一種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)明提供了一種分路線性隔離電路，可應(yīng)用于示波器等測量設(shè)備包括：低頻放大電路、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字隔離器、高頻減法放大電路、變壓器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器和控制處理電路，利用低頻放大電路和高頻減法放大電路，將輸入信號分解成直流至低頻部分和低頻至高頻部分，其中低頻部分采用第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣后再經(jīng)過數(shù)字隔離器件輸出至控制處理電路，由于采用了先采樣后隔離的方式，擴展了其低頻路徑中的隔離器選擇范圍；高頻部分使用變壓器進行隔離后通過第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣輸出至控制處理電路，實現(xiàn)了示波器的高采樣率和高帶寬。該分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。
[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(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(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(xì)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(xì)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(xì)，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)方案予以實現(xiàn)的:
[0030]一種分路線性隔離電路，其特征在于，包括:低頻放大電路、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字隔離器、高頻減法放大電路、變壓器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器和控制處理電路；
[0031]輸入信號分別輸入所述低頻放大電路和高頻減法放大電路的正輸入端；
[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第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高頻減法放大電路的負(fù)輸入端；
[0033]所述高頻減法電路，用于將所述輸入的輸入信號減去所述低頻放大電路輸入的低頻信號，以輸出高頻信號；
[0034]所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，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采樣,并將采樣后的低頻數(shù)字信號輸入數(shù)字隔離器;
[0035]所述數(shù)字隔離器，與所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，用于對低頻放大電路輸出的低頻信號進行隔離，并將隔離后輸出的低頻數(shù)字信號輸入所述控制處理電路；
[0036]所述變壓器，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第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0037]所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器，與所述變壓器相連，用于對變壓器隔離后輸出的高頻信號進行采樣，并將采樣后的高頻數(shù)字信號輸入控制處理電路；
[0038]所述控制處理電路，用于將所述采樣后的高頻數(shù)字信號與隔離后的低頻數(shù)字信號相加，生成隔尚后輸出信號，并輸出。
[0039]還包括緩沖電路，位于所述變壓器和所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間，用于增強所述隔離后輸出的高頻信號，以驅(qū)動第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0040]所述變壓器采用傳輸線變壓器繞制方式；該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。
[0041]所述控制處理電路，包括:插值器和加法器；其中，
[0042]所述插值器，接入所述隔離后的低頻數(shù)字信號，用于對輸入的隔離后的低頻數(shù)字信號進行插值運算，得到插值后低頻數(shù)字信號；
[0043]所述加法器，用于將所述采樣后的高頻數(shù)字信號和插值后低頻數(shù)字信號相加，生成所述隔離后輸出信號。
[0044]所述控制處理電路，包括:延時調(diào)節(jié)器、插值器和加法器；其中，
[0045]所述延時調(diào)節(jié)器，接入所述采樣后的高頻數(shù)字信號，用于對輸入的采樣后的高頻數(shù)字信號進行延時，得到延時后高頻數(shù)字信號；
