一種多路線性隔離電路及其示波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種多路線性隔離電路，可應(yīng)用于示波器等測量設(shè)備。將輸入信號經(jīng)過線性隔離后輸出，輸入輸出信號電氣上隔離。包括低頻放大電路、線性光耦電路、頻率補償電路、中頻低通電路、中頻減法電路、中頻變壓器、高頻減法電路、高頻變壓器和加法電路。將輸入信號分成低頻、中頻和高頻三部分，通過不同的通路進行隔離。低頻信號通路使用線性光耦電路進行線性隔離，并增加頻響補償電路，補償由于線性光耦的延時造成的幅頻響應(yīng)凹陷。由于變壓器低頻和高頻不能兼顧的限制，所以變壓器的頻帶寬度不會很大，本發(fā)明創(chuàng)造性的利用中頻和高頻兩個變壓器分別隔離中頻信號和高頻信號，從而極大的擴展了隔離電路的帶寬。該多路線性隔離電路可以方便的應(yīng)用于示波器等測量設(shè)備中。
【專利說明】一種多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，特別是一種多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)之間只存在一個較小的電容。隔離電路可以提高測量時的共模抑制比，減少干擾，改善信號質(zhì)量，也可以絕緣危險電壓，保護設(shè)備和人身安全。在多通道示波器同時測量時，通道隔離還可以測量多個不同共模電壓的信號，防止因通道間共地造成短路事故。
[0003]從被處理的信號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，即數(shù)字信號，屬于開關(guān)信號，技術(shù)上容易實現(xiàn)。線性隔離電路有時也稱為隔離放大器，其輸出信號和輸入信號成線性關(guān)系，可以傳遞模擬信號，電路的頻率響應(yīng)可以從DC至很高的頻率。高帶寬(數(shù)百MHz以上)的線性隔離電路技術(shù)上較難實現(xiàn)。而實現(xiàn)具有很高DC精度的線性隔離電路，可以在示波器上實現(xiàn)電壓表或萬用表功能，具有很好的應(yīng)用價值，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，增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個光接受電路都是非線性的，但兩個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，從而達到實現(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绷餍盘栠M行隔離，但是信號帶寬最大只能到幾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，可以實現(xiàn)對非常高的頻率進行隔離。但是由于電磁感應(yīng)的特點，變壓器不能對直流和低頻信號進行隔離，一般變壓器能夠隔離的最低能夠到kHz級別。
[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行隔離，將輸入進行線性調(diào)制成數(shù)字信號，然后利用變壓器對數(shù)字信號進行隔離，隔離后的信號再經(jīng)過解調(diào)，生成隔離后的模擬信號。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，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行介紹:
[0009]A、專利號為CN96101007.X的專利，提供了一種解決方案，實現(xiàn)框圖如圖1所示。
[0010]其使用兩個不同帶寬的放大器，將輸入信號分成高頻路徑和低頻路徑，低頻路徑使用線性光耦進行隔離，高頻路徑使用變壓器進行隔離。變壓器次邊使用兩個繞組，產(chǎn)生相位相反的差分信號+Vout和-Vout。隔離后的低頻信號經(jīng)過增益調(diào)整和單端轉(zhuǎn)差分放大器，輸出的信號作為變壓器次邊的偏置。低頻通路由于線性光耦的延時，導(dǎo)致疊加后的信號，在高、低頻結(jié)合處幅頻響應(yīng)塌陷，采用電路48、52、50、54進行補償，使幅頻響應(yīng)在高、低頻結(jié)合處，適當(dāng)?shù)奶嵘?，實現(xiàn)了幅頻響應(yīng)的平坦性。高低頻結(jié)合處幅頻變化如下圖示意:
[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:
[0012]1、由于變壓器次邊采用了兩個繞組，作為輸出差分信號的正負極，較難保證正負極的相同相位，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，低頻路徑的延時導(dǎo)致頻響不平坦，采用了電路48、52、50、54進行補償，由于電容器件離散，較難保證差分信號正負極完全一致。
[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、專利號為US5834973的專利，沒有專利CN96101007.X的缺點，其實現(xiàn)框圖如圖2所示。
