一種改進(jìn)的分路線性隔離電路及其示波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的分線性隔離電路，包括低頻放大電路、線性光耦電路、頻率補(bǔ)償電路、緩沖電路、變壓器和加法電路。將輸入信號(hào)中的低頻分量使用線性光耦電路進(jìn)行線性隔離，并增加頻響補(bǔ)償電路，補(bǔ)償由于線性光耦的延時(shí)造成的幅頻響應(yīng)凹陷。輸入信號(hào)經(jīng)過緩沖電路后連接到變壓器初級(jí)線圈的一端，將低頻分量連接到初級(jí)線圈的另一端，用于抵消輸入信號(hào)中的低頻分量，變壓器初級(jí)繞組中的電流變化反應(yīng)了輸入信號(hào)中的高頻分量，變壓器將高頻分量進(jìn)行耦合隔離，隔離后的低頻信號(hào)和高頻信號(hào)輸入到加法電路，進(jìn)行加法運(yùn)算，隔離后的輸出信號(hào)和隔離前輸入信號(hào)具有平坦的幅頻響應(yīng)、線性相位，即實(shí)現(xiàn)了線性隔離。
【專利說明】一種改進(jìn)的分路線性隔離電路及其示波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電子測量設(shè)備，特別是一種改進(jìn)的分路線性隔離電路及其示波器。
【背景技術(shù)】
[0002]隔離電路可以將輸入側(cè)的電信號(hào)傳遞到輸出側(cè)，但輸入側(cè)和輸出側(cè)之間在電氣上是隔離的，或者說是絕緣的，輸入側(cè)和輸出側(cè)之間只存在一個(gè)較小的電容。隔離電路可以提高測量時(shí)的共模抑制比，減少干擾，改善信號(hào)質(zhì)量，也可以絕緣危險(xiǎn)電壓，保護(hù)設(shè)備和人身安全。在多通道示波器同時(shí)測量時(shí)，通道隔離還可以測量多個(gè)不同共模電壓的信號(hào)，防止因通道間共地造成短路事故。
[0003]從被處理的信號(hào)和隔離電路的頻率響應(yīng)看，隔離電路可以分為數(shù)字隔離電路和線性或模擬隔離電路。數(shù)字隔離電路只能隔離高、低電平信號(hào)，即數(shù)字信號(hào)，屬于開關(guān)信號(hào)，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)。線性隔離電路有時(shí)也稱為隔離放大器，其輸出信號(hào)和輸入信號(hào)成線性關(guān)系，可以傳遞模擬信號(hào)，電路的頻率響應(yīng)可以從DC至很高的頻率。高帶寬(數(shù)百M(fèi)Hz以上)的線性隔離電路技術(shù)上較難實(shí)現(xiàn)。而實(shí)現(xiàn)具有很高DC精度的線性隔離電路，可以在示波器上實(shí)現(xiàn)電壓表或萬用表功能，具有很好的應(yīng)用價(jià)值，但是在技術(shù)上具有更高的難度。
[0004]線性隔離電路，常用的有以下幾種方式:
[0005]線性光耦隔離電路，線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加一個(gè)用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個(gè)光接受電路都是非線性的，但兩個(gè)光接受電路的非線性特性都是一樣的。這樣，就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)線性隔離的目的。線性光耦能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的線性度，能夠?qū)χ绷餍盘?hào)進(jìn)行隔離，但是信號(hào)帶寬最大只能到幾MHz。
[0006]變壓器隔離電路，利用電磁感應(yīng)原理，使一次側(cè)與二次側(cè)的電氣完全絕緣，使回路隔離。變壓器根據(jù)磁芯材料的不同和繞制方式的不同，可以實(shí)現(xiàn)對非常高的頻率進(jìn)行隔離。但是由于電磁感應(yīng)的特點(diǎn)，變壓器不能對直流和低頻信號(hào)進(jìn)行隔離，一般變壓器能夠隔離的最低能夠到kHz級(jí)別。
[0007]隔離放大器器件，目前市面上有一些集成的隔離放大器芯片，如ADI公司的AD203、AD215。該類器件利用變壓器進(jìn)行隔離，將輸入進(jìn)行線性調(diào)制成數(shù)字信號(hào)，然后利用變壓器對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行隔離，隔離后的信號(hào)再經(jīng)過解調(diào)，生成隔離后的模擬信號(hào)。這類具有較高的線性度，但是帶寬一般很低，最大的目前只有幾百kHz。
[0008]為解決上述器件的缺點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)也給出了多種解決方案，下面就對其中幾種解決方案進(jìn)行介紹:
[0009]A、專利號(hào)為CN96101007.X的專利，提供了一種解決方案，實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。
[0010]其使用兩個(gè)不同帶寬的放大器，將輸入信號(hào)分成高頻路徑和低頻路徑，低頻路徑使用線性光耦進(jìn)行隔離，高頻路徑使用變壓器進(jìn)行隔離。變壓器次邊使用兩個(gè)繞組，產(chǎn)生相位相反的差分信號(hào)+Vout和-Vout。隔離后的低頻信號(hào)經(jīng)過增益調(diào)整和單端轉(zhuǎn)差分放大器，輸出的信號(hào)作為變壓器次邊的偏置。低頻通路由于線性光耦的延時(shí)，導(dǎo)致疊加后的信號(hào)，在高、低頻結(jié)合處幅頻響應(yīng)塌陷，采用電路48、52、50、54進(jìn)行補(bǔ)償，使幅頻響應(yīng)在高、低頻結(jié)合處，適當(dāng)?shù)奶嵘?，?shí)現(xiàn)了幅頻響應(yīng)的平坦性。
