CN101846698B - 一种用于多功能测量的拓扑结构及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于多功能测量的拓扑结构及方法，其信号输入端A、B通过隔离电阻RX与信号缓冲电路(12)的输入端连接，信号缓冲电路(12)的输出端与比较器(17)及滤波器(20)的输入端连接，(20)的输出端与A/D转换器(21)的输入端连接，(16)的输出端与显示设备(19)的输入端连接，信号缓冲电路的输出端与分别与信号极性判别电路(13)及信号反相电路(14)的输入端连接，信号极性判别电路(13)的输出端与微控制器的输入端连接，信号反相电路的输出端与电子开关KX的(15-2)端连接；本发明免去了转换表笔插孔位置的麻烦，可去掉表盘旋钮开关，直接用按键控制，还具备了减少保险丝熔断可能性的特点，为使用者提供了极大的方便。

Description

一种用于多功能测量的拓扑结构及方法

技术领域

本发明涉及电子测量技术，特别是一种用于多功能测量的拓扑结构及方法。

背景技术

目前广泛使用的万用表，均设置有一个额定电流0.2A的保险丝，用于为0.2A以下(含0.2A)的电流档提供保护。实际使用时，这个保险丝并不能完善的起到保护作用。如在量程选择不当时，2mA档可能会通过最大0.2A的电流。而此档位的参考电阻绝大多数阻值为100Ω额定功率为0.25W，此时需要承受4W的功率，超过额定功率15倍。此时因电流未超过保险丝额定电流，保险丝不会熔断，这种情况下保险丝是起不到保护作用的，测量时间稍长就会烧坏参考电阻。另外，在保险丝的电流和保险丝熔断时间的电流-时间曲线图中，可知快速熔断类型保险丝的熔断时间最短仅为10毫秒，已相当快。但是随着电流的减小，熔断时间急剧增大，达到零点几秒甚至超过十秒。此时其保护作用已大打折扣。因为熔断时间太长，可能参考电阻或测量电路已先于保险丝熔断前损坏。由此可见保险丝并不是一个理想的保护元件。这都存在保护不完善的问题。另一方面，这些仪表还设置最少三个(含三个)以上的测量信号输入端(即表笔插孔)，而测量表笔只有两个。这样就存在需要操作者切换表笔位置的问题。这个问题对使用者来说这是很不方便的。

发明内容

针对目前使用的万用表存在需要操作者切换表笔位置的问题和保险丝保护功能不完善的问题，本发明的目的在于提供一种只有两个测量信号输入端并用继电器为仪表提供辅助保护的用于多功能测量的拓扑结构及其方法。

所述的用于多功能测量的拓扑结构包括滤波器、A/D转换器、微控制器、显示设备、按键选择开关，其特征在于：所述拓扑结构设有用于多种测量功能的信号输入端、隔离电阻RX、信号缓冲电路、信号极性判别电路、信号反相电路、比较器、参考电压、继电器、电子开关、参考电阻；所述信号输入端A、B通过隔离电阻RX与信号缓冲电路的输入端连接，信号缓冲电路12的输出端通过电子开关KX的一个端与比较器及滤波器的输入端连接，滤波器的输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与微控制器的输入端连接，微控制器的输出端与显示设备的输入端连接，比较器的输出端与微控制器的输入端连接，信号缓冲电路的输出端与分别与信号极性判别电路及信号反相电路的输入端连接，信号极性判别电路的输出端与微控制器的输入端连接，信号反相电路的输出端与电子开关KX的一端连接；继电器KI与参考电阻RI串联后再与信号输入端A、B并联，继电器KR与参考电阻RR及测试电压串联后也与信号输入端A、B并联，电子开关KU与参考电阻RU串联后通过隔离电阻RX与信号输入端A、B并联，继电器KI、KR及电子开关KU、KX的控制端分别与微控制器的输出端连接。

所述多功能测量的拓扑结构信号输入端B与参考电阻RI、测试电压、电子开关KU、参考电压D的一端连接，信号输入端B还与信号极性判别电路的一个输入端、信号反相电路的一个输入端及滤波器的地端连接，参考电阻RI的另一端C端与继电器KI的另一端连接，测试电压的另一端与参考电阻RR串联后再与继电器KR的另一端连接，所述隔离电阻RX的另一端与参考电阻RU串联后再与电子开关KU的另一端连接，隔离电阻RX的另一端还与信号缓冲电路的输入端连接，所述信号缓冲电路的输出端与电子开关KX的上输入端、信号极性判别电路的一个输入端及信号反相电路的一个输入端连接，所述信号极性判别电路的输出端与微控制器的输出端连接，所述信号反相电路的输出端与电子开关KX的下输入端连接，电子开关KX的输出端与比较器、滤波器及微控制器的输入端连接，所述滤波器的输出端与A/D转换器输入端连接，A/D转换器的输出端与微控制器的输入端连接，比较器的另一个输入端与参考电压的另一端连接，其输出端与微控制器的输入端连接，所述继电器KI、KR、电子开关KU、KX的控制端分别与微控制器的输出端连接。

