專(zhuān)利名稱(chēng)：一種數(shù)字隔離通道示波器及數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電工技術(shù)的電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，特別涉及一種數(shù)字示波器及數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
示波器是最常用的電子測(cè)量?jī)x器之一。傳統(tǒng)的示波器由于每個(gè)通道均共地，因此只能用于參照接地的測(cè)量。對(duì)于高共模信號(hào)以及對(duì)地存在高于安全電壓的信號(hào)，最合適的測(cè)量工具是隔離通道示波器。該示波器的通道之間以及通道對(duì)地均是電氣隔離的，具有很高的安全性及共模抑制比，因此在強(qiáng)電、高壓等領(lǐng)域，隔離通道示波器得到了廣泛應(yīng)用。
傳統(tǒng)的隔離通道示波器通常采用隔離放大器實(shí)現(xiàn)，該放大器放置于模擬前端的后面，AD轉(zhuǎn)換器的前面，這樣可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道以及對(duì)地的電氣隔離。這種模擬隔離的方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是目前的工藝水平?jīng)Q定了光隔離線性放大器線性度和頻帶特性均較差，使得隔離通道示波器的性能遠(yuǎn)低于普通示波器。
當(dāng)前市場(chǎng)上隔離通道示波器的性能普遍較低。如美國(guó)泰克公司，目前其示波器產(chǎn)品線分為DPO4000、 DPO70000、 TDSIOOO、 TPS2000等系列，其中只有TPS2000系列示波器為通道隔離示波器，其它系列均為非隔離共地結(jié)構(gòu)。其中，以數(shù)字示波器最關(guān)鍵的兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)采樣率及模擬帶寬來(lái)看，性能指標(biāo)最高的DPO70000系列示波器已達(dá)到了 50GSa/s及20GHz,而TPS2000系列隔離示波器中性能最高的TPS2024的相應(yīng)指標(biāo)僅為2GSa/s及200MHz。
圖1為傳統(tǒng)的通道隔離示波器的原理框圖。在此以兩通道為例。圖1中，被測(cè)信號(hào)從CH1及CH2輸入，經(jīng)過(guò)模擬前端調(diào)理放大后進(jìn)入隔離放大器。隔離放大器實(shí)現(xiàn)了左右兩端模擬信號(hào)的電氣隔離，而后隔離后的信號(hào)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入處理器實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、成像、顯示及控制等功能。由于通道隔離的需要，示波器的電源被分為了三個(gè)彼此電氣隔離的區(qū)域，由隔離電源產(chǎn)生。
由此可見(jiàn)，決定隔離示波器性能的關(guān)鍵部件為隔離放大器。常用的隔離放大器的隔離方法有電容隔離、磁耦合以及光耦合。但是，目前的工藝水平?jīng)Q定著幾種方法的線性度和頻帶特性遠(yuǎn)差于普通放大器。而且，由于隔離放大器存在著前后級(jí)間嚴(yán)重的寄生耦合現(xiàn)象，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)隔離示波器通道之間的交流隔離特性很差。這就是當(dāng)前隔離示波器性能低下的根本原因。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中采用隔離放大器的方法存在的目前的工藝水平?jīng)Q定了光隔離線性放大器線性度和頻帶特性均較差，使得隔離通道示波器的性能遠(yuǎn)低于普通示波器，隔離放大器存在著前后級(jí)間嚴(yán)重的寄生耦合現(xiàn)象，導(dǎo)致傳統(tǒng)隔離示波器通道之間的交流隔離特性很差；當(dāng)前市場(chǎng)上隔離通道示波器的性能普遍較低的這些技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種數(shù)字示波器及數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)。
本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為提供了一種數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)，包括用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)送入采樣與存儲(chǔ)控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元；用于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣并存儲(chǔ)的采樣與存儲(chǔ)控制單元；用于通過(guò)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光再重新轉(zhuǎn)換為電以實(shí)現(xiàn)電氣隔離的光隔離單元；用于將存儲(chǔ)的信號(hào)處理為波形圖像的成像及顯示控制單元；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、采樣與存儲(chǔ)控制單元、光隔離單元以及成像及顯示控制單元依次串聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)的一優(yōu)選技術(shù)方案所述光隔離單元由兩個(gè)光收發(fā)器及其之間連接的光導(dǎo)材料組成。
根據(jù)本發(fā)明數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)的一優(yōu)選技術(shù)方案所述光收發(fā)器是激光收發(fā)器或普通光收發(fā)器。
本發(fā)明提供了一種數(shù)字隔離通道示波器，包括模擬前端、成像及顯示控制單元、顯示單元，所述數(shù)字隔離通道示波器進(jìn)一步包括用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)送入采樣與存儲(chǔ)控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元；用于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣并存儲(chǔ)的采樣與存儲(chǔ)控制單元；用于通過(guò)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光再重新轉(zhuǎn)換為電以實(shí)現(xiàn)電氣隔離的的光隔離單元；所述模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、采樣與存儲(chǔ)控制