[0011]此專利能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬的線性隔離電路，但是有以下缺點(diǎn):
[0012]1、由于變壓器次邊采用了兩個(gè)繞組，作為輸出差分信號(hào)的正負(fù)極，較難保證正負(fù)極的相同相位，增加了變壓器繞制的難度。
[0013]2、采用線性光耦作為低頻路徑的隔離，低頻路徑的延時(shí)導(dǎo)致頻響不平坦，采用了電路48、52、50、54進(jìn)行補(bǔ)償，由于電容器件離散，較難保證差分信號(hào)正負(fù)極完全一致。
[0014]3、由于變壓器既要滿足最低頻率和低頻路徑能夠疊加，又要滿足最高頻率盡量大，由于變壓器的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)的帶寬不大，最大能夠到IOOMHz左右。
[0015]B、專利號(hào)為US5834973的專利，沒有專利CN96101007.X的缺點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。
[0016]此專利使用兩個(gè)不同帶寬的放大器，低帶寬放大器實(shí)現(xiàn)低頻路徑，低頻路徑使用線性光耦進(jìn)行隔離。低帶寬放大器的輸出經(jīng)過124、126的分壓，連接到高帶寬放大器構(gòu)成的減法電路一端，減法電路將輸入信號(hào)減去低頻路徑的信號(hào)，輸出的高頻信號(hào)連接到變壓器的原邊，該高頻信號(hào)和低頻路徑的信號(hào)相加即為輸入信號(hào)。低頻路徑的線性光耦電路具有一定的增益，以抵消減法電路輸入的低頻信號(hào)的衰減量。高頻信號(hào)使用變壓器進(jìn)行隔離，變壓器次邊輸出和線性光耦的輸出經(jīng)過加法電路，產(chǎn)生隔離后的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的線性隔離。
[0017]此專利較好的解決了變壓器繞制的問題，但有如下缺點(diǎn):
[0018]1、采用線性光耦作為低頻路徑的隔離，低頻路徑有一定的延時(shí)，直接和高頻路勁輸出相加，會(huì)使高低頻頻率結(jié)合處幅頻響應(yīng)塌陷，此專利沒有介紹補(bǔ)償電路，輸出信號(hào)的幅頻響應(yīng)不平坦。
[0019]2、由于變壓器既要滿足最低頻率和低頻路徑能夠疊加，又要滿足最高頻率盡量大。由于變壓器的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)的帶寬不大，最大能夠到200MHz左右。
[0020]C、專利號(hào)為CN200610154738.9的專利，將專利US5834973的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了具體的細(xì)化，并解決了其缺點(diǎn)，提供了延時(shí)補(bǔ)償電路，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。
[0021]此專利和US5834973的實(shí)現(xiàn)思路一致，但進(jìn)行了電路細(xì)化，增加了低頻路徑的延時(shí)補(bǔ)償電路102、103、104。輸入信號(hào)經(jīng)過低頻放大電路100，輸出連接到減法電路101，減法輸出即為高頻信號(hào)。高頻信號(hào)經(jīng)過變壓器26進(jìn)行隔離，隔離后的信號(hào)連接到電路105。低頻信號(hào)經(jīng)過線性光耦電路102進(jìn)行隔離，低頻信號(hào)隔離后，經(jīng)過延時(shí)補(bǔ)償電路103、104進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，并進(jìn)行必要的放大，使低頻路徑的幅度和高頻路徑一致，補(bǔ)償后的輸出和高頻隔離后的信號(hào)經(jīng)過加法電路105，合成隔離后的信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的線性隔離。
[0022]此專利電路較詳細(xì)，能夠解決之前專利的缺點(diǎn)，但是還具有以下缺點(diǎn):
[0023]1、由于變壓器既要滿足最低頻率和低頻路徑能夠疊加，又要滿足最高頻率盡量大，由于變壓器的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)的帶寬不大，最大能夠到200MHz左右。
[0024]2、專利中提到的延時(shí)補(bǔ)償電路103或者22、24、29、30，實(shí)際并不能解決低頻和高頻路徑交迭頻率處的幅頻凹陷。因?yàn)殡娙?4、30在所示放大器電路中，起到了低通的作用，只能讓低頻路徑的高頻相對與低頻變得更低，而不能起到適當(dāng)提升高頻的作用。電路103，實(shí)際也是RC低通電路，同樣也不能起到適當(dāng)提升高頻的作用。[0025]3、由于提供的延時(shí)補(bǔ)償電路不起作用，線性隔離電路的輸出幅頻響應(yīng)不平坦。
[0026]4、低頻路徑電路復(fù)雜。
