適用于雷電過電壓環(huán)境的高速光隔離電壓傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種適用于雷電過電壓環(huán)境的高速光隔離電壓傳感器，涉及電壓信號衰減、基于高精度線性光耦的隔離傳輸以及信號調(diào)理等單元。
【背景技術(shù)】
[0002]在數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)中，經(jīng)常處于及其惡劣的實驗環(huán)境條件下運(yùn)作。部分控制系統(tǒng)還要求必須長期不間斷地運(yùn)行。為提高采集系統(tǒng)的抗干擾性能及可靠性，一個有效的方法是采用模擬信號隔離技術(shù)，也就是設(shè)法將被測系統(tǒng)與測量系統(tǒng)隔離，僅允許被測量信號進(jìn)入測量系統(tǒng)。這種技術(shù)已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)被普遍運(yùn)用，通常的隔離方法有隔離放大器法和光電隔離法。
[0003]隔離放大器通常采用磁耦合方法使放大器的輸入和輸出之間沒有電氣聯(lián)系，但此類隔離設(shè)計復(fù)雜，帶寬較窄，體積大，成本昂貴。
[0004]光電隔離是常用且方便有效的隔離方法，它是通過獲取光信號來提取其它信號，由于它響應(yīng)速度快、靈敏度高、后續(xù)電路簡單、價格便宜等特點(diǎn)現(xiàn)已在許多科學(xué)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種高速光隔離電壓傳感器，適用于諸如雷電過電壓采集場合等，能夠高速衰減輸入信號送入后級系統(tǒng)，保證后級系統(tǒng)的安全，并且能夠自動優(yōu)化信號波形，進(jìn)行信號放大、濾波等處理。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
高速光隔離電壓傳感器，其主要運(yùn)用于雷電過電壓領(lǐng)域，通過以下過程實現(xiàn)從模擬信號衰減、光電轉(zhuǎn)換、光信號傳輸、信號調(diào)理至后級采集系統(tǒng)的整個功能:
(一)通過電壓衰減單元(采用電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，最高前級電壓±400V)，大幅降低前級輸入電壓峰值。該網(wǎng)絡(luò)衰減系數(shù)可微調(diào)，典型值為200:1。
[0007](二)為滿足雷電高達(dá)0~1ΜΗζ的高頻信號的測量，在本設(shè)計中，加入了緩沖器和正向偏置單元，通過光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng)，完成電信號的隔離傳輸，隔離電壓可達(dá)ΙΚν。有效的將高壓信號及采集系統(tǒng)隔離開，使采集測量通道避免高壓信號的危害。
[0008](三)通過信號調(diào)理單元將光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng)的輸出模擬信號放大、濾波，便于后級系統(tǒng)米集。
[0009]其擁有極高轉(zhuǎn)換速度，在IKV隔離電壓和1%的精度條件下其電壓轉(zhuǎn)換速度在Ius以內(nèi)，信號帶寬在IMHz以上，能夠捕捉到雷電過電壓的信號，并將-400V到+ 400V的原始模擬電壓信號隔離衰減40倍。
[0010]其擁有超低非線性度，其典型值為0.01%。
[0011]其傳輸誤差小于1%。
[0012]基于電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，前級輸入信號可高達(dá)±400V，衰減系數(shù)可微調(diào)，典型值為200:1ο
[0013]該系統(tǒng)由兩個光電轉(zhuǎn)換單元組成，即前級光電轉(zhuǎn)換單元與后級光電轉(zhuǎn)換單元。其中，前級光電轉(zhuǎn)換單元集成一個基于負(fù)反饋技術(shù)的自動非線性補(bǔ)償電路；后級光電轉(zhuǎn)換單元包括一個電路/電壓轉(zhuǎn)換電路。信號在通入該系統(tǒng)前將加入直流偏置，經(jīng)該系統(tǒng)耦合后，即去掉直流偏置。此外該光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng)，擁有一個旁路隔離開關(guān)實現(xiàn)直通功能，以便在某些特定場合下，不使用光隔離直接輸送模擬信號。
[0014]該調(diào)理模塊針對專用后級系統(tǒng)進(jìn)行信號調(diào)理，滿足信號輸出范圍在±10V之內(nèi)。集成有5X信號放大電路(該增益可手動調(diào)節(jié))及1ΜΗζ4階低通濾波器。
[0015]所述電壓衰減單元的衰減器包括串聯(lián)的電阻Rl和電阻R3，衰減系數(shù)微調(diào)單元包括與R3并聯(lián)的和滑動電阻VRl，滑動電阻VRl與電阻Rl的連接段引出輸出。
[0016]為滿足雷電高頻信號(O?IMHz)的測量，本設(shè)計采用運(yùn)算放大器做緩沖器，再由另一個運(yùn)算放大器及R2、R6、R7構(gòu)成反向加法器，為+/_模擬信號加入偏置電壓，以便光耦將+/_模擬信號做光電轉(zhuǎn)換。
[0017]其光電轉(zhuǎn)換隔離單元包括前級光電轉(zhuǎn)換模塊和后級光電轉(zhuǎn)換模塊，前級光電轉(zhuǎn)換模塊包括三極管Ql (2N3906)、三極管Q2 (2N3904)、AlGaAs LED以及輸入光電二極管PDl以及一個上拉電阻網(wǎng)絡(luò)，
三極管Ql (2N3906)基極一端與輸入光電二極管TOl陰極連接，另一端接地，三極管Ql的發(fā)射機(jī)通過電阻R3接電源VCC，三極管Ql的集電極接地，
三極管Q2的基極接三極管Ql的發(fā)射極，集電極通過AlGaAs LED接電源VCC，發(fā)射極通過電阻R4接地；
