专利名称：实现快速均方根测量的均方根转换器的制作方法
总的说来，本发明涉及均方根(rms)转换器电路，更准确地说，涉及用于实现电力线信号快速rms测量的电路和方法。
万用表和电压表通常提供以电压的rms表示的交流(交流)电压测量结果。电力线信号是由发电站向消费者或工业提供的交流电压，通常是120V或240V rms。在试验和测量应用中，以高精度和高可靠性决定电力线信号的rms值的能力是很重要的，但经常要在损害测量速度的情况下才能做到这一点，因为需要跨几个输入信号的周期的测量周期来获得rms值。
早期的万用表使用二极管整流和电容平均电路，来以适当的精度提供对有已知频率和通常为正弦波形的电力线信号的rms测量。这样的读数要求在几个信号周期上进行平均，以便获得有最小交流脉动电压的稳定的读数，此交流脉动电压叠加到代表rms值的直流电压上。
模拟rms到直流的转换通过对于有各种各样波形的信号，以直流电压的形式产生“真正的rms”值，来改善二极管平均法的限制。热rms转换器是这样一种rms转换器，它的工作原理是把信号加到与环境绝热的电阻上，然后测量电阻温度的等效温升，来获得对应于rms的等效直流加热值。因为热rms转换器根据电阻的热响应来测量等效直流加热值，所以，获得稳定测量的时间将跨许多个输入信号周期，而且在其它因素中，测量时间取决于电阻的热特性、环境温度和所要求的rms测量精度。
单片rms转换器是另一种rms转换器，它由例如放大器、乘法器、除法器和积分器这样的在单片集成电路内的模拟电路构成，用于获得代表rms值的直流电压。在一段预先确定的的平均时间上来决定这rms值，而这平均时间根据所希望的精度和叠加到代表rms值的直流信号的交流脉动最大值来设定。对于50Hz和60Hz的电力线信号，平均时间需要跨许多个周期。
模数转换器(ADCs)以前一直放在模拟rms转换器的后面，以便把代表rms值的直流电压转换成数字样值，现在，在较新的仪器设计中，它正普遍地取代模拟rms转换器，用于在前端测量输入信号。现在ADCs有高的取样速率和测量精度，从而允许对输入信号直接取样，并且把数字样值作为时间记录存储起来，供进一步处理。数学运算从时间记录中把预先确定的数字样值个数的数字样值进行积分，然后算出信号的rms值。因为不知道信号的准确的周期，时间记录要跨多个信号周期，以便获得所希望的精度。
在Steven D.Swift的、转让给Fluke公司的未决美国专利申请08/840,086“测量仪器的前端结构”中，公开了测量仪器的前端结构，其中的前端电路调节输入信号，并用ADC把输入信号数字化，来获得数字样值。把数字样值送到一套数字提取滤波器，以便同时提取各种测量参数，包括rms值以及峰值最大值和最小值。数字滤波器的长度和复杂程度取决于各转移函数的所希望的特性。所述前端结构可以适合于测量各种信号，但它没有告诉我们如何实现电力线信号的快速rms测量。
在Swift等的、转让给Fluke公司的未决美国专利申请08/802,020“使用数字滤波的rms转换器”中，描述了做成在平方电路后跟着数字滤波器和平方根电路的rms转换器。从连续的数字样值流获得rms值，而不必考虑输入信号的周期，也没有预先确定的的积分周期。因为数字滤波器的转移函数模仿上面讨论的热rms转换器中的实际电阻的热响应，所以获得rms值的响应时间被测量应用的精度要求所推迟。对于具有已知周期的信号、例如电力线信号，文中没有着重介绍以快的测量速率来获得rms值的问题。
这样，现有技术的rms测量以相对慢的速率进行，以便在大范围的可能的输入周期上获得可接受的精度。对于许多故障查找应用来说，这样的速率不总是合适的，在这样的应用中，要求较高的测量速率来探测间歇出现的问题。在测量50Hz和60Hz的世界标准电力线频率的信号的试验和测量应用中，已经知道电力线信号的周期是上两个不同周期中的一个。因此，最好提供一种rms转换器，它进行快速rms测量，以便通过利用电力线信号的已知周期，来获得大大快于用于电力线信号的现有技术的测量速率。