[0027]綜上所述，目前現(xiàn)有技術(shù)主要缺點(diǎn)是減法式分頻電路復(fù)雜，高頻頻響調(diào)試有難度，而且無法補(bǔ)償由于線性光耦電路帶來的頻響凹陷問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0028]本發(fā)明的主要目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種改進(jìn)的分路線性隔離電路及其示波器。
[0029]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0030]一種改進(jìn)的分路線性隔離電路，其特征在于，包括:低頻放大電路、線性光耦電路、變壓器和加法電路；
[0031]所述低頻放大電路，用于對輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，輸出輸入信號(hào)中的低頻信號(hào)；
[0032]所述線性光耦電路，與所述低頻放大電路相連，用于對低頻放大電路輸入的低頻信號(hào)進(jìn)行隔離，并將隔離后輸出的低頻信號(hào)輸入所述加法電路；
[0033]所述變壓器的原邊繞組一端接入輸入信號(hào)，另一端接入低頻放大電路輸出的低頻信號(hào)，形成輸入信號(hào)中的高頻信號(hào)；所述變壓器，用于對輸入信號(hào)中的高頻信號(hào)進(jìn)行隔離，并將隔離后輸出的高頻信號(hào)輸入所述加法電路；
[0034]所述加法電路，用于將輸入的隔離后輸出的低頻信號(hào)和高頻信號(hào)相加，生成隔離后輸出信號(hào)，并輸出。
[0035]在所述變壓器接入輸入信號(hào)的原邊繞組端的前端還連接有緩沖電路；所述緩沖電路，用于增強(qiáng)所述輸入信號(hào)。
[0036]所述線性光耦電路的輸出端還設(shè)有頻率補(bǔ)償電路；
[0037]所述頻率補(bǔ)償電路，用于增大所述線性光耦電路隔離后輸出的低頻信號(hào)中的高頻響應(yīng)。
[0038]所述頻率補(bǔ)償電路由放大器U3、電阻R4、R5、R6、R7，電容C2構(gòu)成；
[0039]所述線性光耦電路隔離后輸出的低頻信號(hào)輸入放大器U3的正輸入端；
[0040]電阻R4、R5串接于放大器U3的輸出端與接地之間；電阻R4、R5的連接點(diǎn)與放大器U3的負(fù)輸入端相接；
[0041]R6、R7串接于放大器U3的輸出端與接地之間；
[0042]電容C2連接于所述電阻R4、R5的連接點(diǎn)與所述電阻R6、R7的連接點(diǎn)之間。
[0043]所述變壓器采用傳輸線變壓器繞制方式；該變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組采用雙絞線、平行線或同軸線。
[0044]所述加法電路的增益根據(jù)所述線性光耦電路和變壓器中的增益進(jìn)行調(diào)整。
[0045]所述加法電路采用全差分運(yùn)算放大器；該變壓器次級(jí)繞組兩個(gè)輸出端子連接到加法電路的全差分放大器的兩個(gè)輸入端；在所述線性光耦電路輸出端與加法電路之間增設(shè)一個(gè)單端轉(zhuǎn)差分電路；該單端轉(zhuǎn)差分電路，用于使線性光耦電路輸出的單端電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分電路信號(hào)。
[0046]—種具有改進(jìn)的分路線性隔離電路的示波器，包括:衰減切換模塊、輸入級(jí)緩沖和加法電路、可編程放大器、高速ADC、控制處理模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊；輸入信號(hào)依次經(jīng)衰減切換模塊、輸入級(jí)緩沖和加法電路、可編程放大器、高速ADC傳送至控制處理模塊；控制處理模塊將增益控制信號(hào)發(fā)送至該可編程放大器；控制處理模塊還將偏置信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送至輸入級(jí)緩沖和加法電路；其特征在于:
[0047]在所述可編程放大器和高速ADC之間串接有權(quán)利要求1至7中任意一種改進(jìn)的分路線性隔離電路，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離目的；
[0048]在所述控制處理模塊與可編程放大器之間，以及控制處理模塊與D/A轉(zhuǎn)換模塊之間，還串接有數(shù)字隔離器。
[0049]所述可編程放大器的輸出為差分信號(hào)；在該可編程放大器與所述改進(jìn)的分路線性隔離電路之間，串接有差分轉(zhuǎn)單端電路，以將所述差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。
[0050]本發(fā)明有益效果是:
[0051]1、使用變壓器直接產(chǎn)生輸入信號(hào)中的高頻分量，進(jìn)行高頻通路的隔離，電路簡單，無需減法器等運(yùn)算電路。
[0052]2、能夠?qū)崿F(xiàn)線性隔離電路，隔離后信號(hào)和輸入信號(hào)基本一致。
[0053]3、能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬信號(hào)的隔離，隔離帶寬能夠達(dá)200MHz以上。
[0054]4、變壓器采用傳輸線變壓器方式，繞制方便。
[0055]5、線性光耦電路的頻率補(bǔ)償電路簡單，調(diào)試方便。
[0056]6、無需在高頻電路增加延時(shí)電路進(jìn)行線性光耦的補(bǔ)償。
[0057]7、能夠方便的利用在隔離示波器前端中，實(shí)現(xiàn)隔離示波器功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0058]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中:
[0059]圖1為現(xiàn)有隔離電路示例一結(jié)構(gòu)圖；
[0060]圖2為現(xiàn)有隔離電路示例二結(jié)構(gòu)圖；
[0061]圖3為現(xiàn)有隔離電路示例三結(jié)構(gòu)圖；
[0062]圖4為改進(jìn)的分路線性隔離電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0063]圖5 (A)為輸入信號(hào)示意圖；
[0064]圖5 (B)為輸出信號(hào)示意圖；
[0065]圖6為彳目號(hào)頻率置加后幅頻凹陷原理說明不意圖；
[0066]圖7為頻率補(bǔ)償過程不意圖；
[0067]圖8為改進(jìn)的分路線性隔離電路實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖；
[0068]圖9為改進(jìn)的分路線性隔離電路實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖；
[0069]圖10為現(xiàn)有示波器模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖；
[0070]圖11為應(yīng)用改進(jìn)的分路線性隔離電路的示波器結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0071]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說明用于解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。[0072]針對前述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明通過將輸入信號(hào)連接到變壓器初級(jí)線圈的一端，將低頻分量連接到初級(jí)線圈的另一端，用于抵消輸入信號(hào)中的低頻分量，變壓器初級(jí)繞組中的電流變化反應(yīng)了輸入信號(hào)中的高頻分量，不同頻率部分分別通過不同的獨(dú)立通路進(jìn)行隔離，從而實(shí)現(xiàn)高帶寬線性隔離。圖4為本發(fā)明改進(jìn)的分路線性隔離電路結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該改進(jìn)的分路線性隔離電路，包括:低頻放大電路、線性光耦電路、變壓器和加法電路。
[0073]所述低頻放大電路，用于對輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，輸出輸入信號(hào)中的低頻信號(hào)；
[0074]所述線性光耦電路，與所述低頻放大電路相連，用于對低頻放大電路輸入的低頻信號(hào)進(jìn)行隔離，并將隔離后輸出的低頻信號(hào)輸入所述加法電路；
[0075]所述變壓器的原邊繞組一端接入輸入信號(hào)，另一端接入低頻放大電路輸出的低頻信號(hào)；這樣，輸入信號(hào)與低頻放大電路輸出的輸入信號(hào)中的低頻信號(hào)相互抵消，即在該原邊繞組側(cè)形成了輸入信號(hào)中的高頻信號(hào)；所述變壓器，用于對輸入信號(hào)中的高頻信號(hào)進(jìn)行隔離，并將隔離后輸出的高頻信號(hào)輸入所述加法電路；
[0076]所述加法電路，用于將輸入的隔離后輸出的低頻信號(hào)和高頻信號(hào)相加，生成隔離后輸出信號(hào)，并輸出。
[0077]上述改進(jìn)的分路線性隔離電路中，輸入信號(hào)連接到低頻放大電路，低頻放大器具有低通的效果，輸出信號(hào)的頻率成分為輸入信號(hào)的直流至低頻部分，簡稱低頻信號(hào)。將輸入信號(hào)中的低頻分量使用線性光耦電路進(jìn)行線性隔離。輸入信號(hào)連接到變壓器原邊繞組的一端，將低頻分量連接到原邊繞組的另一端，用于抵消輸入信號(hào)中的低頻分量，變壓器初級(jí)繞組中的電流變化反應(yīng)了輸入信號(hào)中的高頻分量，變壓器將高頻分量進(jìn)行耦合隔離，隔離后的低頻信號(hào)和高頻信號(hào)輸入到加法電路，進(jìn)行加法運(yùn)算，隔離后的輸出信號(hào)和隔離前輸入信號(hào)具有平坦的幅頻響應(yīng)、線性相位，即實(shí)現(xiàn)了線性隔離。由于本發(fā)明中低頻、高頻信號(hào)分別進(jìn)行獨(dú)立隔離，因此可以實(shí)現(xiàn)很高的隔離帶寬。并且，由于變壓器直接產(chǎn)生輸入信號(hào)中高頻分量信號(hào)，而沒有現(xiàn)有技術(shù)中的減法式分頻電路，不靠減法器產(chǎn)生高頻分量信號(hào)，大大簡化了電路。同時(shí)也避免了減法器增益由于電阻精度、放大器輸入偏置、偏流導(dǎo)致的誤差。
[0078]另外，為了增強(qiáng)輸入信號(hào)對變壓器的驅(qū)動(dòng)能力。如圖4所示，該隔離電路在變壓器接入輸入信號(hào)的原邊繞組端的前端還連接有緩沖電路。所述緩沖電路，用于增強(qiáng)所述輸入信號(hào)。通過設(shè)置該緩沖電路，一方面增強(qiáng)了輸入信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面對輸入信號(hào)起到了緩沖的作用，減輕了信號(hào)源的負(fù)載。當(dāng)然，如果輸入信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力足夠強(qiáng)，緩沖電路可以省略，不影響本發(fā)明的專利性。
