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专利名称：通过切换接地端进行信道隔离的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及信号采集装置以及，特别涉及具有隔离输入信道的信号采集装置。
背景技术：
本专利申请要求2002年11月22日提交的，名为“Means forImplementingIsolated Channels(实现隔离信道的装置)”的美国临时专利申请第60/428494号的利益，其全部在此结合作为参考。
新型信号采集装置，一般包括一用于接收所采集信号的模拟输入部件，一诸如一放大器或滤波器之类的模拟处理器，一用于将所处理的模拟信号数字化的数字化系统，以及一存储所述数字化信号的存储器。例如，在1999年11月16日授予Etheridge等的美国专利第5986637号中，描述了具有上述特征的一高速数字存储示波器(DSO)。
尽管通常是成功的，但新型信号采集装置在一些应用中也存在一些问题，例如，当从开关型电源采集信号时，在有重要接地回路的位置，或当小信号叠加在大电压上时。在上述应用中，隔离所述模拟输入级，从而能够应用一用户接地端将是有益的。然而，AC线驱动信号采集装置一般必须相对于输入AC电源线电接地，以保证安全和适用的电工规程。这样，在采集参考一用户接地端的信号和将所采集的信息传输至信号采集装置的余部之间，就存在冲突。
将通过一隔离输入级所采集的信息传输至AC电源系统的余部的方法，可应用光学的，电容性的，和/或电感性的耦合。尽管所述耦合能够传输模拟信息使其穿过接地端，但由于所述耦合器的增益—带宽乘积经常需要很高以保持线性，且反馈机制通常不可靠，且数据质量存在问题，因而该方法也存在问题。另一种方法，应用光学的，电容性的，和/或电感性的耦合，以使数字化信号从参考用户接地端的逻辑耦合至参考所述装置的接地端的逻辑。然而，该方法相对昂贵和复杂，且需要较大的功率。
因此，应用一种新技术，该技术将一个参考用户接地端的隔离输入级所采集的信息，耦合至参考该装置接地端的剩余装置。
发明概要本发明的原理提供将参考用户接地端的隔离输入级所采集的信息，耦合至参考接地线(一般连接至AC输入电源的接地线)的系统装置余部的结构，装置和方法。上述原理可以通过应用参考用户接地端的隔离输入级来采集信号，将所采集的信号以模拟形式或数字形式存储在一由参考用户接地端的浮动电源提供电能的存储元件中，将所述存储元件从所述浮动电源和用户接地端断开，然后将所述存储元件与一参考接地线的电源相连接来实现。由于FET开关的速度和高电压处理能力，因而用于连接和切断所述存储元件，FET开关是一种有效的装置。
在本发明的一实施例中，应用了数字存储器装置。在另一实施例中，应用了例如FISO(快进慢出)存储器的模拟存储器。
附图主要说明通过参考结合附图的下述详细说明，能够很容易的理解本发明的示例，所述附图中附

图1描述了根据本发明第一实施例的信号采集系统处于第一状态时的高级方框图；附图2描述了处于第二状态下时附图1中的信号采集系统；附图3描述了FET开关的应用；附图4描述了根据本发明另一实施例的信号采集系统处于第一状态时的高级方框图；附图5描述了处于第二状态下时附图4中的信号采集系统；附图6描述了包含本发明的原理的示波器的方框图。
为了便于理解，所应用的同一参考数字，尽可能表示与附图中相对应的同一元件。
发明详述下面将主要在通用信号采集装置的环境中描述本发明的主题，然后在数字存储示波器(DSO)的环境中描述本发明的主题。本领域技术人员可以很容易理解，本发明能够很方便地在许多不同系统中得到良好的应用，在所述许多不同系统中，采集参考接地端的信息，然后使该信息连接至另一所希望的接地端。