[0016]此專利使用兩個不同帶寬的放大器，低帶寬放大器實現(xiàn)低頻路徑，低頻路徑使用線性光耦進行隔離。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減去低頻路徑的信號，輸出的高頻信號連接到變壓器的原邊，該高頻信號和低頻路徑的信號相加即為輸入信號。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的衰減量。高頻信號使用變壓器進行隔離，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，從而實現(xiàn)對信號的線性隔離。
[0017]此專利較好的解決了變壓器繞制的問題，但有如下缺點:
[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，直接和高頻路勁輸出相加，會使高低頻頻率結(jié)合處幅頻響應(yīng)塌陷，此專利沒有介紹補償電路，輸出信號的幅頻響應(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、專利號為CN200610154738.9的專利，將專利US5834973的實現(xiàn)方法進行了具體的細化，并解決了其缺點，提供了延時補償電路，其實現(xiàn)框圖如圖3所示。
[0021]此專利和US5834973的實現(xiàn)思路一致，但進行了電路細化，增加了低頻路徑的延時補償電路102、103、104。輸入信號經(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。高頻信號經(jīng)過變壓器26進行隔離，隔離后的信號連接到電路105。低頻信號經(jīng)過線性光耦電路102進行隔離，低頻信號隔離后，經(jīng)過延時補償電路103、104進行延時補償，并進行必要的放大，使低頻路徑的幅度和高頻路徑一致，補償后的輸出和高頻隔離后的信號經(jīng)過加法電路105，合成隔離后的信號，即實現(xiàn)對信號的線性隔離。
[0022]此專利電路較詳細，能夠解決之前專利的缺點，但是還具有以下缺點:
[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、專利中提到的延時補償電路103或者22、24、29、30，實際并不能解決低頻和高頻路徑交迭頻率處的幅頻凹陷。因為電容24、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、由于提供的延時補償電路不起作用，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)主要缺點是能夠?qū)崿F(xiàn)的線性隔離電路帶寬低，無法實現(xiàn)更大帶寬的隔離示波器。并且，線性光耦電路會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，提供一種多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)方案予以實現(xiàn)的:
[0030]一種多路線性隔離電路，其特征在于，包括:低頻放大電路、線性光耦電路、中頻低通電路、中頻減法電路、中頻變壓器、高頻減法電路、高頻變壓器和加法電路；
[0031]輸入信號分別輸入所述低頻放大電路、中頻低通電路和高頻減法電路的正輸入端;
[0032]所述低頻放大電路，用于對輸入信號進行濾波，輸出輸入信號中的低頻信號；所述低頻信號分別輸入所述線性光耦電路和中頻減法電路的負輸入端；
[0033]所述中頻低通電路，用于對輸入信號進行濾波，輸出輸入信號中的中頻及低頻信號；所述中頻及低頻信號分別輸入所述中頻減法電路的正輸入端和高頻減法電路的負輸入端;
[0034]所述中頻減法電路，用于將所述中頻低通電路輸入的中頻及低頻信號減去所述低頻放大電路輸入的低頻信號，以輸出中頻信號；
[0035]所述高頻減法電路，用于將所述輸入的輸入信號減去所述中頻低通電路輸入的中頻及低頻信號，以輸出高頻信號；
[0036]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進行隔離，并將隔離后輸出的低頻信號輸入所述加法電路；
[0037]所述中頻變壓器，與所述中頻減法電路相連，用于對中頻減法電路輸入的中頻信號進行隔離，并將隔離后輸出的中頻信號輸入所述加法電路；
[0038]所述高頻變壓器，與所述高頻減法電路相連，用于對高頻減法電路輸入的高頻信號進行隔離，并將隔離后輸出的高頻信號輸入所述加法電路；
[0039]所述加法電路，用于將輸入的隔離后輸出的低頻信號、中頻信號和高頻信號相加，生成隔離后輸出信號，并輸出。
[0040]所述線性光耦電路的輸出端還設(shè)有頻率補償電路；
[0041]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中的高頻響應(yīng)。
[0042]所述頻率補償電路由放大器U3、電阻R4、R5、R6、R7，電容C2構(gòu)成；
[0043]所述線性光耦電路隔離后輸出的低頻信號輸入放大器U3的正輸入端；
[0044]電阻R4、R5串接于放大器U3的輸出端與接地之間；電阻R4、R5的連接點與放大器U3的負輸入端相接；
[0045]R6、R7串接于放大器U3的輸出端與接地之間；