[0079]在本發(fā)明中，輸入信號(hào)、低頻信號(hào)和高頻信號(hào)之間關(guān)系如下圖5所不。圖5 (A)為輸入信號(hào)示意圖，假設(shè)輸入信號(hào)為理想脈沖，具有幅度為A，無限帶寬的頻率響應(yīng)。圖5 (B)為輸出信號(hào)示意圖。其中，低頻信號(hào)在頻域表示如圖所示，Π為低頻信號(hào)的截止頻率。高頻信號(hào)如圖所示，f2為高頻信號(hào)的截止頻率。它們二者直接相加，相加后的信號(hào)和輸入信
號(hào)一樣。
[0080]高頻信號(hào)經(jīng)過變壓器進(jìn)行隔離，變壓器需要具有足夠大的帶寬，并滿足高頻信號(hào)的截止頻率f2，即變壓器的低截止頻率應(yīng)小于f2。這樣頻率f2附近的信號(hào)分量，才能基本不衰減的進(jìn)行隔離，隔離后的高頻信號(hào)和低頻信號(hào)相加才能還原輸入信號(hào)。
[0081]變壓器的最高頻率和最低頻率是個(gè)矛盾，要具有更低的工作頻率，就需要磁芯具有更大的飽和磁通、更大的體積，或者線圈的匝數(shù)更多；要具有更高的工作頻率，就需要磁芯有更高的導(dǎo)磁率、更小的體積和更少的線圈匝數(shù)。所以各種變壓器的通頻帶(高截止頻率減去低截止頻率)無法做的很大，一般也就幾百M(fèi)Hz。在線性隔離電路中，低截止頻率要能滿足線性光耦隔離電路的帶寬，一般為幾kHz至幾十kHz，那么變壓器的最高截止頻率一般能夠做到200MHz，更高帶寬的就很難了，會(huì)導(dǎo)致幅頻響應(yīng)平坦度變差，幅頻響應(yīng)出現(xiàn)起伏。
[0082]本發(fā)明中的高頻變壓為了實(shí)現(xiàn)盡可能大的帶寬，而且其低截止頻率需要滿足線性光耦電路的截止頻率，一般為幾kHz至幾十kHz。所以采用傳輸線變壓器繞制方式，可以實(shí)現(xiàn)盡可能高的帶寬。
[0083]傳輸線變壓器將初級(jí)繞組和次級(jí)繞組通過雙絞線、平行線、同軸線等方式，形成傳輸線，初次級(jí)導(dǎo)線緊靠在一起，任意點(diǎn)的線間電容都很大，且在整個(gè)線上是均勻分布，由于導(dǎo)線繞在高導(dǎo)磁率磁芯上，故導(dǎo)線每小段的電感量也很大，且均勻分布在整個(gè)線上，因此傳輸線可以看成是無數(shù)個(gè)電感、電容組成的耦合鏈，完成了能量的傳輸，因此傳輸線變壓器線間的電容不但不影響高頻能量的傳輸，而是電磁能量轉(zhuǎn)換的必要條件，由于電磁波主要是在導(dǎo)線間的介質(zhì)中傳播，磁芯的損耗對信號(hào)傳輸?shù)挠绊懢蜁?huì)大大減少，所以傳輸線變壓器的最高工作頻率就可以大大提高，可以到幾GHz。本發(fā)明中選用高導(dǎo)磁率的軟磁磁性，如鐵氧體磁芯。本發(fā)明中變壓器可以實(shí)現(xiàn)較高的隔離帶寬，達(dá)200MHz以上。
[0084]本發(fā)明中的磁芯一般可以選用圓磁環(huán)，繞線簡單方便。當(dāng)然需用其他形狀，如方環(huán)也可以。
[0085]在本實(shí)施例中，變壓器均采用1:1的原次邊繞組，對信號(hào)進(jìn)行1:1的隔離。當(dāng)然，選用其他比例的變壓器，也不影響本發(fā)明的創(chuàng)造性。相應(yīng)的，只需將所述加法電路的增益根據(jù)線性光耦電路和變壓器中的增益進(jìn)行調(diào)整，使兩者信號(hào)幅度平衡一致即可。
[0086]變壓器輸出的負(fù)載電阻為R8，將次邊線圈中的電路轉(zhuǎn)換成電壓。輸出電壓連接到加法電路的輸入端。
[0087]如圖所示，所述線性光耦電路包括運(yùn)算放大器U1、電阻R1、電阻R2、電容Cl、線性光耦、運(yùn)算放大器U2和電阻R3。線性光耦內(nèi)部封裝有一個(gè)發(fā)光二極管和兩個(gè)匹配的光電二極管，一個(gè)用于反饋，一個(gè)用于隔離稱合信號(hào)。線性光稱最好選用Avago公司的HCNR200或HCNR201。放大器Ul完成了發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)和反饋光電二極管的檢測。放大器U2構(gòu)成了電流電壓變化電路，將光電二極管耦合的電流信號(hào)通過R3轉(zhuǎn)換為電壓輸出。電路中R2作為發(fā)光二極管的限流電阻。電阻R1、R3決定了線性光耦電路的增益，R3/R1等于增益，Cl電容用于改善電路穩(wěn)定性，同時(shí)起到了一定的低通作用。參考電源-Vref、+Vref用于使線性光I禹電路的輸入輸出偏置一樣，輸入ον的電壓,輸出也是ον。
[0088]線性光耦電路會(huì)有一定的延時(shí)，同時(shí)Cl也有一定的低通作用，導(dǎo)致線性光耦輸出和中高頻信號(hào)疊加時(shí)，在低頻信號(hào)和中頻信號(hào)頻率疊加的地方出現(xiàn)的幅頻凹陷。如圖6所示，輸入信號(hào)為方波信號(hào)，輸出信號(hào)分為低頻信號(hào)和高頻信號(hào)。如果低頻信號(hào)沒有延時(shí)，直接相加后的波形和輸入波形一致。但是，如果低頻信號(hào)有延時(shí)t，直接相加后的信號(hào)如下圖，方波邊沿后出現(xiàn)了凹陷，體現(xiàn)在頻域，就是高頻信號(hào)和低頻信號(hào)的頻率交迭處的幅頻降低了，這個(gè)頻率即為低頻信號(hào)中的截止頻率附近。同樣電容Cl對低頻信號(hào)有一定的低通作用，也會(huì)使低頻信號(hào)中的高頻分量幅頻變低，同樣出現(xiàn)幅頻凹陷。
[0089]根據(jù)上述問題，如圖4所示，本發(fā)明在所述線性光耦電路的輸出端還設(shè)有頻率補(bǔ)償電路。所述線性光耦電路，用于增大所述線性光耦電路隔離后輸出的低頻信號(hào)中的高頻響應(yīng)。