單元、光隔離單元、成像及顯示控制單元、顯示單元依次串聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明數(shù)字隔離通道示波器的一優(yōu)選技術(shù)方案所述光隔離單元由兩個(gè)光
收發(fā)器及其之間連接的光導(dǎo)材料組成。
根據(jù)本發(fā)明數(shù)字隔離通道示波器的一優(yōu)選技術(shù)方案所述每個(gè)光收發(fā)器包括
驅(qū)動(dòng)器、電-光轉(zhuǎn)換器、光-電轉(zhuǎn)換器以及放大器。
根據(jù)本發(fā)明數(shù)字隔離通道示波器的一優(yōu)選技術(shù)方案所述數(shù)字隔離通道示波器
包括若干隔離通道，每個(gè)隔離通道均包括模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、采樣與存儲(chǔ)控
制單元、兩個(gè)光收發(fā)器及其之間連接的光導(dǎo)材料。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
本發(fā)明的數(shù)字示波器及數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)，由于每個(gè)通道具有獨(dú)立的由模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元及采樣與存儲(chǔ)控制單元等組成的信號(hào)采集系統(tǒng)，因此示波 器的帶寬、采樣率等指標(biāo)與隔離與否無(wú)關(guān)。對(duì)于高成像速率的示波器可采用高性能 的光收發(fā)器及光導(dǎo)材料，如激光收發(fā)器及單模光纖，數(shù)字隔離器的速度可超過(guò)3Gbps， 完全滿足數(shù)字信號(hào)鏈路的需求，而對(duì)于低成像速率的示波器可以使用可見(jiàn)光收發(fā)器 以及多模光纖甚至光電耦合器以節(jié)約成本。由此可設(shè)計(jì)出與非隔離示波器性能同樣 高的隔離示波器。采用光纖作為光導(dǎo)材料，通道之間以及通道與后端之間完全不存 在信號(hào)鏈路上的寄生耦合現(xiàn)象，且通道之間的隔離度僅取決于隔離電源的隔離度， 而后者是十分成熟的技術(shù)，因此采用本發(fā)明所提出方法設(shè)計(jì)的隔離示波器的隔離度 遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)隔離示波器。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)的通道隔離示波器的原理框圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例2通道隔離數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)框圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例4通道隔離數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體的實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。 實(shí)施例1
參照?qǐng)D2，本實(shí)施例1是2通道隔離數(shù)字示波器信號(hào)通過(guò)CH1及CH2輸入， 經(jīng)過(guò)模擬前端調(diào)理放大后直接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該結(jié)構(gòu)與普通非隔離數(shù)字示波器相 同，沒(méi)有使用隔離放大器，因此性能指標(biāo)沒(méi)有受到影響。模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)后送入采樣與存儲(chǔ)控制器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。與傳統(tǒng)隔離示波器不 同的是，傳統(tǒng)隔離示波器的多個(gè)通道通常共用一套采樣與存儲(chǔ)控制器，這里為實(shí)現(xiàn) 隔離而每個(gè)通道必須使用獨(dú)立的采樣與存儲(chǔ)控制器。
經(jīng)存儲(chǔ)后送出數(shù)據(jù)并沒(méi)有直接送入成像及顯示控制單元，而是經(jīng)過(guò)了由一對(duì)光 收發(fā)器及之間的光導(dǎo)材料組成的光隔離器。所述每個(gè)光收發(fā)器包括驅(qū)動(dòng)器、電-光 轉(zhuǎn)換器、光-電轉(zhuǎn)換器以及放大器。電信號(hào)進(jìn)入光收發(fā)器后，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后送入電-光轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并送入光導(dǎo)材料。另外一端的光收發(fā)器的光-電轉(zhuǎn)換器將該 光信號(hào)接收后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大器放大后輸出。由于每個(gè)光收發(fā)器均具有雙向 鏈路，因此光隔離單元可以實(shí)現(xiàn)雙工通信。該隔離器實(shí)現(xiàn)了通道之間及通道與后端 的電氣隔離。由于此處的光隔離器只需傳輸數(shù)字信號(hào)，因此其傳輸速率和隔離度較 之隔離放大器高得多。數(shù)據(jù)送入成像及顯示控制單元后，完成剩余的后續(xù)工作，如信號(hào)處理、成像、顯示等，從而實(shí)現(xiàn)了完整的數(shù)字示波器工作流程。 實(shí)施例2
參照?qǐng)D3，本實(shí)施例2是4通道隔離數(shù)字示波器4個(gè)通道各使用了一個(gè)通道板， 每個(gè)通道板包含模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采樣與存儲(chǔ)控制器以及光收發(fā)器等功能， 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通道的完整的信號(hào)采集過(guò)程。成像、數(shù)據(jù)處理以及顯示等后端處理工作 由主控計(jì)算機(jī)完成。主控計(jì)算機(jī)包含4個(gè)光收發(fā)器用來(lái)接收通道板的采集數(shù)據(jù)。主 控計(jì)算機(jī)與通道板之間采用單模光纖相連。光纖的傳輸協(xié)議可以使用千兆以太網(wǎng)協(xié)
議，亦可以使用自定義的串行通信協(xié)議，本實(shí)施例中使用后者，其數(shù)據(jù)速率為 3.125Gbps，完全滿足了數(shù)據(jù)交換的需求。5路高隔離度電源產(chǎn)生5路潔凈的且具有 高隔離度的電源，分別給主控計(jì)算機(jī)以及4路通道板供電。
由于采用光纖傳輸和高隔離度電源，通道之間完全杜絕了互相的串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)了 極高的隔離度，且最大浮動(dòng)電壓可達(dá)3000V CAT II，遠(yuǎn)高于TPS2000的600V CAT II。 該設(shè)計(jì)對(duì)示波器的模擬帶寬、采樣率、成像速率等指標(biāo)沒(méi)有影響。