[0046]電容C2連接于所述電阻R4、R5的連接點與所述電阻R6、R7的連接點之間。[0047]所述高頻變壓器采用傳輸線變壓器繞制方式；該高頻變壓器的初級繞組和次級繞組采用雙絞線、平行線或同軸線。
[0048]所述加法電路的增益根據(jù)所述線性光耦電路、中頻變壓器和高頻變壓器中的增益進行調(diào)整。
[0049]所述高頻減法電路和加法電路采用全差分運算放大器；該高頻變壓器次級線圈兩個輸出端子連接到加法電路的全差分放大器的兩個輸入端；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轉(zhuǎn)換為差分電路信號。
[0050]一種具有多路線性隔離電路的示波器，包括:衰減切換模塊、輸入級緩沖和加法電路、可編程放大器、高速ADC、控制處理模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊；輸入信號依次經(jīng)衰減切換模塊、輸入級緩沖和加法電路、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發(fā)送至該可編程放大器；控制處理模塊還將偏置信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送至輸入級緩沖和加法電路；其特征在于:
[0051]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6中任意一種多路線性隔離電路，以實現(xiàn)信號隔離目的；
[0052]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。
[0053]所述可編程放大器的輸出為差分信號；在該可編程放大器與所述多路線性隔離電路之間，串接有差分轉(zhuǎn)單端電路，以將所述差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號。
[0054]本發(fā)明有益效果是:
[0055]1、能夠?qū)崿F(xiàn)線性隔離電路，隔離后信號和輸入信號基本一致。
[0056]2、能夠?qū)崿F(xiàn)非常大的帶寬信號的隔離，隔離帶寬能夠達500MHz以上。
[0057]3、變壓器繞制方便。
[0058]4、線性光耦電路的頻率補償電路簡單，調(diào)試方便。
[0059]5、無需在高頻電路增加延時電路進行線性光耦的補償。
[0060]6、能夠方便的利用在隔離示波器前端中，實現(xiàn)隔離示波器功能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0061]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，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:
[0062]圖1為現(xiàn)有隔離電路示例一結(jié)構(gòu)圖；
[0063]圖2為現(xiàn)有隔離電路示例二結(jié)構(gòu)圖；
[0064]圖3為現(xiàn)有隔離電路示例三結(jié)構(gòu)圖；
[0065]圖4為多路線性隔離電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0066]圖5 (A)為輸入信號不意圖；
[0067]圖5 (B)為輸出信號示意圖；
[0068]圖6為彳目號頻率置加后幅頻凹陷原理說明不意圖；
[0069]圖7為頻率補償過程不意圖；
[0070]圖8為多路線性隔離電路實施例1結(jié)構(gòu)示意圖；[0071]圖9為多路線性隔離電路實施例2結(jié)構(gòu)示意圖；
[0072]圖10為現(xiàn)有示波器模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖；
[0073]圖11為應(yīng)用多路線性隔離電路的示波器結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0074]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合實施方式和附圖，對本發(fā)明做進一步詳細說明。在此，本發(fā)明的示意性實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。
[0075]針對前述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明通過將輸入信號分成低頻、中頻和高頻三部分，不同頻率部分分別通過不同的獨立通路進行隔離，從而實現(xiàn)高帶寬線性隔離。圖4為本發(fā)明多路線性隔離電路結(jié)構(gòu)示意圖。如圖所示，該多路線性隔離電路，包括:低頻放大電路、線性光耦電路、中頻低通電路、中頻減法電路、中頻變壓器、高頻減法電路、高頻變壓器和加法電路。
[0076]輸入信號分別輸入所述低頻放大電路、中頻低通電路和高頻減法電路的正輸入端。
[0077]所述低頻放大電路，用于對輸入信號進行濾波，輸出輸入信號中的低頻信號；所述低頻信號分別輸入所述線性光耦電路和中頻減法電路的負輸入端；