[0046]所述插值器，接入所述隔離后的低頻數(shù)字信號，用于對輸入的隔離后的低頻數(shù)字信號進行插值運算，得到插值后低頻數(shù)字信號；
[0047]所述加法器，與所述延時調(diào)節(jié)器器和插值器相連接，用于將所述延時后高頻數(shù)字信號和插值后低頻數(shù)字信號相加，生成所述隔離后輸出信號。
[0048]一種具有分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、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:
[0049]在所述可編程放大器和控制處理模塊之間串接有權(quán)利要求1至4中任意一種分路線性隔離電路，以實現(xiàn)信號隔離目的；
[0050]所述控制處理電路設(shè)置于所述控制處理模塊之中；
[0051]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，該數(shù)字隔離器和所述分路線性隔離電路并聯(lián)。
[0052]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，以將所述差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號。
[0053]本發(fā)明有益效果是:
[0054]1、電路形式簡單，不需要低頻補償電路。
[0055]2、可以實現(xiàn)DC至200MHz以上的帶寬。
[0056]3、具有非常高的直流精確度。
[0057]4、可以應(yīng)用于單端信號的線性隔離，也可以是差分信號。
[0058]5、實現(xiàn)通道相互隔離的隔離示波器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0059]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:
[0060]圖1為現(xiàn)有隔離電路示例一結(jié)構(gòu)圖；
[0061]圖2為現(xiàn)有隔離電路示例二結(jié)構(gòu)圖；
[0062]圖3為現(xiàn)有隔離電路示例三結(jié)構(gòu)圖；
[0063]圖4為分路線性隔離電路結(jié)構(gòu)圖；
[0064]圖5為控制處理電路結(jié)構(gòu)圖；
[0065]圖6為分路線性隔離電路實施例1結(jié)構(gòu)圖；
[0066]圖7 (A)低頻放大電路形式I結(jié)構(gòu)圖；
[0067]圖7 (B)低頻放大電路形式2結(jié)構(gòu)圖；
[0068]圖7 (C)低頻放大電路形式3結(jié)構(gòu)圖；
[0069]圖7 (D)低頻放大電路形式4結(jié)構(gòu)圖；
[0070]圖8 (A)為輸入信號圖；
[0071]圖8 (B)為輸出信號頻響圖；
[0072]圖8 (C)為時域下方波/[目號低頻路徑和聞頻路徑輸出不意圖；
[0073]圖9為分路線性隔離電路實施例2結(jié)構(gòu)圖；[0074]圖10為分路線性隔離電路實施例3結(jié)構(gòu)圖；
[0075]圖11為分路線性隔離電路實施例3放大器結(jié)構(gòu)圖；
[0076]圖12為現(xiàn)有示波器模擬前端的結(jié)構(gòu)框圖；
[0077]圖13為應(yīng)用分路線性隔離電路的示波器結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0078]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(xì)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。
[0079]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和高頻兩部分，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)明分路線性隔離電路結(jié)構(gòu)圖。如圖所示，該分路線性隔離電路，包括:低頻放大電路、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字隔離器、高頻減法放大電路、變壓器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器和控制處理電路；
[0080]輸入信號分別輸入所述低頻放大電路和高頻減法放大電路的正輸入端；
[0081]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第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高頻減法放大電路的負(fù)輸入端；
[0082]所述高頻減法電路，用于將所述輸入的輸入信號減去所述低頻放大電路輸入的低頻信號，以輸出高頻信號；
[0083]所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，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采樣,并將采樣后的低頻數(shù)字信號輸入數(shù)字隔離器;
[0084]所述數(shù)字隔離器，與所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，用于對低頻放大電路輸出的低頻信號進行隔離，并將隔離后輸出的低頻數(shù)字信號輸入所述控制處理電路；
