專利名稱：通過切換接地端進行信道隔離的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及信號采集裝置以及，特別涉及具有隔離輸入信道的信號采集裝置。
背景技術：
本專利申請要求2002年11月22日提交的，名為“Means forImplementingIsolated Channels(實現隔離信道的裝置)”的美國臨時專利申請第60/428494號的利益，其全部在此結合作為參考。
新型信號采集裝置，一般包括一用于接收所采集信號的模擬輸入部件，一諸如一放大器或濾波器之類的模擬處理器，一用于將所處理的模擬信號數字化的數字化系統，以及一存儲所述數字化信號的存儲器。例如，在1999年11月16日授予Etheridge等的美國專利第5986637號中，描述了具有上述特征的一高速數字存儲示波器(DSO)。
盡管通常是成功的，但新型信號采集裝置在一些應用中也存在一些問題，例如，當從開關型電源采集信號時，在有重要接地回路的位置，或當小信號疊加在大電壓上時。在上述應用中，隔離所述模擬輸入級，從而能夠應用一用戶接地端將是有益的。然而，AC線驅動信號采集裝置一般必須相對于輸入AC電源線電接地，以保證安全和適用的電工規程。這樣，在采集參考一用戶接地端的信號和將所采集的信息傳輸至信號采集裝置的余部之間，就存在沖突。
將通過一隔離輸入級所采集的信息傳輸至AC電源系統的余部的方法，可應用光學的，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接地端，但由于所述耦合器的增益—帶寬乘積經常需要很高以保持線性，且反饋機制通常不可靠，且數據質量存在問題，因而該方法也存在問題。另一種方法，應用光學的，電容性的，和/或電感性的耦合，以使數字化信號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，該方法相對昂貴和復雜，且需要較大的功率。
因此，應用一種新技術，該技術將一個參考用戶接地端的隔離輸入級所采集的信息，耦合至參考該裝置接地端的剩余裝置。
發明概要本發明的原理提供將參考用戶接地端的隔離輸入級所采集的信息，耦合至參考接地線(一般連接至AC輸入電源的接地線)的系統裝置余部的結構，裝置和方法。上述原理可以通過應用參考用戶接地端的隔離輸入級來采集信號，將所采集的信號以模擬形式或數字形式存儲在一由參考用戶接地端的浮動電源提供電能的存儲元件中，將所述存儲元件從所述浮動電源和用戶接地端斷開，然后將所述存儲元件與一參考接地線的電源相連接來實現。由于FET開關的速度和高電壓處理能力，因而用于連接和切斷所述存儲元件，FET開關是一種有效的裝置。
在本發明的一實施例中，應用了數字存儲器裝置。在另一實施例中，應用了例如FISO(快進慢出)存儲器的模擬存儲器。
附圖主要說明通過參考結合附圖的下述詳細說明，能夠很容易的理解本發明的示例，所述附圖中附
圖1描述了根據本發明第一實施例的信號采集系統處于第一狀態時的高級方框圖；附圖2描述了處于第二狀態下時附圖1中的信號采集系統；附圖3描述了FET開關的應用；附圖4描述了根據本發明另一實施例的信號采集系統處于第一狀態時的高級方框圖；附圖5描述了處于第二狀態下時附圖4中的信號采集系統；附圖6描述了包含本發明的原理的示波器的方框圖。
為了便于理解，所應用的同一參考數字，盡可能表示與附圖中相對應的同一元件。
發明詳述下面將主要在通用信號采集裝置的環境中描述本發明的主題，然后在數字存儲示波器(DSO)的環境中描述本發明的主題。本領域技術人員可以很容易理解，本發明能夠很方便地在許多不同系統中得到良好的應用，在所述許多不同系統中，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描述了根據本發明一個實施例的信號采集系統100的高級方框圖。所述信號采集系統100在輸入端口102接收參考用戶接地端110的輸入信號。所述輸入信號通過模擬網104放大，和/或另外處理(例如濾波)。所述模擬網104的輸出，通過閉合開關106，送至包括一存儲器的數字轉換器108。一個參考所述用戶接地端110的浮動電源(附圖1中未示出，但附圖6中可見該電源)，將+F和-F電壓提供給所述數字轉換器108。
所述數字轉換器108將開關106送來的所述已處理模擬信號轉換為存儲在該數字轉換器108的存儲器中的數字值。此時，所述數字轉換器108的輸出被提供給一打開開關112(或多個開關)。所述數字采集裝置100進一步包括參考接地線134的處理器130，所述處理器130與開關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，固定由電壓G+和G-提供電能的所有裝置統稱為設備網。在一個實施例中，所述接地線134連接至一個AC輸入電源的接地輸入端。
如附圖1中所示，所述+F電壓通過開關140被連接至所述數字轉換器108，所述-F電壓通過開關142被連接至所述數字轉換器108，以及所述用戶接地端110通過開關144被連接至所述數字轉換器108。這樣，在附圖1中，所述數字轉換器108與所述設備網電隔離。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上所產生的接地回路電壓降。