在参考电阻RI两端并联有由继电器KI1与参考电阻RI1的组成串联结构，在参考电阻RR两端并联有由电子开关KR1与参考电阻RR1组成的串联结构，在参考电阻RU两端并联有由电子开关KU1与参考电阻RU1组成的串联结构，继电器KI1、电子开关KR1及KU1的控制端分别与微控制器的输出端连接。

参考电阻RI两端还设有第一、第二过流控制检测电路，所述第一、第二过流控制检测电路的输入端均通过保护电阻与参考电阻RI的C端连接，其另一个输入端分别通过参考电压E、F与信号输入端B连接，其输出端分别与微控制器的输入端连接。

本发明还提供了一种用于多功能测量的拓扑结构的测量方法，具体方法是：

a.当用于测量电压时，断开继电器KI、KR，被测电压由信号输入端A、B输入，微控制器根据信号极性判别电路的输出控制电子开关KX方向，再与上次的输出作比较，如发生了变化，此时定时器记录了交流信号半个周期的时间，用定时器的值计算出信号频率，如未发生变化则判断为直流电，微控制器根据A/D转换器的输出值和对应量程计算出输入电压的实际值并在显示设备上显示，然后根据频率值判断信号是交流还是直流并在显示设备上显示；

b.用于测量电流时，断开继电器KR，闭合继电器KI，被测电流由信号输入端A、B输入经过继电器KI、参考电阻RI并在信号输入端A、B上形成代表被测电流的电压，微控制器根据前述a测量电压的方法测量此电压，然后计算出实际电流值并在显示设备上显示，当被测电流超过量程时，断开继电器KI；

c.用于测量电阻时，断开继电器KI，闭合继电器KR，被测电阻通过信号输入端A、B两端与参考电阻RR串联并对测试电压分压，在信号输入端A、B得到代表被测电阻的电压，按照前述a测量电压基本的方法得出结果并在显示设备上显示，当测量出信号输入端A、B两端的电压超过测试电压时，断开继电器KR；

d.用于测量二极管时，与测量电阻的方式基本相同，只是直接以信号输入端A、B两端的实际电压作为二极管档的输出值在显示设备上显示，保护过程与测量电阻步骤c相同；

e.用于测量电容时，先利用参考电阻RI对被测电容放电，然后闭合继电器KR，微控制器根据信号极性判别电路的输出决定电子开关KX的状态，读取比较器的输出，当比较器的输出发生变化时，读取定时器的值，由于从开始计时到停止计时这段时间、参考电阻RR阻值分别对应RC串联电路的时间常数公式T＝RC中的T、R，根据此公式间接完成对电容的测量并在显示设备上显示，保护过程与测量电阻步骤c、测量电流步骤b相同。

工作原理：通过将多种测量功能的信号输入端合并在一起，再通过多个开关、继电器的组合使用来隔离和转换各种测量功能与量程，从而将信号输入端减少至只需两个，省去了手动切换表笔位置的问题。由于所用继电器都受微控制器的控制，而继电器的所处的位置决定了断开继电器可断开高电压、大电流，从而可完成辅助保护。当继电器分断能力不足时，保险丝熔断。

继电器完成保护功能的可行性和如何完成保护功能，这是本发明实现目的的一个关键。

与保险丝相比，继电器在规定工作条件下的动作速度只和触点容量有关系，不随触点电流而变化，且动作速度也很快，如NEC公司的MR62型电保持继电器，在其数据手册中的动作时间-驱动功率曲线图中明确记录了动作时间最大不超过6.5毫秒。即使对于触点容量较大的继电器来说动作时间也很短。如格蕾特电器公司的GTR508A型磁保持继电器和宏发电器公司的HFE10系列磁保持继电器，在其数据手册中也明确记录了动作时间最大不超过20毫秒。

通过对比继电器与保险丝的动作速度，可见它们的最大速度相差很小，保险丝略优。但保险丝速度不恒定，在5倍额定电流以上才可以和继电器相比，一旦电流不够大就很快落后于继电器。综合比较，继电器在总体动作时间上优于保险丝，继电器已经具备了用作保护的先决条件。

用继电器保护时，高压或大电流从信号输入A、B端出现到被微控制器发现需要一定时间，其信号流程是信号输入A、B两端--＞RX--＞信号缓冲电路--＞KX--＞滤波器--＞A/D转换器--＞微控制器。这个时间对保护来说是至关重要的。下面就分析这个时间。