[0085]所述變壓器，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第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0086]所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器，與所述變壓器相連，用于對變壓器隔離后輸出的高頻信號進行采樣，并將采樣后的高頻數(shù)字信號輸入控制處理電路；
[0087]所述控制處理電路，用于將所述采樣后的高頻數(shù)字信號與隔離后的低頻數(shù)字信號相加，生成隔尚后輸出信號，并輸出。
[0088]由于，本發(fā)明中第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別用于采樣低頻和高頻信號。因此，其所選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣速率要求也不同。該第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0089]由于采樣率的不同，第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)的采樣間隔比第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)的間隔大很多，所以第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)在控制處理模塊內(nèi)部需要進行插值運算，插值成和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)一樣的數(shù)據(jù)間隔。由于低速路徑的延時和高速路徑可能不同，所以對第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)進行必要的延時調(diào)節(jié)，已使高低頻數(shù)據(jù)在采樣時刻上對齊。然后進行相加運算，相加后的數(shù)據(jù)就是輸入信號的采樣數(shù)據(jù)。
[0090]基于上述原因，本發(fā)明設(shè)計所述控制處理電路如圖5所示。所述控制處理電路，包括:延時調(diào)節(jié)器、插值器和加法器；其中，
[0091]所述延時調(diào)節(jié)器，接入所述采樣后的高頻數(shù)字信號，用于對輸入的采樣后的高頻數(shù)字信號進行延時，得到延時后高頻數(shù)字信號；
[0092]所述插值器，接入所述隔離后的低頻數(shù)字信號，用于對輸入的隔離后的低頻數(shù)字信號進行插值運算，得到插值后低頻數(shù)字信號；
[0093]所述加法器，與所述延時調(diào)節(jié)器器和插值器相連接，用于將所述延時后高頻數(shù)字信號和插值后低頻數(shù)字信號相加，生成所述隔離后輸出信號。
[0094]具體實施過程中，上述控制處理電路可設(shè)置于示波器的控制處理模塊中，以簡化示波器結(jié)構(gòu)。
[0095]作為一種舉例，當(dāng)?shù)退俨蓸訑?shù)據(jù)和高速采樣數(shù)據(jù)之間沒有延時，控制處理電路可以不設(shè)延時調(diào)節(jié)器。
[0096]上述分路線性隔離電路中，利用低頻放大電路和高頻減法電路，將輸入信號分解成直流至低頻部分和低頻至高頻部分。低頻部分采用高精度的ADC進行采樣，將采樣后的數(shù)字信號經(jīng)過數(shù)字隔離器件，輸出至FPGA。高頻部分使用變壓器進行隔離，隔離后的信號經(jīng)過必要的ADC驅(qū)動電路，輸出至第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣，實現(xiàn)示波器的高采樣率和帶寬，第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出連接到FPGA。FPGA即控制處理電路，F(xiàn)PGA內(nèi)部對第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集后的信號進行必要的延時補償和插值運算，然后進行相加處理，得到輸入信號采樣后的數(shù)字信號。從而實現(xiàn)對輸入信號的線性隔離。該采樣后的數(shù)字信號對輸入信號的低頻部分具有高精確度，可以實現(xiàn)精確的電壓測量功能。如果該隔離電路使用在示波器前端，可以實現(xiàn)真正的具有電壓表功能的隔離示波器。如果在示波器輸入端增加一個可設(shè)置的電流源，還可以實現(xiàn)諸如電阻測量、通斷路測量、二極管極性測量等萬用表功能。
[0097]低頻路徑如果采用傳統(tǒng)的先隔離后采樣的方式，則需要一個高線性度的隔離器件。而且能夠?qū)崿F(xiàn)直流至低頻的隔離，目前只有線性光耦，其選擇面相對較窄。而本發(fā)明采用先采樣后隔離的方式，隔離器可以使用數(shù)字隔離器，可選擇的余地很多，目前一般的數(shù)字隔離器件的數(shù)字信號速率都能到百Mbps級別，隔離第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)沒有問題，而且很多第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出都是串行數(shù)據(jù)，如SP1、IIC接口，一般只有幾個數(shù)據(jù)線，不需要很多數(shù)字隔離器就可以實現(xiàn)。因此，本發(fā)明通過上述設(shè)計擴展了其低頻路徑中的隔離器選擇范圍。