[0078]所述中頻低通電路，用于對輸入信號進行濾波，輸出輸入信號中的中頻及低頻信號；所述中頻及低頻信號分別輸入所述中頻減法電路的正輸入端和高頻減法電路的負輸入端;
[0079]所述中頻減法電路，用于將所述中頻低通電路輸入的中頻及低頻信號減去所述低頻放大電路輸入的低頻信號，以輸出中頻信號；
[0080]所述高頻減法電路，用于將所述輸入的輸入信號減去所述中頻低通電路輸入的中頻及低頻信號，以輸出高頻信號；
[0081]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進行隔離，并將隔離后輸出的低頻信號輸入所述加法電路；
[0082]所述中頻變壓器，與所述中頻減法電路相連，用于對中頻減法電路輸入的中頻信號進行隔離，并將隔離后輸出的中頻信號輸入所述加法電路；
[0083]所述高頻變壓器，與所述高頻減法電路相連，用于對高頻減法電路輸入的高頻信號進行隔離，并將隔離后輸出的高頻信號輸入所述加法電路；
[0084]所述加法電路，用于將輸入的隔離后輸出的低頻信號、中頻信號和高頻信號相加，生成隔離后輸出信號，并輸出。
[0085]上述多路線性隔離電路中，輸入信號連接到低頻放大電路，低頻放大器具有低通的效果，輸出信號的頻率成分為輸入信號的直流至低頻部分，簡稱低頻信號。輸入信號同時連接到中頻低通電路，中頻低通電路將輸入信號進行低通濾波，濾除中頻以上頻率成分，中頻低通電路輸出直流至中頻的頻率成分。中頻低通電路的輸出連接到中頻減法電路的正輸入端，低頻信號同時連接到中頻減法電路的負輸入端，進行減法運算，輸出信號的頻率成分即為從低頻至中頻部分，簡稱中頻信號。中頻低通電路的輸出同時連接到高頻減法電路的負輸入端，輸入信號同時連接到高頻減法電路的正輸入端，進行減法運算，高頻減法電路的輸出即為信號頻率的中頻以上部分，即高頻部分，簡稱高頻信號。這樣，就將輸入信號按照頻率分布分為了低頻信號、中頻信號和高頻信號，若將此三路信號在直接相加，可如實還原輸入信號，輸入信號和被還原信號具有平坦的幅頻響應(yīng)、線性的相頻響應(yīng)和精確的脈沖響應(yīng)。
[0086]在本發(fā)明中，輸入信號、低頻信號、中頻信號和高頻信號之間關(guān)系如下圖5所示。圖5 (A)為輸入信號示意圖，假設(shè)輸入信號為理想脈沖，具有幅度為A，無限帶寬的頻率響應(yīng)。圖5 (B)為輸出信號示意圖。其中，低頻信號在頻域表示如圖所示，fl為低頻信號的截止頻率。中頻信號如圖所示，f2為中頻信號的低截止頻率，f3為中頻信號的高截止頻率。高頻信號如圖所示，f4為高頻信號的截止頻率。它們?nèi)咧苯酉嗉樱嗉雍蟮男盘柡洼斎胄盘栆粯印?br> [0087]變壓器的最高頻率和最低頻率是個矛盾，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MHz。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。所以如果只用一個變壓器進行低頻信號以外頻率成分的傳輸，無法實現(xiàn)大的隔離帶寬。
[0088]所以本發(fā)明創(chuàng)造性的將信號按頻域分成三部分，其中中頻信號和高頻信號分別采用中頻變壓器和高頻變壓器進行隔離。中頻變壓器滿足中頻信號的要求，高頻變壓器滿足高頻信號的要求。
[0089]中頻變壓器需要滿足線性光耦電路的截止頻率，一般為幾kHz至幾十kHz，然后實現(xiàn)盡可能大且失真小的高截止頻率f3。中頻變壓器根據(jù)其要實現(xiàn)的頻率，可以由多種繞制方式，如普通變壓器繞制方式和傳輸線變壓器繞制方式。磁芯的選用可以選用高飽和磁通的硅鋼片、鐵硅鋁，以實現(xiàn)更大的傳輸功率和低截止頻率，也可以選用高導(dǎo)磁率的鐵氧體磁
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[0090]本發(fā)明中的高頻變壓為了實現(xiàn)盡可能大的帶寬，而且其低截止頻率最好延伸到中頻信號的高截止頻率。所以采用傳輸線變壓器繞制方式，可以實現(xiàn)盡可能高的頻率響應(yīng)，傳輸線變壓器將初級繞組和次級繞組通過雙絞線、平行線、同軸線等方式，形成傳輸線，初次級導(dǎo)線緊靠在一起，任意點的線間電容都很大，且在整個線上是均勻分布，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，且均勻分布在整個線上，因此傳輸線可以看成是無數(shù)個電感、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，磁芯的損耗對信號傳輸?shù)挠绊懢蜁蟠鬁p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。高頻變壓器可以實現(xiàn)非常高的隔離帶寬，500MHz以上。
[0091]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。
[0092]在本實施例中，中頻和高頻變壓器均采用1:1的原次邊繞組，對信號進行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、中頻變壓器和高頻變壓器中的增益進行調(diào)整，使三路信號幅度平衡一致即可。