[0090]具體來說，所述頻率補(bǔ)償電路由放大器U3、電阻R4、R5、R6、R7，電容C2構(gòu)成。所述線性光I禹電路隔離后輸出的低頻信號(hào)輸入放大器U3的正輸入端。電阻R4、R5串接于放大器U3的輸出端與接地之間。電阻R4、R5的連接點(diǎn)與放大器U3的負(fù)輸入端相接。R6、R7串接于放大器U3的輸出端與接地之間。電容C2連接于所述電阻R4、R5的連接點(diǎn)與所述電阻R6、R7的連接點(diǎn)之間。
[0091]在該頻率補(bǔ)償電路中，R4、R5構(gòu)成放大器增益，增益等于R5/R4，該增益乘以線性光耦電路的增益等于低頻通路的總增益，需要等于1，使低頻信號(hào)1:1的隔離，實(shí)現(xiàn)和中高頻通路隔離后信號(hào)的相加。如果增益不等于1，相應(yīng)的中高頻通路的隔離增益也需要不等于1，需要和低頻通路總增益相等。R6、R7和C2用于調(diào)整頻率響應(yīng)，其中C2、R4的乘積決定了補(bǔ)償?shù)念l率點(diǎn)，R6/R7如果等于R5/R4，則頻率補(bǔ)償電路輸出信號(hào)的高頻分量不增大、也不減?。蝗绻鸕6/R7大于R5/R4，則輸出信號(hào)的高頻分量增大。該頻率補(bǔ)償電路能夠?qū)€性光耦電路延時(shí)和低通帶來的頻率凹陷進(jìn)行補(bǔ)償。
[0092]該頻率補(bǔ)償過程如圖7所示。頻率補(bǔ)償電路增大隔離后輸出的低頻信號(hào)中高頻部分的頻響，本質(zhì)上是減小上述凹陷，使迭加后的信號(hào)該凹陷基本看不出來或淹沒在噪聲中。因?yàn)樾盘?hào)延時(shí)后，無論低頻信號(hào)怎么抬升高頻分量，在t時(shí)刻內(nèi)，低頻信號(hào)始終是最低電平，所以迭加后還是會(huì)有一個(gè)很小的凹陷。但由于光耦電路的延時(shí)非常小，所以這個(gè)凹陷的時(shí)間是非常小的，基本可以忽略。所以本發(fā)明能夠解決延時(shí)和低通帶來的幅頻響應(yīng)凹陷問題。
[0093]低頻通路的信號(hào)經(jīng)過頻率補(bǔ)償電路后，和變壓器輸出信號(hào)連接到加法電路輸入端，進(jìn)行相加，相加后的輸出信號(hào)，和輸入信號(hào)具有平坦的幅頻響應(yīng)、線性相位，即輸出信號(hào)能夠反應(yīng)輸入信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)了線性隔離。
[0094]本發(fā)明的絕緣隔離電壓，由線性光耦、變壓器的繞組導(dǎo)線決定，可以實(shí)現(xiàn)5000Vrms的隔離強(qiáng)度。
[0095]下面以幾個(gè)具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
[0096]實(shí)施例1
[0097]圖8為本實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例適用于單端信號(hào)輸入，單端信號(hào)輸出的應(yīng)用。
[0098]本實(shí)施例中，低頻放大電路使用R、C低通濾波，和放大器跟隨電路。電阻和電容決定了低頻放大電路的帶寬，需要滿足線性光耦電路的帶寬，選用電阻為IOk Ω，電容1.5nF，低頻放大電路的帶寬為IOkHz。放大器可以選用任何高精度放大器，以滿足對低頻采樣精度的要求，當(dāng)然選用精密、低噪聲、低失真、低偏置電流、低溫漂這些更優(yōu)的放大器，能夠有利于對低頻高精度技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)。例如選用ADI公司的AD823、AD8639等。
[0099]線性光耦電路、頻率補(bǔ)償電路的放大器可以選用和低頻放大電路相同的放大器。
[0100]線性光耦電路的電阻電容取值為，R2取150 Ω，用于限流。Rl取IOk Ω，R3取5k Ω，線性光耦電路的增益為0.5，Cl推薦3pF。
[0101]頻率補(bǔ)償電路的增益為2，取R4=R5=lkQ，根據(jù)實(shí)際光耦造成的頻率凹陷，選擇合適的電容，本實(shí)施例中，C2=100pF。R6、R7的比例用于調(diào)節(jié)頻率凹陷的程度，調(diào)節(jié)合適的值，使凹陷基本消失。本實(shí)施例中，R6=l.5kQ, R7=lk。
[0102]高頻緩沖電路選用高速運(yùn)算放大器，本實(shí)施例需要實(shí)現(xiàn)至少200MHz帶寬的隔離電路。運(yùn)放構(gòu)成跟隨電路，增益為I。高速放大器可以選用ADI公司的AD8038、AD8000、AD800UAD8009 等。
[0103]加法電路可以選用和緩沖電路相同的運(yùn)算放大器，構(gòu)成比例加法電路，電路增益為1，其中4個(gè)電阻相等。
[0104]本實(shí)施例中的變壓器，為了實(shí)現(xiàn)200MHz的帶寬，而且其最低工作頻率需要盡量低，至少延伸到小于10kHz。而且初次級(jí)間的耐壓要滿足設(shè)計(jì)期望。本實(shí)施例中變壓器繞制方式采用了傳輸線變壓器方式，可以實(shí)現(xiàn)較好的頻率響應(yīng)。其他形式的變壓器可可以，但是頻響響應(yīng)稍差。
[0105]變壓器磁性最優(yōu)選用高導(dǎo)磁率軟磁鐵氧體磁環(huán)，如北京七星飛行電子有限公司的RlOK系列，如R10K-H13x7x5，直徑13mm，內(nèi)徑7mm。如越峰電子材料股份有限公司的AlO系列，如 A10_T12x6x4,直徑 12mm,內(nèi)徑 6mm。