[0098]上述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用高精度ADC，高精度第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一般選用16位以上的ADC，例如24位Σ-AADC，可以實現(xiàn)直流(DC)至幾百kHz信號的高精度采樣。24位的ADC對低頻信號進行采樣，考慮前端的噪聲等影響，如果可以實現(xiàn)18位的有效采樣位數(shù)，則可以實現(xiàn)218級(262144)精確采樣，即可以實現(xiàn)大于5位半的高精度電壓測量。由于第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了高精度ADC，因而經(jīng)該分路線性隔離電路采樣后的數(shù)字信號對輸入信號的低頻部分具有高精確度，可以實現(xiàn)精確的電壓測量功能。如果該隔離電路使用在示波器前端，可以實現(xiàn)真正的具有電壓表功能的隔離示波器。如果在示波器輸入端增加一個可設(shè)置的電流源，還可以實現(xiàn)諸如電阻測量、通斷路測量、二極管極性測量等萬用表功能。
[0099]在本實施例中，高頻變壓器采用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，只需將所述控制處理電路的增益根據(jù)數(shù)字隔離器和和變壓器中的增益進行調(diào)整，使兩路信號幅度平衡一致即可。
[0100]本發(fā)明的絕緣隔離電壓，由數(shù)字隔離器、變壓器的繞組導(dǎo)線決定。
[0101]下面以幾個具體實施例對本發(fā)明作進一步說明:[0102]實施例1
[0103]圖6為本實施例結(jié)構(gòu)圖。本實施例用于實現(xiàn)對單端信號輸入的線性隔離。
[0104]本實施例中，低頻放大電路放大器Ul選用低帶寬高精度放大器，低頻放大電路的電路形式可以有下面4種形式:
[0105]如圖7 (A)，形式1，跟隨電路，電路帶寬由放大器本身決定。
[0106]如圖7 (B)，形式2，低通跟隨電路，電路帶寬由R1、C1和放大器帶寬決定。
[0107]如圖7 (C)，形式3，先RC低通，然后放大器跟隨，電路帶寬有R、C和放大器帶寬決定。
[0108]如圖7 (D)，形式4，一個有源二階低通放大器，電路帶寬有R1、Cl、R2、C2和放大
器帶寬決定。
[0109]當(dāng)然電路也可以采用諸如多級放大器或低通濾波器級聯(lián)的方式，也可以采用大家公知的其他有源低通濾波器電路形式，并不影響本發(fā)明的創(chuàng)造性。
[0110]放大器Ul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。
[0111]高頻減法放大電路的電路形式為比例運算電路，因為低頻路徑增益為1，所以R2=R3=R4=R5，高頻路徑的增益也為I。假設(shè)信號輸入為Vin，低頻放大電路輸出為Vlf，則U2輸出 uhf=vin-vlf。
[0112]高頻減法放大電路中的放大器U2可以選用任何高速放大器，只要能夠滿足設(shè)計需要的最大帶寬和最大電壓幅度。當(dāng)然選用更大帶寬、低噪聲、低失真放大器，能夠有利于實現(xiàn)設(shè)計帶寬需求。例如ADI公司的AD8038、AD8012等。
[0113]輸入信號和低頻信號、高頻信號之間的關(guān)系如下，頻域上，加入輸入信號頻響為一條直線，如圖8 (A)0
[0114]經(jīng)過低頻放大電路后的低頻路徑頻響為低通特性，經(jīng)過減法電路，高頻路徑的頻響呈現(xiàn)高通特性，圖如圖8 (B)0本實施例中的低頻和高頻路徑的頻率結(jié)合點可能在IOkHf IOOkHz之間。當(dāng)然選用不同的放大器，和不同的帶寬設(shè)計指標(biāo)情況下，這個區(qū)間可能
會變化。
[0115]從時域分析，如果輸入信號輸入為方波，方波的頻率成分能夠覆蓋上述頻率區(qū)間。則低頻路徑和高頻路徑的輸出如圖8 (C)所示。
[0116]本實施例中的Σ-AADC (又稱Delta-Sigma調(diào)制模數(shù)轉(zhuǎn)換器)最優(yōu)方案是使用24bit的ADC，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的測量精度。如ADI公司的AD7763，為24bit、625kHz采樣率、109dB動態(tài)范圍的Σ-AADC。AD7763輸出為SPI接口，需要3路數(shù)字隔離實現(xiàn)對采樣數(shù)字信號的隔離。
[0117]本實施例中的Σ - Λ ADC和數(shù)字隔離器次優(yōu)方案，是采用ADI公司的帶隔離的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7401A。
[0118]它是一個隔離的16位Σ-Λ調(diào)制器，能夠?qū)崿F(xiàn)5000Vrms，持續(xù)時間I分鐘的隔離能力。它將輸入轉(zhuǎn)換為高速的Ibit數(shù)據(jù)流，然后經(jīng)過內(nèi)部的變壓器隔離，輸入一個20MHz頻率的時鐘MCLKIN，作為調(diào)制器的采樣時鐘，輸出Ibit數(shù)據(jù)MDAT。
[0119]這樣，只需要一個器件，就實現(xiàn)了 Σ-AADC和數(shù)字隔離器的功能，電路結(jié)構(gòu)上簡單。