信号缓冲电路是电子电路，一般用运算放大器构成。而运算放大器中速度(转换速率)极慢的型号也有0.01伏/微秒。以从最小值-15V转换到+15V计算(正负15伏是标准的运算放大器摆幅)，信号缓冲的延迟最多3毫秒，如果更长则属于明显的设计不当，与本发明关系不大。如用其他的元件构成信号缓冲电路，如MOSFET、晶体管等。则速度更快。KX在本发明中使用电子开关，如标准的CD4053。其速度一般以纳秒计，可不用考虑。A/D转换器一般速度较慢，现有技术的速度一般在3次/秒。最多需要测量两次才能发现高压或大电流，最少耗时0.66秒。这个时间不能满足要求，可以采用三种方法解决。一是采用速度较高的A/D转换器，如TI公司的经济型产品ADS7822P，速度75KSPS(SPS即次/秒)。完成两次测量耗时不足0.03毫秒。二是使用微控制器内部的A/D转换器直接读取KX(15-1)端，此时信号未被滤波因而不会有延迟。微控制器内部的A/D转换器一般速度比较快，如常用的ATMEL公司的MEGA8系列微控制器，内部的A/D转换器速度15KSPS。完成两次测量最多耗时0.14毫秒。虽然精度不如专用的A/D转换器，但用于保护已经足够。三是采用专用的检测电路，即使用过流检测电路1、过流检测电路2、参考电压1、参考电压2检测过流信号。此时过流信号经过纳秒级的可以忽略不计的延迟送往微控制器。

滤波器的滤波速度与A/D转换器的速度是相配的，但根据不同的设计会有不同的延迟时间。延迟时间的典型值在10个对应A/D转换器的转换周期以下，最保守的情况下会引入100个转换周期的延迟。如果延迟更长则说明滤波器明显的设计不当，这与本发明关系不大。如以上述ADS7822P为A/D转换器，滤波器相当于耗时1.3毫秒。

微控制器读取并处理信号到开始控制继电器所需的时间根据程序的不同设计而有所变化。考虑到处理过程并不复杂，一般情况下A/D转换器的读数溢出即表示超出量程需要保护。所以保守的估计最多使用一千个指令周期就已足够，微控制器的时钟即使低至只有1MHZ用时也只有1毫秒。如1毫秒还不能完成处理则属于明显的程序设计不当，与本发明关系不大。

通过统计上述分析结果，完成保护所需的最大时间在最坏情况下不超过26毫秒。这个时间与保险丝的最小熔断时间相比略大，但仍在同一数量级，且相差的绝对值最大只有16毫秒，总的来说相差不远。如果电流在5倍保险丝的额定电流或更小时，保险丝的熔断时间跟继电器的动作时间相比就差多了。所以在本发明中使用继电器完成辅助保护功能是完全可行的。

需要特别说明的是，继电器在受到特大电流冲击且未能及时断开时，有可能出现触点粘连的情况。此时继电器和参考电阻可能会被烧毁。现代的继电器均使用银、合金触点或触点做过特别处理，可很大程度上避免这个问题。考虑到本发明能在很短时间内断开继电器，如果继电器分断能力不够保险丝也会很快熔断，所以这个问题不是很严重。但触点磨损则在所难免，这是本发明存在的一个缺点。

现在再分析哪些情况下需要保护和怎么保护。使用电压档时，微控制器自动调整量程使得信号缓冲电路的输入电压不会超过基本量程。也就是说电压档无须保护。在电阻档和二极管档时，错误使用导致的高压会通过KR、RR、测试电压形成回路。而RR的阻值在低量程时较小，需要保护，否则高压会损坏RR和测试电压。电流档时，因RI的阻值一般很小，所以也需要保护。电容档是上述各档的组合，无须单独考虑。

电阻档时，当微控制器测量出A、B两端电压大于测试电压时，表示使用者误测电压，微控制器控制KR断开，完成电阻档的保护。

电流档时，微控制器在电流超过当前量程时控制KI断开，当在大电流档时，测量时间过长也控制KI断开，完成电流档的保护。

相关说明：本发明主要用于多功能测量仪表，例如万用表。多功能测量指的是测量电压、电流、电阻、电容、二极管。电子开关指的是半导体结构的开关，通常也称为模拟开关。本发明虽然使用继电器作辅助保护，但并不能完全代替保险丝。因为继电器分断能力有限，当电流过大时仍需借助保险丝分断电流。可通过本发明和保险丝的合理结合完善保护功能。

因为和继电器保护有冲突，本发明和其他大多数自动档仪表一样，在电流档不能实现自动转换量程。冲突的原因是因为自动转换量程需要频繁切换继电器，引发的电流冲击对继电器的使用寿命不利。在电阻档时，是通过判断A、B两端电压是否超过测试电压决定是否保护的，而自动换档时不会出现这种情况，因而不影响自动换档。