[0106]線材采用三層絕緣線，可以實(shí)現(xiàn)非常高的耐壓，如日本古河電子工業(yè)株式會(huì)社的TEX-E三層絕緣線，線徑Φ0.20mm。如順正電子有限公司的TIW-B直焊型三層絕緣線，線徑Φ0.20mm。
[0107]繞制方式為初次級(jí)導(dǎo)線，每隔5mm擰成雙絞線，繞制在磁環(huán)上，繞制15匝。
[0108]本實(shí)施例的傳輸線變壓器可以實(shí)現(xiàn)最低1kHz，最高200MHz的工作頻率，頻帶范圍內(nèi)幅頻響應(yīng)波動(dòng)很小。
[0109]變壓器的絕緣強(qiáng)度由初次級(jí)繞組導(dǎo)線間的絕緣決定，本實(shí)施例中可以選用多層絕緣線，如3層絕緣線，可以實(shí)現(xiàn)5000V以上的電壓器隔離度。
[0110]本實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)帶寬大于5200MHz的線性隔離電路，具有5000V以上的電壓隔離度。
[0111]實(shí)施例2
[0112]圖9為本實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例適用于單端信號(hào)輸入，差分信號(hào)輸出的應(yīng)用。
[0113]本實(shí)施例和實(shí)施例1的區(qū)別是加法電路采用全差分運(yùn)算放大器，差分輸出。構(gòu)成比例加法電路，變壓器次級(jí)繞組兩個(gè)輸出端子連接到差分加法電路的兩個(gè)輸入端，加法電路的6個(gè)電阻選用相同的電阻，加法電路增益為I。全差分運(yùn)算放大器可以選用ADI公司的ADA4927 或者 TI 公司的 LMH6552、LMH6554。
[0114]原低頻通路仍然為單端電路。只需在所述線性光耦電路輸出端與加法電路之間增設(shè)一個(gè)單端轉(zhuǎn)差分電路。該單端轉(zhuǎn)差分電路，使用全差分運(yùn)算放大器，以使單端電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分電路信號(hào)，輸入加法電路。具體地，可以選用滿足低頻通路帶寬的全差分放大器，如 ADI 公司的 AD8476、AD8275。
[0115]本實(shí)施例所提供的隔離電路，由加法電路最終輸出的隔離信號(hào)為差分信號(hào)。
[0116]本發(fā)明提供改進(jìn)的分路線性隔離電路，可應(yīng)用于示波器等測量設(shè)備。圖10為現(xiàn)有示波器模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖。如圖所示，該示波器，包括:衰減切換模塊、輸入級(jí)緩沖和加法電路、可編程放大器、高速ADC、控制處理模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊。輸入信號(hào)依次經(jīng)衰減切換模塊、輸入級(jí)緩沖和加法電路、可編程放大器、高速ADC傳送至控制處理模塊?？刂铺幚砟K將增益控制信號(hào)發(fā)送至該可編程放大器?？刂铺幚砟K還將偏置信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送至輸入級(jí)緩沖和加法電路。
[0117]圖11為應(yīng)用本發(fā)明所設(shè)計(jì)改進(jìn)的分路線性隔離電路的示波器結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該示波器在上述現(xiàn)有示波器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在所述可編程放大器和高速ADC之間串接本發(fā)明所設(shè)計(jì)的改進(jìn)的分路線性隔離電路，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離目的。同時(shí)，還在所述控制處理模塊與可編程放大器之間，以及控制處理模塊與D/A轉(zhuǎn)換模塊之間，串接有數(shù)字隔離器。該數(shù)字隔離器為現(xiàn)有技術(shù)，主要用于隔離數(shù)字信號(hào)。數(shù)字隔離器一般有光電耦合方式、磁耦合方式和電容耦合方式等。如Avgao公司的光電隔離器，ADI公司的iCoupler系列磁耦合方式的數(shù)字隔離器，TI公司的電容式數(shù)字隔離器。
[0118]另外，如果所述可編程放大器的輸出是差分信號(hào)，則在該可編程放大器與分路線性隔離電路之間串接差分轉(zhuǎn)單端電路，以將其差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，供分路線性隔離電路使用。
[0119]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的改進(jìn)的分路線性隔離電路及其示波器，通過將輸入信號(hào)連接到變壓器初級(jí)線圈的一端，將低頻分量連接到初級(jí)線圈的另一端，用于抵消輸入信號(hào)中的低頻分量，變壓器初級(jí)繞組中的電流變化反應(yīng)了輸入信號(hào)中的高頻分量，不同頻率部分分別通過不同的獨(dú)立通路進(jìn)行隔離，從而實(shí)現(xiàn)高帶寬線性隔離。并且，由于變壓器直接產(chǎn)生輸入信號(hào)中高頻分量信號(hào)，而沒有現(xiàn)有技術(shù)中的減法式分頻電路，不靠減法器產(chǎn)生高頻分量信號(hào)，大大簡化了電路。同時(shí)也避免了減法器增益由于電阻精度、放大器輸入偏置、偏流導(dǎo)致的誤差。