[0120]當(dāng)然，使用AD7401A，需要將低頻路徑信號連接到其輸入端VIN+，將測量通道的地連接到VIN-上。
[0121]本實施例中的變壓器，為了實現(xiàn)盡可能大的帶寬，變壓器的最高工作頻率需要大于設(shè)計需求的帶寬，而且變壓器的最低工作頻率需要延伸到小于10kHz，將最低工作頻率延伸到小于10kHz，為的是和低頻路徑的工作頻率有一定的重疊，這樣低頻和高頻路徑輸出相加才能反映輸入信號。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)。其他形式的變壓器也可以，但是頻響響應(yīng)稍差。
[0122]變壓器磁芯最優(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。如越峰電子材料股份有限公司的AlO系列，如A10_T12x6x4。
[0123]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。
[0124]本實施例的傳輸線變壓器可以實現(xiàn)最低1kHz，最高200MHz的工作頻率，頻帶范圍內(nèi)幅頻響應(yīng)波動很小。
[0125]本實施例中的緩沖電路中R6為變壓器次邊的負(fù)載電阻，用于調(diào)節(jié)變壓器的幅頻響應(yīng)。選取值為1.2kQ。放大器U3選用全差分運放，以適應(yīng)第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器的差分輸入要求,選用TI公司的LMH6554，輸入、反饋電阻R7=R8=R9=R10=300Q。
[0126]本實施例中的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以選用任何滿足設(shè)計采樣率要求的ADC。如選用TI公司的8位IGsa/S的ADC,型號ADC08D1000。如選用E2V公司的8位IGsa/s的ADC,型號 AT84AD001B。
[0127]實施例2
[0128]圖9為本實施例結(jié)構(gòu)圖。
[0129]第二實施例和第一實施例的區(qū)別是，變壓器Tl的驅(qū)動和接收都采用差分方式。則高頻減法放大電路的放大器選用全差分放大器，放大器輸出為差分信號，連接到變壓器Tl原邊的兩端，用于驅(qū)動變壓器。信號輸入和低頻信號連接到差分放大電路的兩個輸入端，構(gòu)成減法電路。電阻值R2=R3=R4=R5=300 Ω。
[0130]緩沖電路連接如圖9所示，變壓器負(fù)載電阻R6連接到變壓器次邊的兩端，連接到差分放大電路的正負(fù)輸入端。
[0131]實施例3
[0132]圖10為本實施例，分路線性隔離電路的結(jié)構(gòu)圖。
[0133]本實施例提供了一種對于差分信號輸入的分路線性隔離電路。信號輸入為差分信號，低頻放大電路也采用全差分放大電路，其帶寬可以按照低頻路徑的要求選擇，也可以增加額外的低通濾波電路，來保證低頻路徑的帶寬滿足Σ-Λ ADC的信號輸入要求。如ADI公司的全差分放大器AD8476。
[0134]或使用兩個單端放大器，分別對差分輸入信號的P、N端進行低頻放大，放大器選型同實施例1，如圖11所示。
[0135]高頻減法放大電路和實施例2不同點在于，全差分放大器構(gòu)成了比例運算電路，電阻選取Rl、R2、R3、R4、R5、R6相等，均為300 Ω。這樣Ul的輸出就是輸入信號和低頻放大電路輸出的相減。
[0136]圖12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、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。
[0137]圖13為應(yīng)用本發(fā)明所設(shè)計分路線性隔離電路的示波器結(jié)構(gòu)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控制處理模塊之間串接本發(fā)明所設(shè)計的分路線性隔離電路，以實現(xiàn)信號隔離目的。一般會將分路線性隔離電路中的控制處理電路設(shè)置于示波器的控制處理模塊中，以簡化示波器結(jié)構(gòu)。
[0138]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，該數(shù)字隔離器與上述分路線性隔離電路相并聯(lián)。
[0139]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，以將其差分信號轉(zhuǎn)換為單端信號，供分路線性隔離電路使用。
[0140]本發(fā)明所設(shè)計的分路線性隔離電路及其示波器，通過將輸入信號分成低頻和高頻兩部分，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200MHz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；經(jīng)過該示波器采樣后的數(shù)字信號對輸入信號的低頻部分具有高精確度，可以實現(xiàn)精確的電壓測量功能。如果該隔離電路使用在示波器前端，可以實現(xiàn)真正的具有電壓表功能的隔離示波器。如果在示波器輸入端增加一個可設(shè)置的電流源，還可以實現(xiàn)諸如電阻測量、通斷路測量、二極管極性測量等萬用表功能。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】