[0093]中頻變壓器輸出的負載電阻為R8，將次邊線圈中的電路轉(zhuǎn)換成電壓。高頻變壓器輸出的負載電阻為R9，將次邊線圈中的電路轉(zhuǎn)換成電壓。輸出電壓分別連接到加法電路的輸入端。
[0094]如圖所示，所述線性光耦電路包括運算放大器U1、電阻R1、電阻R2、電容Cl、線性光耦、運算放大器U2和電阻R3。線性光耦內(nèi)部封裝有一個發(fā)光二極管和兩個匹配的光電二極管，一個用于反饋，一個用于隔離稱合信號。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。
[0095]線性光耦電路會有一定的延時，同時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疊加時，在低頻信號和中頻信號頻率疊加的地方出現(xiàn)的幅頻凹陷。如圖6所示，輸入信號為方波信號，輸出信號分為低頻信號和中高頻信號。如果低頻信號沒有延時，直接相加后的波形和輸入波形一致。但是，如果低頻信號有延時t，直接相加后的信號如下圖，方波邊沿后出現(xiàn)了凹陷，體現(xiàn)在頻域，就是中頻信號和低頻信號的頻率交迭處的幅頻降低了，這個頻率即為低頻信號中的截止頻率附近。同樣電容Cl對低頻信號有一定的低通作用，也會使低頻信號中的高頻分量幅頻變低，同樣出現(xiàn)幅頻凹陷。
[0096]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中的高頻響應(yīng)。
[0097]具體來說，所述頻率補償電路由放大器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的連接點與放大器U3的負輸入端相接。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的連接點與所述電阻R6、R7的連接點之間。
[0098]在該頻率補償電路中，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1:1的隔離，實現(xiàn)和中高頻通路隔離后信號的相加。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的乘積決定了補償?shù)念l率點，R6/R7如果等于R5/R4，則頻率補償電路輸出信號的高頻分量不增大、也不減??；如果R6/R7大于R5/R4，則輸出信號的高頻分量增大。該頻率補償電路能夠?qū)€性光耦電路延時和低通帶來的頻率凹陷進行補償。
[0099]該頻率補償過程如圖7所示。頻率補償電路增大隔離后輸出的低頻信號中高頻部分的頻響，本質(zhì)上是減小上述凹陷，使迭加后的信號該凹陷基本看不出來或淹沒在噪聲中。因為信號延時后，無論低頻信號怎么抬升高頻分量，在t時刻內(nèi)，低頻信號始終是最低電平，所以迭加后還是會有一個很小的凹陷。但由于光耦電路的延時非常小，所以這個凹陷的時間是非常小的，基本可以忽略。所以本發(fā)明能夠解決延時和低通帶來的幅頻響應(yīng)凹陷問題。
[0100]低頻通路的信號經(jīng)過頻率補償電路后，和中頻變壓器、高頻變壓器輸出信號連接到加法電路輸入端，進行相加，相加后的輸出信號，和輸入信號具有平坦的幅頻響應(yīng)、線性相位，即輸出信號能夠反應(yīng)輸入信號，即實現(xiàn)了線性隔離。
[0101]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，可以實現(xiàn)5000Vrms的隔離強度。
[0102]下面以幾個具體實施例對本發(fā)明作進一步說明:
[0103]實施例1
[0104]圖8為本實施例結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例適用于單端信號輸入，單端信號輸出的應(yīng)用。
[0105]本實施例中，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)效果的實現(xiàn)。例如選用ADI公司的AD823、AD8639等。
[0106]線性光耦電路、頻率補償電路的放大器可以選用和低頻放大電路相同的放大器。
[0107]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。
[0108]頻率補償電路的增益為2，取R4=R5=lkQ，根據(jù)實際光耦造成的頻率凹陷，選擇合適的電容，本實施例中，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。本實施例中，R6=l.5kQ, R7=lk。
[0109]中頻低通電路采用RC低通和運放構(gòu)成的緩沖電路，設(shè)置中頻低通截止頻率為100MHz，則R = 100Ω，C = 15pF，運放選用帶寬大于IOOMHz的運放均可。例如選用ADI公司的 AD8038、AD8012 等。
[0110]中頻減法電路選用和中頻低通一樣的運放即可，電路構(gòu)成比例減法電路,增益為1，其中4個電阻相等。
[0111]高頻減法電路選用高速運算放大器，本實施例需要實現(xiàn)至少500MHz帶寬的隔離電路。運放構(gòu)成比例減法電路，增益為1，其中4個電阻相等。高速放大器可以選用ADI公司的 AD8000、AD8001、AD8009 等。