而且本發(fā)明實(shí)施例的新的頻率補(bǔ)償電路能夠解決現(xiàn)有技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)線性光耦延時(shí)補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)。本領(lǐng)域一般技術(shù)人員在此設(shè)計(jì)思想之下所做任何不具有創(chuàng)造性的改造，均應(yīng)視為在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種改進(jìn)的分路線性隔離電路，其特征在于，包括:低頻放大電路、線性光耦電路、變壓器和加法電路； 所述低頻放大電路，用于對輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，輸出輸入信號(hào)中的低頻信號(hào)； 所述線性光耦電路，與所述低頻放大電路相連，用于對低頻放大電路輸入的低頻信號(hào)進(jìn)行隔離，并將隔離后輸出的低頻信號(hào)輸入所述加法電路； 所述變壓器的原邊繞組一端接入輸入信號(hào)，另一端接入低頻放大電路輸出的低頻信號(hào)，形成輸入信號(hào)中的高頻信號(hào)；所述變壓器，用于對輸入信號(hào)中的高頻信號(hào)進(jìn)行隔離，并將隔離后輸出的高頻信號(hào)輸入所述加法電路； 所述加法電路，用于將輸入的隔離后輸出的低頻信號(hào)和高頻信號(hào)相加，生成隔離后輸出信號(hào)，并輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的分路線性隔離電路，其特征在于:在所述變壓器接入輸入信號(hào)的原邊繞組端的前端還連接有緩沖電路；所述緩沖電路，用于增強(qiáng)所述輸入信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的分路線性隔離電路，其特征在于:所述線性光耦電路的輸出端還設(shè)有頻率補(bǔ)償電路； 所述頻率補(bǔ)償電路，用于增大所述線性光耦電路隔離后輸出的低頻信號(hào)中的高頻響應(yīng)。
4.如權(quán)利要求3所述的改進(jìn)的分路線性隔離電路，其特征在于:所述頻率補(bǔ)償電路由放大器U3、電阻R4、R5、R6、R7，電容C2構(gòu)成； 所述線性光耦電路隔離后輸出的低頻信號(hào)輸入放大器U3的正輸入端； 電阻R4、R5串接于放大器U3的輸出端與接地之間；電阻R4、R5的連接點(diǎn)與放大器U3的負(fù)輸入端相接； R6、R7串接于放大器U3的輸出端與接地之間； 電容C2連接于所述電阻R4、R5的連接點(diǎn)與所述電阻R6、R7的連接點(diǎn)之間。
5.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的分路線性隔離電路，其特征在于: 所述變壓器采用傳輸線變壓器繞制方式；該變壓器的初級(jí)繞組和次級(jí)繞組采用雙絞線、平行線或同軸線。
6.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的分路線性隔離電路，其特征在于:所述加法電路的增益根據(jù)所述線性光耦電路和變壓器中的增益進(jìn)行調(diào)整。
7.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)的分路線性隔離電路，其特征在于:所述加法電路采用全差分運(yùn)算放大器；該變壓器次級(jí)繞組兩個(gè)輸出端子連接到加法電路的全差分放大器的兩個(gè)輸入端；在所述線性光耦電路輸出端與加法電路之間增設(shè)一個(gè)單端轉(zhuǎn)差分電路；該單端轉(zhuǎn)差分電路，用于使線性光耦電路輸出的單端電路信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分電路信號(hào)。
8.一種具有改進(jìn)的分路線性隔離電路的示波器，包括:衰減切換模塊、輸入級(jí)緩沖和加法電路、可編程放大器、高速ADC、控制處理模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊；輸入信號(hào)依次經(jīng)衰減切換模塊、輸入級(jí)緩沖和加法電路、可編程放大器、高速ADC傳送至控制處理模塊；控制處理模塊將增益控制信號(hào)發(fā)送至該可編程放大器；控制處理模塊還將偏置信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送至輸入級(jí)緩沖和 加法電路；其特征在于: 在所述可編程放大器和高速ADC之間串接有權(quán)利要求1至7中任意一種改進(jìn)的分路線性隔離電路，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離目的；在所述控制處理模塊與可編程放大器之間，以及控制處理模塊與D/A轉(zhuǎn)換模塊之間，還串接有數(shù)字隔離器。
9.如權(quán)利要求8所述的具有改進(jìn)的分路線性隔離電路的示波器，其特征在于:所述可編程放大器的輸出為差分信號(hào)；在該可編程放大器與所述改進(jìn)的分路線性隔離電路之間，串接有差分轉(zhuǎn)單端電路，以 將所述差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01R15/18GK103884894SQ201210560838
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月20日
【發(fā)明者】史慧, 王悅, 王鐵軍, 李維森 申請人:北京普源精電科技有限公司