信号由A、B两端输入。RX是一个阻值大于或等于2MΩ的阻值固定的电阻，典型值为10MΩ。RI是一个阻值小于或等于1KΩ的阻值固定的电阻。RR、RU也是固定电阻但阻值没有限制，适合测量就可以。

KU是电子开关，用于切换RU，提供基本量程和扩展量程的转换。

KX也是电子开关，用来选择滤波器和比较器的信号来源，并配合其他电路完成整流器的功能。

KI、KR是继电器，用于切换档位和保护仪表。

RI1、RR1、RU1用来扩展量程，其他特性分别与RI、RR、RU相同。

KI1、KR1、KU1用来切换RI1、RR1、RU1，其中KI1是继电器，KR1、KU1是电子开关。

信号缓冲电路提高RX右端的阻抗，用来抵消RX对测量带来的影响。

信号极性判别电路以B端为参考端，判断A端的电压极性。并输出信号供微控制器使用。

信号反相电路用来提供与信号大小相同方向相反(以B端为参考端)的输出，是用来实现AC/DC转换器功能必不可少的。

比较器以参考电压为参考对信号作比较，判断信号相对与参考电压的极性。并输出信号供微控制器使用。

参考电压为比较器提供参考。一般设置为测试电压的63.2％，此时电容档的电路结构符合RC串联电路的公式T＝RC。T是电容电压从零开始变化直到引起比较器输出发生变化的时间。

测试电压用来与KR、RR、KR1、RR1配合测量电阻。测试电压最高一般不超过A/D转换器的最大量程，以避免切换KU。

第一过流检测电路1、第二过流检测电路2是两个比较器，与参考电压E、参考电压F组合使用为微控制器及时的提供正、负两个方向的过流信号，缩短保护的时间。保护电阻用于保护第一过流检测E、第二过流检测F。

在程序流程图中。假设A/D转换器要求输入正极性的信号。

由于本发明是以频率来判断信号是交流还是直流的，所以需要设置一个频率分界点。因为使用者测量的时间不是无限长，如果不设置此分界点，将无法分辨低频率的交流信号与短暂测量的直流信号。在程序流程图中假设3HZ是交流与直流的分界点。即信号的极性变换速度小于3HZ判断为直流信号，大于3HZ判断为交流信号。计算频率时假设以信号的正极性为依据。

程序流程图中电压档、电阻档、电容档是按照自动档的工作方式描述的。

本发明的特点和优点是：

1.通过本发明中KI、RI、KR、RR、RX、KU、RU和测试电压的连接方式，仅使用了A、B两个信号输入端就完成了电压、电流、电阻、电容、二极管这五种功能的信号输入。而现有技术完成上述功能需要至少五个信号输入端(地一个，电压/电阻档一个，电流档至少一个，电容档两个)。虽然在数量上只减少了三个，但是再没有了手动切换表笔位置的问题，因而在使用效果上有了质的提高。

2.本发明使用继电器完成辅助保护作用，可保护所有档位，还可达到重复保护的目的，而保险丝只能一次性使用。保险丝只在继电器分断能力不够时才起作用，熔断机会减少了。绝大多数万用表在20A大电流档不设保险丝并对持续测量时间作了规定(典型值15秒)，如使用者不顾规定要求而长时间测量，将有可能导致参考电阻或表笔插孔过热烧毁。而本发明可用微控制器对测量时间加以限制，使用上具有智能性，现有技术无法做到这一点。

3.在本发明中对于KU、KX没有特殊要求，所以可以使用模拟开关。对于KI、KR因为需要承受高电压或大电流，所以需要采用继电器。它们的作用对应现有技术中绝大多数万用表所使用的表盘旋钮开关，都是用来转换测量功能和量程。它们与表盘旋钮开关相比具有速度快，使用寿命长、增加了保护功能的优点。另外，由于它们都受微控制器控制，所以实现自动换档极为方便(电流档除外)。而且，在转换测量功能和量程时，仅用按键向微控制器发出控制信号就行了。因而不再需要表盘旋钮开关，也就不用在使用前先将表盘对准刻度。降低了对使用者的要求，在使用上更为便捷。

4.无论使用哪种测量功能和哪种量程(除从属权利要求6描述的情况外)，RX始终处于A端和信号缓冲电路之间。因为RX阻值高，降压、限流作用强，即使输入端测量1KV高压且RU未能及时分压时，进入RX及后端信号处理电路的电流最大不过0.5mA(发生在RX阻值最低2MΩ时)，功率最大不过0.5W而已。而且大部分电压、功率降在RX上，剩余的电压、功率很小，不易损坏后端信号处理电路。所以此电阻在测量电压功能的基本量程和其他测量功能时可起保护RX以后电路的作用。在继电器的保护作用基础上又多加了一道保护。而且在测量电压功能的扩展量程时除了起保护作用外还兼作分压用的参考电阻。