根据本发明，提供用于实现电力线信号快速rms测量的rms转换器。根据世界标准，电力线频率信号是有50Hz或60Hz频率的周期性正弦波。为了故障查找与诊断目的，希望以可能的最快速率产生电力线频率信号的rms值。
根据本发明的rms转换器利用已知的电力线频率和波形，提供50毫秒(ms)的最小测量周期的快速rms测量，这50毫秒(ms)的测量周期使或者50Hz或者60Hz适应获得每秒20次rms测量的测量速率。
在含有rms转换器的测量仪器中，被测量的信号(“输入信号”)通过调节输入信号的前端，被耦合到取样系统，来提供模拟信号的数字样值，上述取样系统通常是模数转换器(ADCs)形式，或∑-δ转换器或现有技术中的已知的提供模拟信号的数字样值的其它数字取样技术。取样系统以取样速率和充分高的分辨率提供数字样值，这分辨率高到足以在50ms的测量周期上获得所希望的精度。在最佳实施例中，由取样系统以每秒1,000次取样的取样速率和以八位的振幅分辨率提供数字样值。
到达rms转换器的数字样值在平方电路中被平方，在平均电路中被求和。在每个测量周期的末尾，平均值被送到平方根电路来计算rms值。然后，rms值被送到微处理器作进一步的处理，这包括存储最小和最大rms值或画出rms值对于时间的曲线。已经把rms测量周期选择为50ms，以便跨越50Hz和60Hz频率的平方后的电力线信号的最小整数个周期。对于60Hz频率，50ms的rms测量周期跨越六个周期，而对于50Hz频率则跨越五个周期，以便以每秒20个rms值的最大速率提供快速rms测量。
本发明的一个目的是提供一种实现快速rms测量的方法。
本发明的另一个目的是提供一种实现电力线频率信号的快速rms测量的rms转换器。
本发明的一个附带的目的是提供一种实现快速rms测量的方法，它能适应或者50Hz或者60Hz电力线频率信号。
本发明的再另一个目的是提供产生电力线频率信号的快速rms测量的测量仪器。
当结合附图阅读下面的描述时，本专业的技术人员就会清楚本发明的其它特征、所取得的结果和优点。
图1是根据本发明的用于实现电力线信号的快速rms测量的测量仪器的简化方框图；图2是表示60Hz电力线信号与rms测量周期之间的关系的曲线图；图3是表示50Hz电力线信号与rms测量周期之间的关系的曲线图；图4是表示根据rms测量周期，从电力线信号形成快速rms测量的曲线图；和图5是根据本发明的rms转换器的简化方框图。
图1是适用于实现电力线信号的快速rms测量的测量仪器10的简化方框图。测量仪器10耦合到电压源12，后者模拟在典型的试验和测量应用中所遇到的电力线频率信号。电力线信号是有根据世界电力标准的或者50Hz或者60Hz频率的周期性正弦波。为了故障查找与诊断目的，希望以可能的最快的速率产生电力线频率信号的rms值。这样产生的rms值可被存储、被挑出最大和最小值或画成图象显示，以供进一步分析，例如探测各种短时异常现象。
电压源12通过一对测试探头16耦合到前端14。前端电路14接收到作为输入电压的在一对测试探头16间的电压。因为输入电压可能具有未知的电平，并且可能出现其它频率或噪声成分，所以前端电路14有信号调节电路，以便提供经调节的、具有适合于转换到数字样值的振幅电平和输入带宽的输入信号，上述信号调节电路包括过压保护电路、放大器、滤波器和分压器。
经调节的输入信号被送到取样系统18，后者把经调节的输入信号转换成数字样值流，此数字样值流被送到rms转换器20。取样系统18可以用模数转换器(未示出)，或∑-δ转换器和抽取滤波器(未示出)或现有技术中的已知的其它取样技术来实现。可以把取样系统的取样速率选得足够高，以便获得所希望的rms测量精度和测量仪器10的输入带宽。在最佳实施例中，选择每秒1,000次取样的取样速率和八位振幅分辨率的取样参数，以便获得所希望的rms值精度。