現在參考附圖2，在所述數字轉換器108對來自模擬網104的信號進行數字化之后，產生一組開關轉變。具體的說，所述開關106打開，以切斷所述模擬網104和數字轉換器108間的連接。然后，所述開關144切斷所述用戶接地端110和數字轉換器108間的連接，并將所述數字轉換器108連接至所述接地線134，所述開關140和142切斷+F、-F電壓和所述數字轉換器108間的連接，并將所述數字轉換器108連接至+G和-G。最后，開關112關閉，將所述數字轉換器108連接至所述處理器130。
如附圖2所示，所述用戶接地端110不再連接至所述數字轉換器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致的損失，并且還可以避免可能對輸入級和/或信號源造成的損失，同時還提供具有由公用接地線所提供的對所述信號采集系統100的保護。
應注意的是，在不同實施例中，開關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中示出的開關106，112，140，142和144作為一機械開關，在實際中，還可使用高壓模擬開關，例如雙極晶體管，FET，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開關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開關均為較快速，較可靠且比機械開關廉價的開關。雖然FET開關作為一較好的選擇，然而，也使用其他類型的裝置。如附圖3所示，開關160和162切換用戶接地端110和接地線134，開關164和166切換+F和+G，開關168和170切換-F和-G，開關172在存儲器和模擬輸入之間進行切換，以及開關174在存儲器的輸出和系統余部之間進行切換。通過邏輯電路，例如一處理器(參見附圖6中的處理器)，控制所述FET開關的驅動。
雖然附圖1和2中描述了在數字化所采集的信號之后，將用戶接地端110切換至接地線134，但這不是必需的。也可對模擬信號進行切換。例如，附圖4描述了根據本發明第二實施例的信號采集系統200的高級方框圖。所述信號采集系統200在輸入端202上接收一個參考用戶接地端210的輸入信號。所述輸入信號通過一模擬網204被放大和/或被另外處理。所述模擬網204的輸出通過閉合的開關206，送至模擬的快進慢出(FISO)存儲器208。
如附圖4中所示，參考所述用戶接地端210的浮動電源(附圖4中未示出，但在附圖6中可見)，將+F和-F電壓提供給所述FISO存儲器208。所述用戶接地端210還連接至所述輸入端口202。所述FISO存儲器208保留所輸入信號的一個模擬形式。所述FISO存儲器208的輸出被送至一個開啟的開關212。所述信號采集裝置200進一步包括參考地的處理器230，所述處理器230與開關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)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，一般被稱為設備網。
如附圖4中所示，所述+F電壓通過開關240，被連接至所述FISO存儲器208，所述-F電壓通過開關242，被連接至所述FISO存儲器208，以及所述用戶接地端210通過開關244，被連接至所述FISO存儲器208。這樣，在附圖4中，所述FISO存儲器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輸入的模擬信號參考用戶接地端210，所以所述輸入信號并不受可以影響接地線234的所述接地回路，高壓差動，噪聲或其他因素的影響。
現在參照附圖5，在FISO存儲器208捕獲到來自模擬網204的信號之后，產生一組切換轉變。具體的說，所述開關206打開，以切斷所述FISO存儲器208和所述模擬網204間的連接。另外，所述開關244將所述FISO存儲器208從所述用戶接地端210切換至所述接地線234。同時，所述開關240和242將所述FISO存儲器208從+F、-F電壓切換至+G和-G電壓。最后，開關212關閉，將所述FISO存儲器208連接至所述接地基準處理器230。
就像在附圖1和2示出的實施例中一樣，開關240，242和244均以一種先斷后合的方式操作，且所有開關均可使用有利的高壓模擬開關(FET)(參見附圖3)。若應用雙極晶體管開關，則可能必須校正DC電平的改變。
附圖1-5描述了在多個不同系統中，可用于多種目的通用信號采集系統100和200。然而，上述信號采集系統在示波器中特別有用。例如，附圖6描述了得益于本發明的原理的示波器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上的信號被送至采集系統606。所述采集系統606包括用戶可選的增益放大器和一個模數轉換器(ADC)。所述采集系統606的ADC采樣并量化所放大的信號，并通過一閉合開關608，將所采集的信息提供給一采集存儲器610。所述采集系統606也可以將所述輸入信號的模擬表示存儲在一FISO存儲器中。然而，為了方便起見，將假設所述示波器600使用一ADC和一數字存儲器。如附圖6所示，在數據采集期間，參考所述用戶接地端604的一浮動電源611，將+F和-F電壓提供給所述采集存儲器610。所述+F和-F電壓分別通過開關612和613來提供，且通過開關614接通所述用戶接地端604。很清楚，所述浮動電源611直接將電能提供給所述采集系統606，且采集系統606與所述用戶接地端604以導線相連。所述采集存儲器610的輸出被提供給一開關615，所述開關615在數據采集期間處于打開狀態。
