專利名稱：通過(guò)切換接地端進(jìn)行信道隔離的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及信號(hào)采集裝置以及，特別涉及具有隔離輸入信道的信號(hào)采集裝置。
背景技術(shù)：
本專利申請(qǐng)要求2002年11月22日提交的，名為“Means forImplementingIsolated Channels(實(shí)現(xiàn)隔離信道的裝置)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)第60/428494號(hào)的利益，其全部在此結(jié)合作為參考。
新型信號(hào)采集裝置，一般包括一用于接收所采集信號(hào)的模擬輸入部件，一諸如一放大器或?yàn)V波器之類的模擬處理器，一用于將所處理的模擬信號(hào)數(shù)字化的數(shù)字化系統(tǒng)，以及一存儲(chǔ)所述數(shù)字化信號(hào)的存儲(chǔ)器。例如，在1999年11月16日授予Etheridge等的美國(guó)專利第5986637號(hào)中，描述了具有上述特征的一高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)。
盡管通常是成功的，但新型信號(hào)采集裝置在一些應(yīng)用中也存在一些問(wèn)題，例如，當(dāng)從開(kāi)關(guān)型電源采集信號(hào)時(shí)，在有重要接地回路的位置，或當(dāng)小信號(hào)疊加在大電壓上時(shí)。在上述應(yīng)用中，隔離所述模擬輸入級(jí)，從而能夠應(yīng)用一用戶接地端將是有益的。然而，AC線驅(qū)動(dòng)信號(hào)采集裝置一般必須相對(duì)于輸入AC電源線電接地，以保證安全和適用的電工規(guī)程。這樣，在采集參考一用戶接地端的信號(hào)和將所采集的信息傳輸至信號(hào)采集裝置的余部之間，就存在沖突。
將通過(guò)一隔離輸入級(jí)所采集的信息傳輸至AC電源系統(tǒng)的余部的方法，可應(yīng)用光學(xué)的，電容性的，和/或電感性的耦合。盡管所述耦合能夠傳輸模擬信息使其穿過(guò)接地端，但由于所述耦合器的增益—帶寬乘積經(jīng)常需要很高以保持線性，且反饋機(jī)制通常不可靠，且數(shù)據(jù)質(zhì)量存在問(wèn)題，因而該方法也存在問(wèn)題。另一種方法，應(yīng)用光學(xué)的，電容性的，和/或電感性的耦合，以使數(shù)字化信號(hào)從參考用戶接地端的邏輯耦合至參考所述裝置的接地端的邏輯。然而，該方法相對(duì)昂貴和復(fù)雜，且需要較大的功率。
因此，應(yīng)用一種新技術(shù)，該技術(shù)將一個(gè)參考用戶接地端的隔離輸入級(jí)所采集的信息，耦合至參考該裝置接地端的剩余裝置。
發(fā)明概要本發(fā)明的原理提供將參考用戶接地端的隔離輸入級(jí)所采集的信息，耦合至參考接地線(一般連接至AC輸入電源的接地線)的系統(tǒng)裝置余部的結(jié)構(gòu)，裝置和方法。上述原理可以通過(guò)應(yīng)用參考用戶接地端的隔離輸入級(jí)來(lái)采集信號(hào)，將所采集的信號(hào)以模擬形式或數(shù)字形式存儲(chǔ)在一由參考用戶接地端的浮動(dòng)電源提供電能的存儲(chǔ)元件中，將所述存儲(chǔ)元件從所述浮動(dòng)電源和用戶接地端斷開(kāi)，然后將所述存儲(chǔ)元件與一參考接地線的電源相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于FET開(kāi)關(guān)的速度和高電壓處理能力，因而用于連接和切斷所述存儲(chǔ)元件，F(xiàn)ET開(kāi)關(guān)是一種有效的裝置。
在本發(fā)明的一實(shí)施例中，應(yīng)用了數(shù)字存儲(chǔ)器裝置。在另一實(shí)施例中，應(yīng)用了例如FISO(快進(jìn)慢出)存儲(chǔ)器的模擬存儲(chǔ)器。
附圖主要說(shuō)明通過(guò)參考結(jié)合附圖的下述詳細(xì)說(shuō)明，能夠很容易的理解本發(fā)明的示例，所述附圖中附

圖1描述了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的信號(hào)采集系統(tǒng)處于第一狀態(tài)時(shí)的高級(jí)方框圖；附圖2描述了處于第二狀態(tài)下時(shí)附圖1中的信號(hào)采集系統(tǒng)；附圖3描述了FET開(kāi)關(guān)的應(yīng)用；附圖4描述了根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的信號(hào)采集系統(tǒng)處于第一狀態(tài)時(shí)的高級(jí)方框圖；附圖5描述了處于第二狀態(tài)下時(shí)附圖4中的信號(hào)采集系統(tǒng)；附圖6描述了包含本發(fā)明的原理的示波器的方框圖。
為了便于理解，所應(yīng)用的同一參考數(shù)字，盡可能表示與附圖中相對(duì)應(yīng)的同一元件。