选择50毫秒的rms测量周期作为将适应50Hz和60Hz两种频率的电力线信号的最小测量周期，这样，不必改动，就能以每秒20个rms值的最大可能的速率提供rms测量。rms测量周期与50Hz和60Hz的电力线信号之间的关系表示在图2和图3上。把测量周期选为50ms，以便跨越电力线信号的平方的最小整数个周期，或者如图2B所示的六个周期，或者如图3B所示的五个周期，也就是不必改动就能兼容50Hz和60Hz频率的电力线信号。
图2A中示出60Hz频率的电力线信号的振幅与时间关系的曲线，它是以显示在一般示波器上的周期性正弦波迹线50的形式示出的。迹线50标注上60Hz的电力线信号这几个字，并代表呈现为数字样值的振幅值。因为60Hz频率的电力线信号通常非常接近60Hz，所以，三个全周期正弦波的时间将非常接近50ms。图2B中示出图2A的电力线信号的平方的迹线52，它标注上平方后的电力线信号这几个字。迹线52代表在rms转换器20所产生的平方后的数字样值的振幅值。对电力线信号取平方就有效地把它的频率变为双倍，从而在迹线52上出现六个完整的周期。图2C中示出在最佳实施例中rms测量周期54跨越50ms。因为rms测量周期54跨越平方后的数字样值的六个完整周期，如迹线52所示，所以电力线频率输入信号相对于rms测量周期的相位并不影响因而发生的rms值的计算。这样，rms测量周期54不必被同步或触发以便开始于电力线频率输入信号的任何特定的相位，这大大简化了测量过程。
图3A中示出类似于图2A的电力线信号的振幅与时间关系的曲线，但其频率为50Hz，它以迹线60的形式示出、并标注上50Hz的电力线信号这几个字。迹线60代表数字样值形式的振幅值。因为50Hz频率的电力线信号通常非常接近50Hz，所以两个半全周期正弦波的时间将非常接近50ms。图3B中示出图3A的电力线信号的平方的迹线62，它被标注上平方后的电力线信号这几个字、并且以平方后的数字样值的形式示出。对电力线信号取平方就有效地把它的频率变为双倍，从而在迹线62上出现五个完整周期。图3C中示出rms测量周期54(也表示在图2C)。因为rms测量周期54包括平方后的数字样值的五个完整周期，如迹线62所示，所以电力线频率输入信号相对于rms测量周期54的相位并不影响因而发生的rms值的计算。这样，rms测量周期54就是这样的可能存在的最短周期，它分别提供50Hz和60Hz的电力线信号的平方的迹线52和62的整数个周期，或者六个或者五个周期。
图4A中示出50Hz频率的电力线信号的振幅与时间关系的曲线(表示在图3A)，现在画成有更多周期数的迹线70。在时间值50ms,100ms,150ms等处一次接一次地执行多次rms测量周期54，以便获得每秒20次rms值的rms测量速率。另一种办法是，无论对50Hz频率的输入信号的两个半周期或是对60Hz频率的输入信号的三个周期，只要rms测量周期与电力线信号的周期数之间的关系基本保持相同，各rms测量周期就不必严格地彼此相随，彼此也不必保持精确的相同起始相位关系。
图5中示出根据本发明的rms转换器20的简化的方框图。由取样系统18(示于图1)产生的数字样值到达rms转换器20。每个数字样值在平方电路100处被平方，以便获得代表电力线信号的平方的平方后的数字样值，然后被送到平均电路102。平均电路102把平方后的数字样值累加，并且一旦收到每50ms来一次的更新信号，平均电路102就根据rms测量周期54期间内所累加的数字样值计算平均值。然后，平方根电路104计算平均值的平方根来产生rms值。