附图1描述了根据本发明一个实施例的信号采集系统100的高级方框图。所述信号采集系统100在输入端口102接收参考用户接地端110的输入信号。所述输入信号通过模拟网104放大，和/或另外处理(例如滤波)。所述模拟网104的输出，通过闭合开关106，送至包括一存储器的数字转换器108。一个参考所述用户接地端110的浮动电源(附图1中未示出，但附图6中可见该电源)，将+F和-F电压提供给所述数字转换器108。
所述数字转换器108将开关106送来的所述已处理模拟信号转换为存储在该数字转换器108的存储器中的数字值。此时，所述数字转换器108的输出被提供给一打开开关112(或多个开关)。所述数字采集装置100进一步包括参考接地线134的处理器130，所述处理器130与开关112相连，还包括参考接地线134的显示器132。参考接地线的电源(附图1中未示出，但附图6中可见该电源)将电压G+和G-提供给所述处理器130和所述显示器132。为了方便起见，固定由电压G+和G-提供电能的所有装置统称为设备网。在一个实施例中，所述接地线134连接至一个AC输入电源的接地输入端。
如附图1中所示，所述+F电压通过开关140被连接至所述数字转换器108，所述-F电压通过开关142被连接至所述数字转换器108，以及所述用户接地端110通过开关144被连接至所述数字转换器108。这样，在附图1中，所述数字转换器108与所述设备网电隔离。由于所述输入端口102参考用户接地端110，所以所述输入信号并不受能够影响接地线134的所述接地回路，高压微分，噪声或其他因素的影响。例如，所述接地线134通常由其他由公共AC电源线提供电能的装置共享，且所述装置能够显示在所述接地线134上所产生的接地回路电压降。
现在参考附图2，在所述数字转换器108对来自模拟网104的信号进行数字化之后，产生一组开关转变。具体的说，所述开关106打开，以切断所述模拟网104和数字转换器108间的连接。然后，所述开关144切断所述用户接地端110和数字转换器108间的连接，并将所述数字转换器108连接至所述接地线134，所述开关140和142切断+F、-F电压和所述数字转换器108间的连接，并将所述数字转换器108连接至+G和-G。最后，开关112关闭，将所述数字转换器108连接至所述处理器130。
如附图2所示，所述用户接地端110不再连接至所述数字转换器108。用户接地端110以某种方式切换至接地线134，从而避免在用户和接地线之间的差异导致的损失，并且还可以避免可能对输入级和/或信号源造成的损失，同时还提供具有由公用接地线所提供的对所述信号采集系统100的保护。
应注意的是，在不同实施例中，开关140，142和144均以一种先断后合(break before make)的方式操作。此外，尽管附图1和2中示出的开关106，112，140，142和144作为一机械开关，在实际中，还可使用高压模拟开关，例如双极晶体管，FET，二极管或任何非线性装置，也很有利。例如，附图3中描述了通用FET开关160-174，其可以为诸如JFET，MOSFET，P-沟道，N沟道等FET之中的任意一类。上述FET开关均为较快速，较可靠且比机械开关廉价的开关。虽然FET开关作为一较好的选择，然而，也使用其他类型的装置。如附图3所示，开关160和162切换用户接地端110和接地线134，开关164和166切换+F和+G，开关168和170切换-F和-G，开关172在存储器和模拟输入之间进行切换，以及开关174在存储器的输出和系统余部之间进行切换。通过逻辑电路，例如一处理器(参见附图6中的处理器)，控制所述FET开关的驱动。
虽然附图1和2中描述了在数字化所采集的信号之后，将用户接地端110切换至接地线134，但这不是必需的。也可对模拟信号进行切换。例如，附图4描述了根据本发明第二实施例的信号采集系统200的高级方框图。所述信号采集系统200在输入端202上接收一个参考用户接地端210的输入信号。所述输入信号通过一模拟网204被放大和/或被另外处理。所述模拟网204的输出通过闭合的开关206，送至模拟的快进慢出(FISO)存储器208。