發(fā)明詳述下面將主要在通用信號(hào)采集裝置的環(huán)境中描述本發(fā)明的主題，然后在數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)的環(huán)境中描述本發(fā)明的主題。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以很容易理解，本發(fā)明能夠很方便地在許多不同系統(tǒng)中得到良好的應(yīng)用，在所述許多不同系統(tǒng)中，采集參考接地端的信息，然后使該信息連接至另一所希望的接地端。
附圖1描述了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的信號(hào)采集系統(tǒng)100的高級(jí)方框圖。所述信號(hào)采集系統(tǒng)100在輸入端口102接收參考用戶接地端110的輸入信號(hào)。所述輸入信號(hào)通過(guò)模擬網(wǎng)104放大，和/或另外處理(例如濾波)。所述模擬網(wǎng)104的輸出，通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)106，送至包括一存儲(chǔ)器的數(shù)字轉(zhuǎn)換器108。一個(gè)參考所述用戶接地端110的浮動(dòng)電源(附圖1中未示出，但附圖6中可見(jiàn)該電源)，將+F和-F電壓提供給所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108。
所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108將開(kāi)關(guān)106送來(lái)的所述已處理模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)在該數(shù)字轉(zhuǎn)換器108的存儲(chǔ)器中的數(shù)字值。此時(shí)，所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108的輸出被提供給一打開(kāi)開(kāi)關(guān)112(或多個(gè)開(kāi)關(guān))。所述數(shù)字采集裝置100進(jìn)一步包括參考接地線134的處理器130，所述處理器130與開(kāi)關(guān)112相連，還包括參考接地線134的顯示器132。參考接地線的電源(附圖1中未示出，但附圖6中可見(jiàn)該電源)將電壓G+和G-提供給所述處理器130和所述顯示器132。為了方便起見(jiàn)，固定由電壓G+和G-提供電能的所有裝置統(tǒng)稱為設(shè)備網(wǎng)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述接地線134連接至一個(gè)AC輸入電源的接地輸入端。
如附圖1中所示，所述+F電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)140被連接至所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108，所述-F電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)142被連接至所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108，以及所述用戶接地端110通過(guò)開(kāi)關(guān)144被連接至所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108。這樣，在附圖1中，所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108與所述設(shè)備網(wǎng)電隔離。由于所述輸入端口102參考用戶接地端110，所以所述輸入信號(hào)并不受能夠影響接地線134的所述接地回路，高壓微分，噪聲或其他因素的影響。例如，所述接地線134通常由其他由公共AC電源線提供電能的裝置共享，且所述裝置能夠顯示在所述接地線134上所產(chǎn)生的接地回路電壓降。
現(xiàn)在參考附圖2，在所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108對(duì)來(lái)自模擬網(wǎng)104的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化之后，產(chǎn)生一組開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)變。具體的說(shuō)，所述開(kāi)關(guān)106打開(kāi)，以切斷所述模擬網(wǎng)104和數(shù)字轉(zhuǎn)換器108間的連接。然后，所述開(kāi)關(guān)144切斷所述用戶接地端110和數(shù)字轉(zhuǎn)換器108間的連接，并將所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108連接至所述接地線134，所述開(kāi)關(guān)140和142切斷+F、-F電壓和所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108間的連接，并將所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108連接至+G和-G。最后，開(kāi)關(guān)112關(guān)閉，將所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108連接至所述處理器130。