5.本发明在测量电容时可以先用电流档的低阻抗对电容放电。而现有技术是使用专用的电容/电压转换电路测量电容，测量时不允许电容带电。相比之下，本发明更为安全。

6.现有技术中都需要使用一个单独的AC/DC转换器来测量交流信号，且只能用于交流。带宽一般很窄，只适合测量50HZ交流电。本发明没有单独的AC/DC转换器，而是由信号极性判断电路、信号反相电路、KX、微控制器、滤波器相互配合在程序的控制下完成AC/DC转换器的功能。其中信号极性判断电路还用来测量频率，一物多用，在电路设计上具备更高的灵活性。

由于上述电路作AC/DC转换器使用时，工作速度仅由最慢的信号反相电路决定，最保守的设计下信号反相电路工作在1KHZ是没有问题的，因而本发明可测量的交流信号带宽比现有技术更大。

除此外，上述电路还用于将正、负两种直流信号的极性转换为固定的一种，使得A/D转换器可以只使用单极性输入的类型。而现有技术中没有用来转换直流信号极性的电路，只能使用双极性输入的A/D转换器，否则只能测量一种极性的信号而无法测量另一种极性的信号。因而本发明在元器件的选择上具备更高的灵活性。

7.在现有技术的电阻档的参考电阻中，一般串联有一个PTC(正温度系数热敏电阻)元件作为电阻档的保护。而PTC本身具有一定阻值(典型值)，且这个阻值是随温度变化而变化的，这是由PTC的特性所决定的。PTC本身的阻值和阻值的变化会对测量造成影响。而本发明使用的KR本身具有保护作用，因而无须这个PTC。而且KR是继电器，接触电阻很小且与温度变化没有关系。因而对被测电路影响也很小。优点更为突出。

8.现有技术没有实现电流档自动转换量程，而本发明在电流档不使用继电器保护功能的前提下，可以实现电流档自动转换量程。

本发明结构新颖、设计合理、保护功能齐全。可以只有两个或取消表笔插孔。免去了使用者转换表笔插孔位置的麻烦。还可以去掉表盘旋钮开关，直接用按键控制。还具备了减少保险丝熔断可能性的特点。为使用者提供了极大的方便。

附图说明

图1是本发明的电路原理图；

图2是控制程序流程图(测量电压)；

图3是控制程序流程图(测量电流)；

图4是控制程序流程图(测量电阻或二极管)；

图5是控制程序流程图(电容测量)；

图6是实施方案图。

图中：1、2-信号输入端A、B，3、5-继电器KI、KR，4、4-1、6、6-1、10、10-1-参考电阻RI、RI1、RR、RR1、RU、RU1，7-隔离电阻RX，8-测试电压，9-C端，11、15、29、30-电子开关KU、KX、KR1、KU1，15-1、15-2-电子开关KX第一、第二输入端，12-信号缓冲器，13-信号极性判别电路，14-信号反相器，16-微控制器，17-比较器，18、24、25-参考电压D、E、F，19-显示设备，20-滤波器，21-A/D转换器，22-保护电阻，23、26-第一、第二过流检测电路，27-按键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。图1中，包括滤波器、A/D转换器、微控制器、显示设备、按键选择开关，其特征在于：所述信号输入端A、B通过隔离电阻RX与信号缓冲电路的输入端连接，信号缓冲电路的输出端通过电子开关KX的一端与比较器17及滤波器20的输入端连接，滤波器20的输出端与A/D转换器21的输入端连接，A/D转换器21的输出端与微控制器16的输入端连接，微控制器16的输出端与显示设备19的输入端连接，比较器17的输出端与微控制器的输入端连接，信号缓冲电路12的输出端与分别与信号极性判别电路13及信号反相电路14的输入端连接，信号极性判别电路13的输出端与微控制器16的输入端连接，信号反相电路14的输出端与电子开关KX的一端连接；继电器KI与参考电阻RI串联后再与信号输入端A、B并联，继电器KR与参考电阻RR及测试电压串联后也与信号输入端A、B并联，电子开关KU与参考电阻RU串联后通过隔离电阻RX与信号输入端A、B并联，继电器KI、KR及电子开关KU、KX的控制端分别与微控制器16的输出端连接。