如附图4中所示，参考所述用户接地端210的浮动电源(附图4中未示出，但在附图6中可见)，将+F和-F电压提供给所述FISO存储器208。所述用户接地端210还连接至所述输入端口202。所述FISO存储器208保留所输入信号的一个模拟形式。所述FISO存储器208的输出被送至一个开启的开关212。所述信号采集装置200进一步包括参考地的处理器230，所述处理器230与开关212和显示器232相连。所述参考地的处理器230和所述显示器232均参考接地端234，且一接地电源(附图4中未示出，但附图6中可见)将电压+G和-G提供给所述参考地的处理器230和所述显示器232。固定的由电压+G和-G提供电能的所述装置，一般被称为设备网。
如附图4中所示，所述+F电压通过开关240，被连接至所述FISO存储器208，所述-F电压通过开关242，被连接至所述FISO存储器208，以及所述用户接地端210通过开关244，被连接至所述FISO存储器208。这样，在附图4中，所述FISO存储器208被从所述参考地的处理器230和所述显示器232中电隔离。由于在所述输入端口202输入的模拟信号参考用户接地端210，所以所述输入信号并不受可以影响接地线234的所述接地回路，高压差动，噪声或其他因素的影响。
现在参照附图5，在FISO存储器208捕获到来自模拟网204的信号之后，产生一组切换转变。具体的说，所述开关206打开，以切断所述FISO存储器208和所述模拟网204间的连接。另外，所述开关244将所述FISO存储器208从所述用户接地端210切换至所述接地线234。同时，所述开关240和242将所述FISO存储器208从+F、-F电压切换至+G和-G电压。最后，开关212关闭，将所述FISO存储器208连接至所述接地基准处理器230。
就像在附图1和2示出的实施例中一样，开关240，242和244均以一种先断后合的方式操作，且所有开关均可使用有利的高压模拟开关(FET)(参见附图3)。若应用双极晶体管开关，则可能必须校正DC电平的改变。
附图1-5描述了在多个不同系统中，可用于多种目的通用信号采集系统100和200。然而，上述信号采集系统在示波器中特别有用。例如，附图6描述了得益于本发明的原理的示波器600的模块图。如图所示，所述示波器600包括参考用户接地端604的输入602。在输入602上的信号被送至采集系统606。所述采集系统606包括用户可选的增益放大器和一个模数转换器(ADC)。所述采集系统606的ADC采样并量化所放大的信号，并通过一闭合开关608，将所采集的信息提供给一采集存储器610。所述采集系统606也可以将所述输入信号的模拟表示存储在一FISO存储器中。然而，为了方便起见，将假设所述示波器600使用一ADC和一数字存储器。如附图6所示，在数据采集期间，参考所述用户接地端604的一浮动电源611，将+F和-F电压提供给所述采集存储器610。所述+F和-F电压分别通过开关612和613来提供，且通过开关614接通所述用户接地端604。很清楚，所述浮动电源611直接将电能提供给所述采集系统606，且采集系统606与所述用户接地端604以导线相连。所述采集存储器610的输出被提供给一开关615，所述开关615在数据采集期间处于打开状态。
在数据采集结束之后，处理器616使开关608打开，使开关615关闭。同时，所述处理器616使开关612，613和614切换，从而使一接地线617电源618提供电压+G和-G给所述采集存储器610，且使所述采集存储器610与接地线617相连。
当开关615关闭时，所述采集存储器610的输出，传到存储所述采集存储器610输出的显示存储器622。应用所述显示存储器622的内容，从而在一光栅扫描显示装置626上产生一波形显示。所述处理器618也可以将其他附加信息，例如所述放大因数和波形时基，提供给显示存储器622用于显示。在所述显示存储器622已存储采集存储器610的输出之后，所述处理器618使得开关615开启和开关608关闭。另外，处理器618使得开关612，613和614将所述采集存储器610重新与所述浮动电源611电压+F和-F和所述用户接地端604相连。很清楚，所述接地电源618将电能提供给所述显示器626，所述处理器618和所述显示存储器622。此外，所述存储器618使不同的开关均以先断后合方式切换。在一实施例中，应用高压FET来取代机械开关(见附图3)。直接与接地端电源618和接地端相连的所有装置通常被称为设备网。