如附圖2所示，所述用戶接地端110不再連接至所述數(shù)字轉(zhuǎn)換器108。用戶接地端110以某種方式切換至接地線134，從而避免在用戶和接地線之間的差異導(dǎo)致的損失，并且還可以避免可能對(duì)輸入級(jí)和/或信號(hào)源造成的損失，同時(shí)還提供具有由公用接地線所提供的對(duì)所述信號(hào)采集系統(tǒng)100的保護(hù)。
應(yīng)注意的是，在不同實(shí)施例中，開(kāi)關(guān)140，142和144均以一種先斷后合(break before make)的方式操作。此外，盡管附圖1和2中示出的開(kāi)關(guān)106，112，140，142和144作為一機(jī)械開(kāi)關(guān)，在實(shí)際中，還可使用高壓模擬開(kāi)關(guān)，例如雙極晶體管，F(xiàn)ET，二極管或任何非線性裝置，也很有利。例如，附圖3中描述了通用FET開(kāi)關(guān)160-174，其可以為諸如JFET，MOSFET，P-溝道，N溝道等FET之中的任意一類。上述FET開(kāi)關(guān)均為較快速，較可靠且比機(jī)械開(kāi)關(guān)廉價(jià)的開(kāi)關(guān)。雖然FET開(kāi)關(guān)作為一較好的選擇，然而，也使用其他類型的裝置。如附圖3所示，開(kāi)關(guān)160和162切換用戶接地端110和接地線134，開(kāi)關(guān)164和166切換+F和+G，開(kāi)關(guān)168和170切換-F和-G，開(kāi)關(guān)172在存儲(chǔ)器和模擬輸入之間進(jìn)行切換，以及開(kāi)關(guān)174在存儲(chǔ)器的輸出和系統(tǒng)余部之間進(jìn)行切換。通過(guò)邏輯電路，例如一處理器(參見(jiàn)附圖6中的處理器)，控制所述FET開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)。
雖然附圖1和2中描述了在數(shù)字化所采集的信號(hào)之后，將用戶接地端110切換至接地線134，但這不是必需的。也可對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行切換。例如，附圖4描述了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的信號(hào)采集系統(tǒng)200的高級(jí)方框圖。所述信號(hào)采集系統(tǒng)200在輸入端202上接收一個(gè)參考用戶接地端210的輸入信號(hào)。所述輸入信號(hào)通過(guò)一模擬網(wǎng)204被放大和/或被另外處理。所述模擬網(wǎng)204的輸出通過(guò)閉合的開(kāi)關(guān)206，送至模擬的快進(jìn)慢出(FISO)存儲(chǔ)器208。
如附圖4中所示，參考所述用戶接地端210的浮動(dòng)電源(附圖4中未示出，但在附圖6中可見(jiàn))，將+F和-F電壓提供給所述FISO存儲(chǔ)器208。所述用戶接地端210還連接至所述輸入端口202。所述FISO存儲(chǔ)器208保留所輸入信號(hào)的一個(gè)模擬形式。所述FISO存儲(chǔ)器208的輸出被送至一個(gè)開(kāi)啟的開(kāi)關(guān)212。所述信號(hào)采集裝置200進(jìn)一步包括參考地的處理器230，所述處理器230與開(kāi)關(guān)212和顯示器232相連。所述參考地的處理器230和所述顯示器232均參考接地端234，且一接地電源(附圖4中未示出，但附圖6中可見(jiàn))將電壓+G和-G提供給所述參考地的處理器230和所述顯示器232。固定的由電壓+G和-G提供電能的所述裝置，一般被稱為設(shè)備網(wǎng)。
如附圖4中所示，所述+F電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)240，被連接至所述FISO存儲(chǔ)器208，所述-F電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)242，被連接至所述FISO存儲(chǔ)器208，以及所述用戶接地端210通過(guò)開(kāi)關(guān)244，被連接至所述FISO存儲(chǔ)器208。這樣，在附圖4中，所述FISO存儲(chǔ)器208被從所述參考地的處理器230和所述顯示器232中電隔離。由于在所述輸入端口202輸入的模擬信號(hào)參考用戶接地端210，所以所述輸入信號(hào)并不受可以影響接地線234的所述接地回路，高壓差動(dòng)，噪聲或其他因素的影響。
現(xiàn)在參照附圖5，在FISO存儲(chǔ)器208捕獲到來(lái)自模擬網(wǎng)204的信號(hào)之后，產(chǎn)生一組切換轉(zhuǎn)變。具體的說(shuō)，所述開(kāi)關(guān)206打開(kāi)，以切斷所述FISO存儲(chǔ)器208和所述模擬網(wǎng)204間的連接。另外，所述開(kāi)關(guān)244將所述FISO存儲(chǔ)器208從所述用戶接地端210切換至所述接地線234。同時(shí)，所述開(kāi)關(guān)240和242將所述FISO存儲(chǔ)器208從+F、-F電壓切換至+G和-G電壓。最后，開(kāi)關(guān)212關(guān)閉，將所述FISO存儲(chǔ)器208連接至所述接地基準(zhǔn)處理器230。