所述多功能测量的拓扑结构设有用于多种测量功能的信号输入端A、B、隔离电阻RX、信号缓冲电路12、信号极性判别电路13、信号反相电路14、比较器17、参考电压D、兼具保护作用的继电器KI、KR、电子开关KU、KX、参考电阻RI、RR、RU，所述信号输入端A与继电器KI、KR及隔离电阻RX的一端连接，所述信号输入端B与参考电阻RI、测试电压8、电子开关KU、参考电压D的一端连接，信号输入端B还与信号极性判别电路13的一个输入端、信号反相电路14的一个输入端及滤波器20的地端连接，参考电阻RI的另一端C端9与继电器KI的另一端连接，测试电压8的另一端与参考电阻RR串联后再与继电器KR的另一端连接，所述隔离电阻RX的另一端与参考电阻RU串联后再与电子开关KU的另一端连接，隔离电阻RX的另一端还与信号缓冲电路12的输入端连接，所述信号缓冲电路12的输出端与电子开关KX的上输入端、信号极性判别电路13的一个输入端及信号反相电路14的一个输入端连接，所述信号极性判别电路13的输出端与微控制器16的输出端连接，所述信号反相电路14的输出端与电子开关KX的下输入端连接，电子开关KX的输出端与比较器17、滤波器20及微控制器16的输入端连接，所述滤波器20的输出端与A/D转换器23输入端连接，A/D转换器23的输出端与微控制器16的输入端连接，比较器17的另一个输入端与参考电压18的另一端连接，其输出端与微控制器16的输入端连接，所述继电器KI、KR、电子开关KU、KX的控制端分别与微控制器16的输出端连接。

在参考电阻RI两端并联有由继电器KI1与参考电阻RI1的组成串联结构，在参考电阻RR两端并联有由电子开关KR1与参考电阻RR1组成的串联结构，在参考电阻RU两端并联有由电子开关KU1与参考电阻RU1组成的串联结构，继电器KI1、电子开关KR1及KU1的控制端分别与微控制器的输出端连接。

根据权利要求1所述的用于多功能测量的拓扑结构，其特征在于：参考电阻RI两端还设有第一、第二过流控制检测电路，所述第一、第二过流控制检测电路的输入端均通过保护电阻与参考电阻RI的C端9连接，其另一个输入端分别通过参考电压E、F与信号输入端B连接，其输出端分别与微控制器16的输入端连接。

本发明提供了一种用于多功能测量的拓扑结构的测量方法：

a.当用于测量电压时，断开继电器KI、KR，被测电压由信号输入端A、B输入，微控制器根据信号极性判别电路的输出控制电子开关KX方向，再与上次的输出作比较，如发生了变化，此时定时器记录了交流信号半个周期的时间，用定时器的值计算出信号频率，如未发生变化则判断为直流电，微控制器根据A/D转换器的输出值和对应量程计算出输入电压的实际值并在显示设备上显示，然后根据频率值判断信号是交流还是直流并在显示设备上显示；

b.用于测量电流时，断开继电器KR，闭合继电器KI，被测电流由信号输入端A、B输入经过继电器KI、参考电阻RI并在信号输入端A、B上形成代表被测电流的电压，微控制器根据前述a测量电压的方法测量此电压，然后计算出实际电流值并在显示设备上显示，当被测电流超过量程时，断开继电器KI；

c.用于测量电阻时，断开继电器KI，闭合继电器KR，被测电阻通过信号输入端A、B两端与参考电阻RR串联并对测试电压分压，在信号输入端A、B得到代表被测电阻的电压，按照前述a测量电压基本的方法得出结果并在显示设备上显示，当测量出信号输入端A、B两端的电压超过测试电压时，断开继电器KR；

d.用于测量二极管时，与测量电阻的方式基本相同，只是直接以信号输入端A、B两端的实际电压作为二极管档的输出值在显示设备上显示，保护过程与测量电阻步骤c相同；

e.用于测量电容时，先利用参考电阻RI对被测电容放电，然后闭合继电器KR，微控制器根据信号极性判别电路的输出决定电子开关KX的状态，读取比较器的输出，当比较器的输出发生变化时，读取定时器的值，由于从开始计时到停止计时这段时间、参考电阻RR阻值分别对应RC串联电路的时间常数公式T＝RC中的T、R，根据此公式间接完成对电容的测量并在显示设备上显示，保护过程与测量电阻步骤c、测量电流步骤b相同。

工作过程：当测量电压时，KI、KR断开，由于RX阻值较高使得A、B两端呈现高阻抗以便测量电压。被测电压由A、B两端输入并由信号缓冲电路缓冲。缓冲后的输出和被信号反相电路反相后的输出送至KX由微控制器选择。微控制器根据信号极性判别电路的结果控制KX选择符合滤波器、A/D转换器要求的信号极性，当判断出输入电压改变方向时KX也改变方向，可使得KX右边始终得到极性固定的信号，如常用的正极性。这样，当测量的是交流电压时可起到整流器的作用。当测量的是直流电压时可起到转换信号极性的作用。

KX右边得到的信号经过滤波器可输出一个代表输入电压大小的直流信号。因KX、信号极性判别电路、微控制器、滤波器组合使用可起到AC/DC转换器的作用，所以即使输入交流电压时此结论也正确。此直流信号经过A/D转换器转换并被微控制器读取，微控制器结合当前量程的分压比就可间接计算出输入电压值。另外，微控制器读取并分析信号极性判别电路的输出可以得到直流电压的极性，或者得到交流电压的频率。并由此分辨交直流电压。

