也就是不必改動就能兼容50Hz和60Hz頻率的電力線信號。
圖2A中示出60Hz頻率的電力線信號的振幅與時間關(guān)系的曲線，它是以顯示在一般示波器上的周期性正弦波跡線50的形式示出的。跡線50標(biāo)注上60Hz的電力線信號這幾個字，并代表呈現(xiàn)為數(shù)字樣值的振幅值。因為60Hz頻率的電力線信號通常非常接近60Hz，所以，三個全周期正弦波的時間將非常接近50ms。圖2B中示出圖2A的電力線信號的平方的跡線52，它標(biāo)注上平方后的電力線信號這幾個字。跡線52代表在rms轉(zhuǎn)換器20所產(chǎn)生的平方后的數(shù)字樣值的振幅值。對電力線信號取平方就有效地把它的頻率變?yōu)殡p倍，從而在跡線52上出現(xiàn)六個完整的周期。圖2C中示出在最佳實施例中rms測量周期54跨越50ms。因為rms測量周期54跨越平方后的數(shù)字樣值的六個完整周期，如跡線52所示，所以電力線頻率輸入信號相對于rms測量周期的相位并不影響因而發(fā)生的rms值的計算。這樣，rms測量周期54不必被同步或觸發(fā)以便開始于電力線頻率輸入信號的任何特定的相位，這大大簡化了測量過程。
圖3A中示出類似于圖2A的電力線信號的振幅與時間關(guān)系的曲線，但其頻率為50Hz，它以跡線60的形式示出、并標(biāo)注上50Hz的電力線信號這幾個字。跡線60代表數(shù)字樣值形式的振幅值。因為50Hz頻率的電力線信號通常非常接近50Hz，所以兩個半全周期正弦波的時間將非常接近50ms。圖3B中示出圖3A的電力線信號的平方的跡線62，它被標(biāo)注上平方后的電力線信號這幾個字、并且以平方后的數(shù)字樣值的形式示出。對電力線信號取平方就有效地把它的頻率變?yōu)殡p倍，從而在跡線62上出現(xiàn)五個完整周期。圖3C中示出rms測量周期54(也表示在圖2C)。因為rms測量周期54包括平方后的數(shù)字樣值的五個完整周期，如跡線62所示，所以電力線頻率輸入信號相對于rms測量周期54的相位并不影響因而發(fā)生的rms值的計算。這樣，rms測量周期54就是這樣的可能存在的最短周期，它分別提供50Hz和60Hz的電力線信號的平方的跡線52和62的整數(shù)個周期，或者六個或者五個周期。
圖4A中示出50Hz頻率的電力線信號的振幅與時間關(guān)系的曲線(表示在圖3A)，現(xiàn)在畫成有更多周期數(shù)的跡線70。在時間值50ms,100ms,150ms等處一次接一次地執(zhí)行多次rms測量周期54，以便獲得每秒20次rms值的rms測量速率。另一種辦法是，無論對50Hz頻率的輸入信號的兩個半周期或是對60Hz頻率的輸入信號的三個周期，只要rms測量周期與電力線信號的周期數(shù)之間的關(guān)系基本保持相同，各rms測量周期就不必嚴(yán)格地彼此相隨，彼此也不必保持精確的相同起始相位關(guān)系。
圖5中示出根據(jù)本發(fā)明的rms轉(zhuǎn)換器20的簡化的方框圖。由取樣系統(tǒng)18(示于圖1)產(chǎn)生的數(shù)字樣值到達(dá)rms轉(zhuǎn)換器20。每個數(shù)字樣值在平方電路100處被平方，以便獲得代表電力線信號的平方的平方后的數(shù)字樣值，然后被送到平均電路102。平均電路102把平方后的數(shù)字樣值累加，并且一旦收到每50ms來一次的更新信號，平均電路102就根據(jù)rms測量周期54期間內(nèi)所累加的數(shù)字樣值計算平均值。然后，平方根電路104計算平均值的平方根來產(chǎn)生rms值。
顯然，對于本專業(yè)的技術(shù)人員來說，可以在上述本發(fā)明的最佳實施例中提出細(xì)節(jié)上的改變而不超出在更廣泛的方面的本發(fā)明的精神。例如，rms轉(zhuǎn)換器20可以用專用的數(shù)字電路的硬件來實現(xiàn)、用由微處理器執(zhí)行的軟件或根據(jù)應(yīng)用要求用硬件和軟件的組合來實現(xiàn)?？梢赃x擇更長的rms測量周期，例如100ms，以便獲得平均值的更高的分辨率，所要求的是保持平方后的數(shù)字樣值的周期數(shù)是整數(shù)。如果只需測量兩種電力線頻率中的一種，而不需兼容另一種，則可以選擇更短的rms測量周期，以便以比每秒20個rms值更高的rms測量速率來獲得rms值。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)該由下面的權(quán)利要求書來決定。
權(quán)利要求