[0112]加法電路可以選用和高頻減法電路相同的運算放大器，構(gòu)成比例加法電路，電路增益為1，其中4個電阻相等。
[0113]本實施例中的中頻變壓器，為了實現(xiàn)IOOMHz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。而且初次級間的耐壓要滿足設(shè)計期望。本實施例中變壓器繞制方式采用了傳輸線變壓器方式，可以實現(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。
[0114]中頻變壓器磁性最優(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 6_。[0115]線材采用三層絕緣線，可以實現(xiàn)非常高的耐壓，如日本古河電子工業(yè)株式會社的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。
[0116]繞制方式為初次級導(dǎo)線，每隔5mm擰成雙絞線，繞制在磁環(huán)上，繞制20匝。
[0117]本實施例的傳輸線變壓器可以實現(xiàn)最低1kHz，最高IOOMHz的工作頻率，頻帶范圍內(nèi)幅頻響應(yīng)波動很小。
[0118]高頻變壓器需要滿足低截止頻率小于IOOMHz，盡量高的最高截止頻率，本實施例需要大于500MHz。也采用傳輸線變壓器方式，可以實現(xiàn)盡可能高的帶寬。
[0119]高頻變壓器磁性最優(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-H5x2.5x1.5，直徑5mm，內(nèi)徑2.5mm。如越峰電子材料股份有限公司的 AlO 系列，如 A10-T5.05x2.42x1，直徑 5.05mm,內(nèi)徑 2.42mm。
[0120]線材采用三層絕緣線，可以實現(xiàn)非常高的耐壓，如日本古河電子工業(yè)株式會社的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。
[0121]繞制方式為初次級導(dǎo)線，每隔3mm擰成雙絞線，繞制在磁環(huán)上，繞制6匝。
[0122]本實施例的傳輸線變壓器可以實現(xiàn)最低100MHz，最高500MHz的工作頻率，頻帶范圍內(nèi)幅頻響應(yīng)波動很小。
[0123]變壓器的絕緣強度由初次級繞組導(dǎo)線間的絕緣決定，本實施例中可以選用多層絕緣線，如3層絕緣線，可以實現(xiàn)5000V以上的電壓器隔離度。
[0124]本實施例可以實現(xiàn)帶寬大于500MHz的線性隔離電路，具有5000V以上的電壓隔離度。
[0125]實施例2
[0126]圖9為本實施例結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例適用于單端信號輸入，差分信號輸出的應(yīng)用。
[0127]本實施例和實施例1的區(qū)別是所述高頻減法電路中采用全差分運算放大器，差分輸出，驅(qū)動高頻變壓器初級線圈。全差分運算放大器可以選用ADI公司的ADA4927或者TI公司的 LMH6552、LMH6554。
[0128]與之相應(yīng)的，所述加法電路也采用全差分放大器，可選用和高頻減法器相同的放大器，構(gòu)成比例加法電路。高頻變壓器次級線圈兩個輸出端子連接到加法電路的全差分放大器的兩個輸入端，加法電路的8個電阻選用相同的電阻，加法電路增益為I。
[0129]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)一個單端轉(zhuǎn)差分電路。該單端轉(zhuǎn)差分電路，使用全差分運算放大器，以使單端電路信號轉(zhuǎn)換為差分電路信號，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。
[0130]本實施例所提供的隔離電路，由加法電路最終輸出的隔離信號為差分信號。
[0131]本發(fā)明提供多路線性隔離電路，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。輸入信號依次經(jīng)衰減切換模塊、輸入級緩沖和加法電路、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發(fā)送至該可編程放大器。控制處理模塊還將偏置信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送至輸入級緩沖和加法電路。
[0132]圖11為應(yīng)用本發(fā)明所設(shè)計多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)計的多路線性隔離電路，以實現(xiàn)信號隔離目的。同時，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。
[0133]另外，如果所述可編程放大器的輸出是差分信號，則在該可編程放大器與多路線性隔離電路之間串接差分轉(zhuǎn)單端電路，以將其差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，供多路線性隔離電路使用。