1.一種分路線性隔離電路，其特征在于，包括:低頻放大電路、第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字隔離器、高頻減法放大電路、變壓器、第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器和控制處理電路； 輸入信號分別輸入所述低頻放大電路和高頻減法放大電路的正輸入端； 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第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器和高頻減法放大電路的負(fù)輸入端； 所述高頻減法電路，用于將所述輸入的輸入信號減去所述低頻放大電路輸入的低頻信號，以輸出高頻信號； 所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，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采樣，并將采樣后的低頻數(shù)字信號輸入數(shù)字隔離器； 所述數(shù)字隔離器，與所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，用于對低頻放大電路輸出的低頻信號進行隔離，并將隔離后輸出的低頻數(shù)字信號輸入所述控制處理電路； 所述變壓器，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第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器，與所述變壓器相連，用于對變壓器隔離后輸出的高頻信號進行采樣，并將采樣后的高頻數(shù)字信號輸入控制處理電路； 所述控制處理電路，用于將所述采樣后的高頻數(shù)字信號與隔離后的低頻數(shù)字信號相加，生成隔離后輸出信號，并輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的分路線性隔離電路，其特征在于:還包括緩沖電路，位于所述變壓器和所述第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間，用于增強所述隔離后輸出的高頻信號，以驅(qū)動第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
3.如權(quán)利要求1所述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；該變壓器的初級繞組和次級繞組采用雙絞線、平行線或同軸線。
4.如權(quán)利要求1所述的分路線性隔離電路，其特征在于: 所述變壓器為1:1變壓器。
5.如權(quán)利要求1所述的分路線性隔離電路，其特征在于:所述控制處理電路，包括:插值器和加法器；其中， 所述插值器，接入所述隔離后的低頻數(shù)字信號，用于對輸入的隔離后的低頻數(shù)字信號進行插值運算，得到插值后低頻數(shù)字信號； 所述加法器，用于將所述采樣后的高頻數(shù)字信號和插值后低頻數(shù)字信號相加，生成所述隔離后輸出信號。
6.如權(quán)利要求1所述的分路線性隔離電路，其特征在于:所述控制處理電路，包括:延時調(diào)節(jié)器、插值器和加法器；其中， 所述延時調(diào)節(jié)器，接入所述采樣后的高頻數(shù)字信號，用于對輸入的采樣后的高頻數(shù)字信號進行延時，得到延時后高頻數(shù)字信號； 所述插值器，接入所述隔離后的低頻數(shù)字信號，用于對輸入的隔離后的低頻數(shù)字信號進行插值運算，得到插值后低頻數(shù)字信號； 所述加法器，與所述延時調(diào)節(jié)器和插值器相連接，用于將所述延時后高頻數(shù)字信號和插值后低頻數(shù)字信號相加，生成所述隔離后輸出信號。
7.如權(quán)利要求1、5或6所述的分路線性隔離電路，其特征在于: 所述第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
8.一種具有分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、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控制處理模塊之間串接有權(quán)利要求1至6中任意一種分路線性隔離電路，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，該數(shù)字隔離器與所述分路線性隔離電路并聯(lián)。
9.如權(quán)利要求8所述的具有分路線性隔離電路的示波器，其特征在于:所述可編程放大器和控制處理器之間串接的分路線性隔離電路中，控制處理電路設(shè)置于所述控制處理模塊中。
10.如權(quán)利要求8所述的具有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；在該可編程放大器與所述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 號轉(zhuǎn)換為單端信號。
【文檔編號】G01R15/18GK103884893SQ201210559700
【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, 嚴(yán)波, 王悅, 王鐵軍, 李維森 申請人:北京普源精電科技有限公司