1．一種均方根(rms)轉(zhuǎn)換器，其特征在于包括(a)平方電路，用于接收電力線信號而產(chǎn)生平方后數(shù)字樣值；(b)耦合到平方電路的平均電路，它在這樣的rms測量周期上產(chǎn)生所述平方后數(shù)字樣值的平均值，其中所述rms測量周期跨越所述平方后數(shù)字樣值的整數(shù)個周期；以及(c)平方根電路，用于計算所述平均值的平方根，從而產(chǎn)生所述電力線頻率輸入信號的rms值。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的rms轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述電力線信號具有50Hz和60Hz中的一種頻率。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的rms轉(zhuǎn)換器，其特征在于所述rms測量周期基本上接近50毫秒。
4．一種計算電力線信號的rms值的方法，其特征在于包括下面的步驟(a)對所述電力線信號進(jìn)行數(shù)字取樣，獲得數(shù)字樣值；(b)把所述數(shù)字樣值在平方電路中進(jìn)行平方，產(chǎn)生平方后的數(shù)字樣值；(c)把所述平方后的數(shù)字樣值在rms測量周期中進(jìn)行平均，產(chǎn)生平均值，其中所述rms測量周期跨越所述平方后數(shù)字樣值的整數(shù)個周期；以及(d)計算所述平均值的平方根，產(chǎn)生所述rms值。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的計算電力線信號的rms值的方法，其特征在于所述電力線信號具有50Hz和60Hz中的一種頻率。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的計算電力線信號的rms值的方法，其特征在于所述rms測量周期基本上接近50毫秒。
7．一種實現(xiàn)電力線信號快速rms測量的測量儀器，其特征在于包括(a)取樣系統(tǒng)，它耦合到所述電力線信號，產(chǎn)生所述電力線信號的數(shù)字樣值；(b)耦合到所述取樣系統(tǒng)的rms轉(zhuǎn)換器，它接收rms測量周期中的所述數(shù)字樣值，產(chǎn)生所述電力線信號的所述rms值，其中所述rms測量周期跨越所述電力線信號的平方的最小整數(shù)個周期；(c)微處理器，它根據(jù)所述rms測量周期接收從所述rms轉(zhuǎn)換器來的所述rms值；以及(d)顯示裝置，它耦合到所述微處理器，用于接收和顯示所述rms值。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的實現(xiàn)電力線信號快速rms測量的測量儀器，其特征在于所述rms轉(zhuǎn)換器包括(a)平方電路，用于接收所述電力線信號的所述數(shù)字樣值而產(chǎn)生平方后的數(shù)字樣值；(b)耦合到所述平方電路的平均電路，它在所述rms測量周期上產(chǎn)生所述平方后數(shù)字樣值的平均值；以及(c)平方根電路，用于計算所述平均值的平方根，來產(chǎn)生所述電力線頻率輸入信號的所述rms值。
9．根據(jù)權(quán)利要求7的實現(xiàn)電力線信號快速rms測量的測量儀器，其特征在于所述電力線信號有50Hz和60Hz中的一種頻率。
10．根據(jù)權(quán)利要求7的實現(xiàn)電力線信號快速rms測量的測量儀器，其特征在于所述rms測量周期基本上接近50毫秒。
全文摘要
提供對50Hz或60Hz頻率的電力線信號實現(xiàn)快速rms測量的rms(均方根)轉(zhuǎn)換器。到達(dá)rms轉(zhuǎn)換器的電力線頻率信號的數(shù)字樣值被平方并且在平均電路中求和。在每個rms測量周期結(jié)束時,平均值被送到平方根電路來計算rms值。已經(jīng)把測量周期選為50ms,以便跨越50Hz和60Hz頻率的平方后的電力線信號的最小整數(shù)個周期,對于60Hz頻率,跨越六個周期,而對于50Hz頻率則跨越五個周期,以便以每秒20個rms值的最大速率提供快速rms測量。
文檔編號G01R19/02GK1226682SQ98121329
公開日1999年8月25日 申請日期1998年10月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年11月10日
發(fā)明者C·N·胡伯 申請人:弗蘭克公司