AlGaAs LED與輸入光電二極管HH進(jìn)行光電耦合，對三極管Ql的基極電流進(jìn)行負(fù)反饋補(bǔ)償。
[0018]其后級光電轉(zhuǎn)換模塊包括輸入光電二極管TO2、三極管Q3、三極管Q4、電阻R2、電阻R5、電阻R7，三極管Q3的基極通過輸入光電二極管PD2接地，三極管Q3發(fā)射極通過電阻R5接電源VCC，集電極接地，三極管Q4的集電極通過電阻R7接電源VCC，發(fā)射極通過電阻R6接地，三極管Q4的集電極引出輸出。
[0019]還包括一個替代光電轉(zhuǎn)換隔離單元的旁路隔離開關(guān)。
[0020]具體實現(xiàn)過程是，通過電壓衰減單元的電阻網(wǎng)絡(luò)，對電壓值在±400V的前級輸入電壓進(jìn)行衰減，該網(wǎng)絡(luò)衰減系數(shù)可微調(diào)，典型值為200:1。通過光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng)的前級光電轉(zhuǎn)換單元，將電壓信號增加直流偏置后，轉(zhuǎn)換為光信號。該光信號由一個基于負(fù)反饋技術(shù)的自動非線性補(bǔ)償電路修正非線性。通過光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng)的后級光電轉(zhuǎn)換單元接收該光信號，通過其特有的電路/電壓轉(zhuǎn)換電路形成電壓信號，并去掉其直流偏置后輸出。最后通過信號調(diào)理單元對光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng)的輸出模擬信號進(jìn)行放大濾波，便于后級系統(tǒng)采集。
[0021]通過這種設(shè)計，可以實現(xiàn)在保證后級系統(tǒng)安全的情況下，確保測試現(xiàn)場的過電壓信號轉(zhuǎn)換的真實性。
[0022]因為本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，因此具備以下有益效果:
以下是本發(fā)明的技術(shù)方案和發(fā)明要點(diǎn):
衰減器:在高壓信號測量中，為方便后級信號條例及測量，需將高壓信號衰減成小信號，本設(shè)計中為滿足前級+/-400V輸入及后級信號隔離，采用衰減系數(shù)為200:1的電阻網(wǎng)絡(luò)，該衰減系數(shù)可微調(diào)。
[0023]光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng):半導(dǎo)體光電器件是將傳統(tǒng)光學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代微電子技術(shù)緊密結(jié)合而研制出的光電器件，它是通過獲取光信號來提取其它信號，由于它響應(yīng)速度快、靈敏度高、后續(xù)電路簡單、價格便宜等特點(diǎn)現(xiàn)已在許多科學(xué)領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。在本申請的設(shè)計中，為滿足雷電高達(dá)0~1ΜΗζ的高頻信號的測量，在本設(shè)計中，加入了緩沖器和正向偏置單元，再采用高精度性線光耦構(gòu)建了兩個光電轉(zhuǎn)換單元，即前級光電轉(zhuǎn)換單元和后級光電轉(zhuǎn)換單元。其中前級光電轉(zhuǎn)換單元集成一個負(fù)反饋電路，利用輸入光二極管檢測LED光輸出量，自動調(diào)整通過LED的電流，以補(bǔ)償LED光輸出的變化及任何其它原因引起的非線性。后級光電轉(zhuǎn)換單元集成一個LED電流/電壓轉(zhuǎn)換電路，可以形成模擬信號輸出到后級采集系統(tǒng)。此外，為保證采集的正負(fù)模擬信號完整性，在信號耦合前加入正向偏置，在信號耦合后去掉所加偏置電壓。此外該光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng)，擁有一個旁路隔離開關(guān)實現(xiàn)直通功能，以便在某些特定場合下，測試人員可以不使用光隔離直接輸送模擬信號。
[0024]信號調(diào)理單元:為了獲得好的信噪比，滿足±10V信號輸出及濾掉帶寬外的高干擾，在信號調(diào)理中，增加5X信號放大電路及IMHz 4階低通濾波器。
[0025]基于以上三項關(guān)鍵技術(shù)，使得通過高速光隔離電壓傳感器，能夠是高壓電信號安全地轉(zhuǎn)換為適合下級系統(tǒng)采集的信號，并保證該信號完整性和精確性。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明總體原理圖；
圖2是本發(fā)明電壓衰減單元原理圖；
圖3本發(fā)明電壓衰減單元電路圖；
圖4本發(fā)明緩沖器和增量偏置電路圖；
圖5本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng)原理圖；
圖6本發(fā)明光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng)電路圖；
圖7本發(fā)明信號調(diào)理單元原理圖；
圖8是本發(fā)明光電隔離過程原理圖；
圖9是本發(fā)明系統(tǒng)的頻響曲線圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖并用最佳的實施例對本發(fā)明作詳細(xì)的說明。
[0028]參閱圖1，首先闡述該高速光隔離電壓傳感器的總體運(yùn)作流程。
[0029]通過電壓衰減單元的電阻網(wǎng)絡(luò)，對電壓值在±400V的前級輸入電壓進(jìn)行衰減，該網(wǎng)絡(luò)衰減系數(shù)可微調(diào)，典型值為200:1。通過光電轉(zhuǎn)換隔離系統(tǒng)的前級光