就像在附圖1和2示出的實(shí)施例中一樣，開(kāi)關(guān)240，242和244均以一種先斷后合的方式操作，且所有開(kāi)關(guān)均可使用有利的高壓模擬開(kāi)關(guān)(FET)(參見(jiàn)附圖3)。若應(yīng)用雙極晶體管開(kāi)關(guān)，則可能必須校正DC電平的改變。
附圖1-5描述了在多個(gè)不同系統(tǒng)中，可用于多種目的通用信號(hào)采集系統(tǒng)100和200。然而，上述信號(hào)采集系統(tǒng)在示波器中特別有用。例如，附圖6描述了得益于本發(fā)明的原理的示波器600的模塊圖。如圖所示，所述示波器600包括參考用戶接地端604的輸入602。在輸入602上的信號(hào)被送至采集系統(tǒng)606。所述采集系統(tǒng)606包括用戶可選的增益放大器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。所述采集系統(tǒng)606的ADC采樣并量化所放大的信號(hào)，并通過(guò)一閉合開(kāi)關(guān)608，將所采集的信息提供給一采集存儲(chǔ)器610。所述采集系統(tǒng)606也可以將所述輸入信號(hào)的模擬表示存儲(chǔ)在一FISO存儲(chǔ)器中。然而，為了方便起見(jiàn)，將假設(shè)所述示波器600使用一ADC和一數(shù)字存儲(chǔ)器。如附圖6所示，在數(shù)據(jù)采集期間，參考所述用戶接地端604的一浮動(dòng)電源611，將+F和-F電壓提供給所述采集存儲(chǔ)器610。所述+F和-F電壓分別通過(guò)開(kāi)關(guān)612和613來(lái)提供，且通過(guò)開(kāi)關(guān)614接通所述用戶接地端604。很清楚，所述浮動(dòng)電源611直接將電能提供給所述采集系統(tǒng)606，且采集系統(tǒng)606與所述用戶接地端604以導(dǎo)線相連。所述采集存儲(chǔ)器610的輸出被提供給一開(kāi)關(guān)615，所述開(kāi)關(guān)615在數(shù)據(jù)采集期間處于打開(kāi)狀態(tài)。
在數(shù)據(jù)采集結(jié)束之后，處理器616使開(kāi)關(guān)608打開(kāi)，使開(kāi)關(guān)615關(guān)閉。同時(shí)，所述處理器616使開(kāi)關(guān)612，613和614切換，從而使一接地線617電源618提供電壓+G和-G給所述采集存儲(chǔ)器610，且使所述采集存儲(chǔ)器610與接地線617相連。
當(dāng)開(kāi)關(guān)615關(guān)閉時(shí)，所述采集存儲(chǔ)器610的輸出，傳到存儲(chǔ)所述采集存儲(chǔ)器610輸出的顯示存儲(chǔ)器622。應(yīng)用所述顯示存儲(chǔ)器622的內(nèi)容，從而在一光柵掃描顯示裝置626上產(chǎn)生一波形顯示。所述處理器618也可以將其他附加信息，例如所述放大因數(shù)和波形時(shí)基，提供給顯示存儲(chǔ)器622用于顯示。在所述顯示存儲(chǔ)器622已存儲(chǔ)采集存儲(chǔ)器610的輸出之后，所述處理器618使得開(kāi)關(guān)615開(kāi)啟和開(kāi)關(guān)608關(guān)閉。另外，處理器618使得開(kāi)關(guān)612，613和614將所述采集存儲(chǔ)器610重新與所述浮動(dòng)電源611電壓+F和-F和所述用戶接地端604相連。很清楚，所述接地電源618將電能提供給所述顯示器626，所述處理器618和所述顯示存儲(chǔ)器622。此外，所述存儲(chǔ)器618使不同的開(kāi)關(guān)均以先斷后合方式切換。在一實(shí)施例中，應(yīng)用高壓FET來(lái)取代機(jī)械開(kāi)關(guān)(見(jiàn)附圖3)。直接與接地端電源618和接地端相連的所有裝置通常被稱為設(shè)備網(wǎng)。
雖然前述部分說(shuō)明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，可不脫離通過(guò)隨后權(quán)利要求所確定的基本范圍，本發(fā)明的其他或進(jìn)一步的實(shí)施例是可以產(chǎn)生的。
權(quán)利要求
1.一種信號(hào)采集裝置，包括一個(gè)參考第一接地端的輸入級(jí)，所述輸入級(jí)用于接收一輸入信號(hào)；一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)與所述輸入信號(hào)相關(guān)的信息；一個(gè)參考第二接地端的設(shè)備網(wǎng)，所述設(shè)備網(wǎng)用于處理來(lái)自所述存儲(chǔ)器的信息；以及一個(gè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)，所述開(kāi)關(guān)網(wǎng)具有至少兩個(gè)用于選擇性地在所述第一接地端和第二接地端之間切換所述存儲(chǔ)器的開(kāi)關(guān)；其中，所述第一接地端和第二接地端電隔離。