虽然前述部分说明了本发明的优选实施例，可不脱离通过随后权利要求所确定的基本范围，本发明的其他或进一步的实施例是可以产生的。
权利要求
1.一种信号采集装置，包括一个参考第一接地端的输入级，所述输入级用于接收一输入信号；一个存储器，用于存储与所述输入信号相关的信息；一个参考第二接地端的设备网，所述设备网用于处理来自所述存储器的信息；以及一个开关网，所述开关网具有至少两个用于选择性地在所述第一接地端和第二接地端之间切换所述存储器的开关；其中，所述第一接地端和第二接地端电隔离。
2.如权利要求1所述的信号采集装置，其中所述开关网包括至少一个半导体开关。
3.如权利要求1所述的信号采集装置，其中至少一个开关为一先断后合开关。
4.如权利要求1所述的信号采集装置，其中所述开关网选择性地将所述存储器连接到所述输入级。
5.如权利要求1所述的信号采集装置，其中所述开关网选择性地将所述存储器连接到所述设备网。
6.如权利要求1所述的信号采集装置，其中所述存储器为数字存储器。
7.如权利要求1所述的信号采集装置，其中所述存储器为模拟存储器。
8.如权利要求1所述的信号采集装置，其中所述设备网包括一个显示器。
9.如权利要求1所述的信号采集装置，其中所述第二接地端与一AC电源地线电连接。
10.一种示波器，包括一个参考第一接地端的输入级，所述输入级用于接收一输入信号；一个存储器，用于存储与所述输入信号相关的信息；一个参考第二接地端的设备网，所述设备网用于处理来自所述存储器的信息；一个显示器，用于显示表示所述输入信号的一波形；以及一个开关网，所述开关网具有至少两个用于选择性地在所述第一接地端和第二接地端之间切换所述存储器的开关；其中，所述第一接地端和第二接地端电隔离。
11.如权利要求10所述的示波器，其中所述开关网包括至少一个半导体开关。
12.如权利要求10所述的示波器，其中至少一个开关为一先断后合开关。
13.如权利要求10所述的示波器，其中所述开关网选择性地将所述存储器连接所述输入级。
14.如权利要求10所述的示波器，其中所述开关网选择性地将所述存储器连接所述设备网。
15.如权利要求10所述的示波器，其中所述存储器为数字存储器。
16.如权利要求10所述的示波器，其中所述存储器为模拟存储器。
17.如权利要求10所述的示波器，其中所述示波器为一个数字存储示波器。
18.如权利要求10所述的示波器，其中所述第二接地端与一AC电源地线电连接。
19.一种采集信号的方法，包括接收一个参考第一接地端的信号；将关于所接收信号的信息存储在一个参考第一接地端的存储器中；将所述存储器从第一接地端断开；将所述存储器连接至一个第二接地端；以及使用一个参考第二接地端的系统处理所存储的信号。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括显示一表示所接收信号波形的步骤。
全文摘要
公开了一种诸如示波器的信号采集装置，该装置具有一个参考一用户接地端的输入级。所述输入级采集的信息存储在一个由参考用户接地端的浮动电源提供电能的存储元件中。在存储之后，所述存储元件从浮动电源和用户接地端断开，并切换到一个参考系统余部的电源。可使用FET开关，且信息可以以模拟格式或数字格式进行存储。
文档编号G01R15/14GK1515910SQ200310123180
公开日2004年7月28日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年11月22日
发明者D·F·希尔特纳, D F 希尔特纳 申请人:特克特朗尼克公司