KU用来转换基本量程和扩展量程。KU断开时是基本量程，输入电压不被分压。KU闭合时是扩展量程，因此时RX与RU串联对输入电压分压，使得输入电压在信号缓冲电路输入端被衰减。改变RU的阻值可以改变RX与RU的分压比，改变分压比可以起到改变扩展量程的作用。改变RU的阻值的方法之一是在RU的两端并联电子开关KU1和参考电阻RU1，KU1和RU1是串联在一起的。

当测量电流时。KR断开，KI闭合。A、B两端呈现低阻抗以便测量电流。对被测电流来说RX及后面的阻值很高而RI的阻值很低，所以被测电流不通过RX而通过RI。被测电流通过RI时会在A、B两端形成代表输入电流大小的电压。通过上述测量电压的方法测量此电压就可以间接得到电流值。KU此时一般断开，因为测量电流只需要使用基本电压档就够了。另外，微控制器读取并分析信号极性判别电路的输出可以得到直流电流的极性，或者得到交流电流的频率。并由此分辨交直流电流。

改变RI的阻值可以改变电流档量程。改变RI的阻值的方法之一是在RI的两端并联继电器KI1和参考电阻RI1，KI1和RI1是串联在一起的。

当测量电阻时，KI断开，KR闭合，此时测试电压通过RR加在A、B两端。测量时被测电阻通过A、B两端与RR串联并对测试电压分压。此时，在A、B两端将得到可代表被测电阻的电压，通过上述测量电压的方法测量此电压就可间接得到电阻值。KU此时一般断开，因为测量电阻只需要使用基本电压档就够了。

改变RR的阻值可以改变电阻档的量程。改变RR的阻值的方法之一是在RR的两端并联电子开关KR1和参考电阻RR1，KR1和RR1是串联在一起的。

当测量电容时，先断开KR并闭合KI。利用电流档的低阻抗对电容放电，以避免电容上的残余电荷影响测量结果和损坏电路。当电流降为零时断开KI并闭合KR，微控制器开始计时。KU此时一般断开，因为测量电容只需要使用基本电压档就够了。测试电压会通过RR对被测电容充电，此时测试电压、RR、被测电容构成一个典型的RC串联电路。当比较器判断电容上的电压超过参考电压时微控制器停止计时。如果参考电压设置为测试电压的63.2％，那么从开始计时到停止计时的这段时间符合RC串联电路的时间常数公式T＝RC中的T。由于T、R已知可以算出C，间接的完成了测量电容的功能。

改变RR的阻值可以改变电容档的量程。改变RR的阻值的方法与电阻档的相关描述相同。

当测量二极管时，除了输出结果是电压值以外，其他与测量电阻的方法一样。

所有的测量结果由微控制器处理后输出给显示设备。

Claims (5)

1.一种用于多功能测量的拓扑结构，包括滤波器、A/D转换器、微控制器、显示设备、电子开关，其特征在于：所述拓扑结构设有用于多种测量功能的信号输入端A、B(1、2)、隔离电阻RX(7)、信号缓冲电路(12)、信号极性判别电路(13)、信号反相电路(14)、比较器(17)、参考电压D(18)、继电器KI、KR(3、5)、电子开关KU、KX(11、15)、参考电阻RI、RR、RU(4、6、10)；所述信号输入端A(1)通过隔离电阻RX(7)与信号缓冲电路(12)的输入端连接，信号缓冲电路(12)的输出端通过电子开关KX(15)输出端与比较器(17)及滤波器(20)的输入端连接，滤波器(20)的输出端与A/D转换器(21)的输入端连接，A/D转换器(21)的输出端与微控制器(16)的输入端连接，微控制器(16)的输出端与显示设备(19)的输入端连接，比较器(17)的输出端与微控制器的输入端连接，信号缓冲电路(12)的输出端与分别与信号极性判别电路(13)及信号反相电路(14)的输入端连接，信号极性判别电路(13)的输出端与微控制器(16)的输入端连接，信号反相电路(14)的输出端与电子开关KX的第二输入端(15-2)连接；继电器KI(3)与参考电阻RI(4)串联后再与信号输入端A、B(1、2)并联，信号极性判别电路(13)及信号反相电路(14)的另一输入端均与输入端B(2)连接，继电器KR(5)与参考电阻RR(6)及测试电压(8)串联后也与信号输入端A、B(1、2)并联，电子开关KU(11)与参考电阻RU(10)串联后通过隔离电阻RX(7)与信号输入端A、B(1、2)并联，继电器KI、KR(3、5)及电子开关KU、KX(11、15)的控制端分别与微控制器(16)的输出端连接。