[0134]本發(fā)明所設(shè)計的多路線性隔離電路及其示波器，通過將輸入信號分成低頻、中頻和高頻三部分，不同頻率部分分別通過不同的獨立通路進行隔離，從而實現(xiàn)高帶寬線性隔離。該電路具有能夠?qū)崿F(xiàn)線性隔離電路，隔離后信號和輸入信號基本一致；能夠?qū)崿F(xiàn)非常大的帶寬信號的隔離，隔離帶寬能夠達500MHz以上；變壓器繞制方便；線性光耦電路的頻率補償電路簡單，調(diào)試方便；無需在高頻電路增加延時電路進行線性光耦的補償；能夠方便的利用在隔離示波器前端中，實現(xiàn)隔離示波器功能等優(yōu)點。本領(lǐng)域一般技術(shù)人員在此設(shè)計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)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多路線性隔離電路，其特征在于，包括:低頻放大電路、線性光耦電路、中頻低通電路、中頻減法電路、中頻變壓器、高頻減法電路、高頻變壓器和加法電路； 輸入信號分別輸入所述低頻放大電路、中頻低通電路和高頻減法電路的正輸入端；所述低頻放大電路，用于對輸入信號進行濾波，輸出輸入信號中的低頻信號；所述低頻信號分別輸入所述線性光耦電路和中頻減法電路的負輸入端； 所述中頻低通電路，用于對輸入信號進行濾波，輸出輸入信號中的中頻及低頻信號；所述中頻及低頻信號分別輸入所述中頻減法電路的正輸入端和高頻減法電路的負輸入端；所述中頻減法電路，用于將所述中頻低通電路輸入的中頻及低頻信號減去所述低頻放大電路輸入的低頻信號，以輸出中頻信號； 所述高頻減法電路，用于將所述輸入的輸入信號減去所述中頻低通電路輸入的中頻及低頻信號，以輸出高頻信號； 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進行隔離，并將隔離后輸出的低頻信號輸入所述加法電路； 所述中頻變壓器，與所述中頻減法電路相連，用于對中頻減法電路輸入的中頻信號進行隔離，并將隔離后輸出的中頻信號輸入所述加法電路； 所述高頻變壓器，與所述高頻減法電路相連，用于對高頻減法電路輸入的高頻信號進行隔離，并將隔離后輸出的高頻信號輸入所述加法電路； 所述加法電路，用于將輸入的隔離后輸出的低頻信號、中頻信號和高頻信號相加，生成隔離后輸出信號，并輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的多路線性隔離電路，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中的高頻響應(yīng)。
3.如權(quán)利要求2所述的多路線性隔離電路，其特征在于:所述頻率補償電路由放大器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的連接點與放大器U3的負輸入端相接； 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的連接點與所述電阻R6、R7的連接點之間。
4.如權(quán)利要求1所述的多路線性隔離電路，其特征在于: 所述高頻變壓器采用傳輸線變壓器繞制方式；該高頻變壓器的初級繞組和次級繞組采用雙絞線、平行線或同軸線。
5.如權(quán)利要求1所述的多路線性隔離電路，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、中頻變壓器和高頻變壓器中的增益進行調(diào)整。
6.如權(quán)利要求1所述的多路線性隔離電路，其特征在于:所述高頻減法電路和加法電路采用全差分運算放大器；該高頻變壓器次級線圈兩個輸出端子連接到加法電路的全差分放大器的兩個輸入端；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轉(zhuǎn)換為差分電路信號。
7.一種具有多路線性隔離電路的示波器，包括:衰減切換模塊、輸入級緩沖和加法電路、可編程放大器、高速ADC、控制處理模塊和D/A轉(zhuǎn)換模塊；輸入信號依次經(jīng)衰減切換模塊、輸入級緩沖和加法電路、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發(fā)送至該可編程放大器；控制處理模塊還將偏置信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換模塊發(fā)送至輸入級緩沖和加法電路；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6中任意一種多路線性隔離電路，以實現(xiàn)信號隔離目的； 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。
8.如權(quán)利要求7所述的具有多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；在該可編程放大器與所述多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 號轉(zhuǎn)換為單端信號。
【文檔編號】G01R13/00GK103884895SQ201210558977
【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