显然，对于本专业的技术人员来说，可以在上述本发明的最佳实施例中提出细节上的改变而不超出在更广泛的方面的本发明的精神。例如，rms转换器20可以用专用的数字电路的硬件来实现、用由微处理器执行的软件或根据应用要求用硬件和软件的组合来实现。可以选择更长的rms测量周期，例如100ms，以便获得平均值的更高的分辨率，所要求的是保持平方后的数字样值的周期数是整数。如果只需测量两种电力线频率中的一种，而不需兼容另一种，则可以选择更短的rms测量周期，以便以比每秒20个rms值更高的rms测量速率来获得rms值。因此，本发明的范围应该由下面的权利要求书来决定。
权利要求
1．一种均方根(rms)转换器，其特征在于包括(a)平方电路，用于接收电力线信号而产生平方后数字样值；(b)耦合到平方电路的平均电路，它在这样的rms测量周期上产生所述平方后数字样值的平均值，其中所述rms测量周期跨越所述平方后数字样值的整数个周期；以及(c)平方根电路，用于计算所述平均值的平方根，从而产生所述电力线频率输入信号的rms值。
2．根据权利要求1的rms转换器，其特征在于所述电力线信号具有50Hz和60Hz中的一种频率。
3．根据权利要求2的rms转换器，其特征在于所述rms测量周期基本上接近50毫秒。
4．一种计算电力线信号的rms值的方法，其特征在于包括下面的步骤(a)对所述电力线信号进行数字取样，获得数字样值；(b)把所述数字样值在平方电路中进行平方，产生平方后的数字样值；(c)把所述平方后的数字样值在rms测量周期中进行平均，产生平均值，其中所述rms测量周期跨越所述平方后数字样值的整数个周期；以及(d)计算所述平均值的平方根，产生所述rms值。
5．根据权利要求4的计算电力线信号的rms值的方法，其特征在于所述电力线信号具有50Hz和60Hz中的一种频率。
6．根据权利要求5的计算电力线信号的rms值的方法，其特征在于所述rms测量周期基本上接近50毫秒。
7．一种实现电力线信号快速rms测量的测量仪器，其特征在于包括(a)取样系统，它耦合到所述电力线信号，产生所述电力线信号的数字样值；(b)耦合到所述取样系统的rms转换器，它接收rms测量周期中的所述数字样值，产生所述电力线信号的所述rms值，其中所述rms测量周期跨越所述电力线信号的平方的最小整数个周期；(c)微处理器，它根据所述rms测量周期接收从所述rms转换器来的所述rms值；以及(d)显示装置，它耦合到所述微处理器，用于接收和显示所述rms值。
8．根据权利要求7的实现电力线信号快速rms测量的测量仪器，其特征在于所述rms转换器包括(a)平方电路，用于接收所述电力线信号的所述数字样值而产生平方后的数字样值；(b)耦合到所述平方电路的平均电路，它在所述rms测量周期上产生所述平方后数字样值的平均值；以及(c)平方根电路，用于计算所述平均值的平方根，来产生所述电力线频率输入信号的所述rms值。
9．根据权利要求7的实现电力线信号快速rms测量的测量仪器，其特征在于所述电力线信号有50Hz和60Hz中的一种频率。
10．根据权利要求7的实现电力线信号快速rms测量的测量仪器，其特征在于所述rms测量周期基本上接近50毫秒。
全文摘要
提供对50Hz或60Hz频率的电力线信号实现快速rms测量的rms(均方根)转换器。到达rms转换器的电力线频率信号的数字样值被平方并且在平均电路中求和。在每个rms测量周期结束时,平均值被送到平方根电路来计算rms值。已经把测量周期选为50ms,以便跨越50Hz和60Hz频率的平方后的电力线信号的最小整数个周期,对于60Hz频率,跨越六个周期,而对于50Hz频率则跨越五个周期,以便以每秒20个rms值的最大速率提供快速rms测量。
文档编号G01R19/02GK1226682SQ98121329
公开日1999年8月25日 申请日期1998年10月9日 优先权日1997年11月10日
发明者C·N·胡伯 申请人:弗兰克公司