2.根据权利要求1所述的用于多功能测量的拓扑结构，其特征在于：所述信号输入端A(1)与继电器KI、KR及隔离电阻RX的一端连接，所述信号输入端B与参考电阻RI、测试电压(8)、电子开关KU、参考电压D的一端连接，信号输入端B还与信号极性判别电路(13)的一个输入端、信号反相电路的一个输入端及滤波器(20)的地端连接，参考电阻RI的另一端C端与继电器KI的另一端连接，测试电压(8)的另一端与参考电阻RR串联后再与继电器KR的另一端连接，所述隔离电阻RX的另一端与参考电阻RU串联后再与电子开关KU的另一端连接，隔离电阻RX的另一端还与信号缓冲电路(12)的输入端连接，所述信号缓冲电路(12)的输出端与电子开关KX的第一输入端(15-1)、信号极性判别电路的一个输入端及信号反相电路的一个输入端连接，所述信号极性判别电路(13)的输出端与微控制器(16)的输出端连接，所述信号反相电路(14)的输出端与电子开关KX的第二输入端(15-2)连接，电子开关KX(15)的输出端与比较器(17)、滤波器(20)及微控制器(16) 的输入端连接，所述滤波器(20)的输出端与A/D转换器(23)输入端连接，A/D转换器(23)的输出端与微控制器(16)的输入端连接，比较器(17)的另一个输入端与参考电压(18)的另一端连接，其输出端与微控制器(16)的输入端连接，所述继电器KI、KR(3、5)、电子开关KU、KX(11、15)的控制端分别与微控制器(16)的输出端连接。

3.根据权利要求1所述的用于多功能测量的拓扑结构，其特征在于：在参考电阻RI(4)两端并联有由继电器KI1(28)与参考电阻RI1(4-1)组成的串联结构，在参考电阻RR(6)两端并联有由电子开关KR1(29)与参考电阻RR1(6-1)组成的串联结构，在参考电阻RU(10)两端并联有由电子开关KU1(30)与参考电阻RU1(10-1)组成的串联结构，继电器KI1(28)、电子开关KR1(29)及KU1(30)的控制端分别与微控制器(16)的输出端连接。

4.根据权利要求1所述的用于多功能测量的拓扑结构，其特征在于：参考电阻RI(4)两端还设有第一、第二过流控制检测电路(23、26)，所述第一、第二过流控制检测电路(23、26)的输入端均通过保护电阻(22)与参考电阻RI(4)的C端(9)连接，其另一个输入端分别通过参考电压E、F(24、25)与信号输入端B(2)连接，其输出端分别与微控制器(16)的输入端连接。

5.一种用于多功能测量的拓扑结构的测量方法，其特征在于：

a.当用于测量电压时，断开继电器KI、KR(3、5)，被测电压由信号输入端A、B(1、2)输入，微控制器(16)根据信号极性判别电路(13)的输出控制电子开关KX(15)方向，再与上次的输出作比较，如发生了变化，此时定时器记录了交流信号半个周期的时间，用定时器的值计算出信号频率，如未发生变化则判断为直流电，微控制器(16)根据A/D转换器(21)的输出值和对应量程计算出输入电压的实际值并在显示设备(19)上显示，然后根据频率值判断信号是交流还是直流并在显示设备(19)上显示；

b.用于测量电流时，断开继电器KR(5)，闭合继电器KI(3)，被测电流由信号输入端A、B(1、2)输入经过继电器KI(3)、参考电阻RI(4)并在信号输入端A、B(1、2)上形成代表被测电流的电压，微控制器(16)根据前述a测量电压的方法测量此电压，然后计算出实际电流值并在显示设备(19)上显示，当被测电流超过量程时，断开继电器KI(3)；

c.用于测量电阻时，断开继电器KI(3)，闭合继电器KR(5)，被测电阻通过信号输入端A、B两端与参考电阻RR串联并对测试电压(8)分压，在信号输入端A、B得到代表被测电阻的电压，按照前述a测量电压基本的方法得出结果并在显示设备(19)上显示，当测量出信号输入端A、B两端的电压大于测试电压(8)时，断开继电器KR(5)；

d.用于测量二极管时，与测量电阻的方式基本相同，只是直接以信号输入端A、B(1、 2)两端的实际电压作为二极管档的输出值在显示设备(19)上显示，保护过程与测量电阻步骤c相同；

e.用于测量电容时，先利用参考电阻RI(4)对被测电容放电，然后闭合继电器KR(5)，微控制器(16)根据信号极性判别电路(13)的输出决定电子开关KX(15)的状态，读取比较器(17)的输出，当比较器(17)的输出发生变化时，读取定时器的值，由于从开始计时到停止计时这段时间、参考电阻RR(6)阻值分别对应RC串联电路的时间常数公式T＝RC中的T、R，根据此公式间接完成对电容的测量并在显示设备(19)上显示，保护过程与测量电阻步骤c、测量电流步骤b相同。 

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