在數據采集結束之后，處理器616使開關608打開，使開關615關閉。同時，所述處理器616使開關612，613和614切換，從而使一接地線617電源618提供電壓+G和-G給所述采集存儲器610，且使所述采集存儲器610與接地線617相連。
當開關615關閉時，所述采集存儲器610的輸出，傳到存儲所述采集存儲器610輸出的顯示存儲器622。應用所述顯示存儲器622的內容，從而在一光柵掃描顯示裝置626上產生一波形顯示。所述處理器618也可以將其他附加信息，例如所述放大因數和波形時基，提供給顯示存儲器622用于顯示。在所述顯示存儲器622已存儲采集存儲器610的輸出之后，所述處理器618使得開關615開啟和開關608關閉。另外，處理器618使得開關612，613和614將所述采集存儲器610重新與所述浮動電源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和所述顯示存儲器622。此外，所述存儲器618使不同的開關均以先斷后合方式切換。在一實施例中，應用高壓FET來取代機械開關(見附圖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備網。
雖然前述部分說明了本發明的優選實施例，可不脫離通過隨后權利要求所確定的基本范圍，本發明的其他或進一步的實施例是可以產生的。
權利要求
1.一種信號采集裝置，包括一個參考第一接地端的輸入級，所述輸入級用于接收一輸入信號；一個存儲器，用于存儲與所述輸入信號相關的信息；一個參考第二接地端的設備網，所述設備網用于處理來自所述存儲器的信息；以及一個開關網，所述開關網具有至少兩個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器的開關；其中，所述第一接地端和第二接地端電隔離。
2.如權利要求1所述的信號采集裝置，其中所述開關網包括至少一個半導體開關。
3.如權利要求1所述的信號采集裝置，其中至少一個開關為一先斷后合開關。
4.如權利要求1所述的信號采集裝置，其中所述開關網選擇性地將所述存儲器連接到所述輸入級。
5.如權利要求1所述的信號采集裝置，其中所述開關網選擇性地將所述存儲器連接到所述設備網。
6.如權利要求1所述的信號采集裝置，其中所述存儲器為數字存儲器。
7.如權利要求1所述的信號采集裝置，其中所述存儲器為模擬存儲器。
8.如權利要求1所述的信號采集裝置，其中所述設備網包括一個顯示器。
9.如權利要求1所述的信號采集裝置，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，包括一個參考第一接地端的輸入級，所述輸入級用于接收一輸入信號；一個存儲器，用于存儲與所述輸入信號相關的信息；一個參考第二接地端的設備網，所述設備網用于處理來自所述存儲器的信息；一個顯示器，用于顯示表示所述輸入信號的一波形；以及一個開關網，所述開關網具有至少兩個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器的開關；其中，所述第一接地端和第二接地端電隔離。
11.如權利要求10所述的示波器，其中所述開關網包括至少一個半導體開關。
12.如權利要求10所述的示波器，其中至少一個開關為一先斷后合開關。
13.如權利要求10所述的示波器，其中所述開關網選擇性地將所述存儲器連接所述輸入級。
14.如權利要求10所述的示波器，其中所述開關網選擇性地將所述存儲器連接所述設備網。
15.如權利要求10所述的示波器，其中所述存儲器為數字存儲器。
16.如權利要求10所述的示波器，其中所述存儲器為模擬存儲器。
17.如權利要求10所述的示波器，其中所述示波器為一個數字存儲示波器。
18.如權利要求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。
19.一種采集信號的方法，包括接收一個參考第一接地端的信號；將關于所接收信號的信息存儲在一個參考第一接地端的存儲器中；將所述存儲器從第一接地端斷開；將所述存儲器連接至一個第二接地端；以及使用一個參考第二接地端的系統處理所存儲的信號。
20.如權利要求19所述的方法，進一步包括顯示一表示所接收信號波形的步驟。
全文摘要
公開了一種諸如示波器的信號采集裝置，該裝置具有一個參考一用戶接地端的輸入級。所述輸入級采集的信息存儲在一個由參考用戶接地端的浮動電源提供電能的存儲元件中。在存儲之后，所述存儲元件從浮動電源和用戶接地端斷開，并切換到一個參考系統余部的電源。可使用FET開關，且信息可以以模擬格式或數字格式進行存儲。
文檔編號G01R15/14GK1515910SQ200310123180
公開日2004年7月28日 申請日期2003年11月21日 優先權日2002年11月22日
發明者D·F·希爾特納, D F 希爾特納 申請人:特克特朗尼克公司