本發(fā)明的數(shù)字示波器及數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)，由于每個(gè)通道具有獨(dú)立的由 模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元及采樣與存儲(chǔ)控制單元等組成的信號(hào)采集系統(tǒng)，因此示波 器的帶寬、采樣率等指標(biāo)與隔離與否無(wú)關(guān)。采用高性能的光收發(fā)器及光導(dǎo)材料，如 激光收發(fā)器及單模光纖，數(shù)字隔離器的速度可超過(guò)3Gbps，完全滿足數(shù)字信號(hào)鏈路的 需求。由此可設(shè)計(jì)出與非隔離示波器性能同樣高的隔離示波器。采用光纖作為光導(dǎo) 材料，通道之間以及通道與后端之間完全不存在信號(hào)鏈路上的寄生耦合現(xiàn)象，且通 道之間的隔離度僅取決于隔離電源的隔離度，而后者是十分成熟的技術(shù)，因此采用 本發(fā)明所提出方法設(shè)計(jì)的隔離示波器的隔離度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)隔離示波器。 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選技術(shù)方案對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本 發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)， 在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于 本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)包括用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)送入采樣與存儲(chǔ)控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元；用于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣并存儲(chǔ)的采樣與存儲(chǔ)控制單元；用于通過(guò)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光再重新轉(zhuǎn)換為電以實(shí)現(xiàn)電氣隔離的光隔離單元；用于將存儲(chǔ)的信號(hào)處理為波形圖像的成像及顯示控制單元；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、采樣與存儲(chǔ)控制單元、光隔離單元以及成像及顯示控制單元依次串聯(lián)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)，其特征在于，所述光隔離 單元由兩個(gè)光收發(fā)器及其之間連接的光導(dǎo)材料組成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)，其特征在于，所述光收發(fā) 器是激光收發(fā)器或普通光收發(fā)器。
4、 一種數(shù)字隔離通道示波器，包括模擬前端、成像及顯示控制單元、顯示單 元，其特征在于，所述數(shù)字隔離通道示波器進(jìn)一步包括用于將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)送入采樣與存儲(chǔ)控制器的模數(shù) 轉(zhuǎn)換單元；用于對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣并存儲(chǔ)的采樣與存儲(chǔ)控制單元；用于通過(guò)將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光再重新轉(zhuǎn)換為電以實(shí)現(xiàn)電氣隔離的光隔離單元； 所述模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、采樣與存儲(chǔ)控制單元、光隔離單元、成像及顯 示控制單元、顯示單元依次串聯(lián)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的數(shù)字隔離通道示波器，其特征在于，所述光隔離單元 由兩個(gè)光收發(fā)器及其之間連接的光導(dǎo)材料組成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的數(shù)字隔離通道示波器，其特征在于，所述每個(gè)光收發(fā)器包括驅(qū)動(dòng)器、電-光轉(zhuǎn)換器、光-電轉(zhuǎn)換器以及放大器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的數(shù)字隔離通道示波器，其特征在于，所述數(shù)字隔離通 道示波器包括若干隔離通道，每個(gè)隔離通道均包括模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、采樣 與存儲(chǔ)控制單元、兩個(gè)光收發(fā)器及其之間連接的光導(dǎo)材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)。所述數(shù)字示波器通道隔離系統(tǒng)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、采樣與存儲(chǔ)控制單元、光隔離單元、成像及顯示控制單元；所述模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、采樣與存儲(chǔ)控制單元、光隔離單元以及成像及顯示控制單元依次串聯(lián)。所述數(shù)字隔離通道示波器，包括模擬前端、成像及顯示控制單元、顯示單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、采樣與存儲(chǔ)控制單元、光隔離單元；所述模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、采樣與存儲(chǔ)控制單元、光隔離單元、成像及顯示控制單元、顯示單元依次串聯(lián)。本發(fā)明的帶寬、采樣率等指標(biāo)與隔離與否無(wú)關(guān)；可完全滿足數(shù)字信號(hào)鏈路的需求，節(jié)約成本；不存在信號(hào)鏈路上的寄生耦合現(xiàn)象，通道之間的隔離度僅取決于隔離電源的隔離度。
文檔編號(hào)G01R13/00GK101650378SQ20091008622
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者戈 戴 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所