2.如權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集裝置，其中所述開(kāi)關(guān)網(wǎng)包括至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。
3.如權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集裝置，其中至少一個(gè)開(kāi)關(guān)為一先斷后合開(kāi)關(guān)。
4.如權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集裝置，其中所述開(kāi)關(guān)網(wǎng)選擇性地將所述存儲(chǔ)器連接到所述輸入級(jí)。
5.如權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集裝置，其中所述開(kāi)關(guān)網(wǎng)選擇性地將所述存儲(chǔ)器連接到所述設(shè)備網(wǎng)。
6.如權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集裝置，其中所述存儲(chǔ)器為數(shù)字存儲(chǔ)器。
7.如權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集裝置，其中所述存儲(chǔ)器為模擬存儲(chǔ)器。
8.如權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集裝置，其中所述設(shè)備網(wǎng)包括一個(gè)顯示器。
9.如權(quán)利要求1所述的信號(hào)采集裝置，其中所述第二接地端與一AC電源地線電連接。
10.一種示波器，包括一個(gè)參考第一接地端的輸入級(jí)，所述輸入級(jí)用于接收一輸入信號(hào)；一個(gè)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)與所述輸入信號(hào)相關(guān)的信息；一個(gè)參考第二接地端的設(shè)備網(wǎng)，所述設(shè)備網(wǎng)用于處理來(lái)自所述存儲(chǔ)器的信息；一個(gè)顯示器，用于顯示表示所述輸入信號(hào)的一波形；以及一個(gè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)，所述開(kāi)關(guān)網(wǎng)具有至少兩個(gè)用于選擇性地在所述第一接地端和第二接地端之間切換所述存儲(chǔ)器的開(kāi)關(guān)；其中，所述第一接地端和第二接地端電隔離。
11.如權(quán)利要求10所述的示波器，其中所述開(kāi)關(guān)網(wǎng)包括至少一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。
12.如權(quán)利要求10所述的示波器，其中至少一個(gè)開(kāi)關(guān)為一先斷后合開(kāi)關(guān)。
13.如權(quán)利要求10所述的示波器，其中所述開(kāi)關(guān)網(wǎng)選擇性地將所述存儲(chǔ)器連接所述輸入級(jí)。
14.如權(quán)利要求10所述的示波器，其中所述開(kāi)關(guān)網(wǎng)選擇性地將所述存儲(chǔ)器連接所述設(shè)備網(wǎng)。
15.如權(quán)利要求10所述的示波器，其中所述存儲(chǔ)器為數(shù)字存儲(chǔ)器。
16.如權(quán)利要求10所述的示波器，其中所述存儲(chǔ)器為模擬存儲(chǔ)器。
17.如權(quán)利要求10所述的示波器，其中所述示波器為一個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)示波器。
18.如權(quán)利要求10所述的示波器，其中所述第二接地端與一AC電源地線電連接。
19.一種采集信號(hào)的方法，包括接收一個(gè)參考第一接地端的信號(hào)；將關(guān)于所接收信號(hào)的信息存儲(chǔ)在一個(gè)參考第一接地端的存儲(chǔ)器中；將所述存儲(chǔ)器從第一接地端斷開(kāi)；將所述存儲(chǔ)器連接至一個(gè)第二接地端；以及使用一個(gè)參考第二接地端的系統(tǒng)處理所存儲(chǔ)的信號(hào)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，進(jìn)一步包括顯示一表示所接收信號(hào)波形的步驟。
全文摘要
公開(kāi)了一種諸如示波器的信號(hào)采集裝置，該裝置具有一個(gè)參考一用戶接地端的輸入級(jí)。所述輸入級(jí)采集的信息存儲(chǔ)在一個(gè)由參考用戶接地端的浮動(dòng)電源提供電能的存儲(chǔ)元件中。在存儲(chǔ)之后，所述存儲(chǔ)元件從浮動(dòng)電源和用戶接地端斷開(kāi)，并切換到一個(gè)參考系統(tǒng)余部的電源。可使用FET開(kāi)關(guān)，且信息可以以模擬格式或數(shù)字格式進(jìn)行存儲(chǔ)。
文檔編號(hào)G01R15/14GK1515910SQ200310123180
公開(kāi)日2004年7月28日 申請(qǐng)日期2003年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月22日
發(fā)明者D·F·希爾特納, D F 希爾特納 申請(qǐng)人:特克特朗尼克公司