專利名稱：示波器垂直輸入通道保護器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電路保護器，尤其涉及一種用于測量快速大幅度信號的示 波器垂直輸入通道保護器。
背景技術：
快脈沖射線物理測量中， 一個信號的幅度往往從mV級到幾kV。很多情況下， 除需要測量這種大幅度信號的全波形外，還特別需要對其mV量級的起始段進行 測量。而對信號起始段的測量是不能使用衰減器的。這種情況下，示波器的垂 直靈敏度需要設置得較高，因而示波器垂直輸入通道就特別容易損壞。
目前，電學測量中常采用二類保護電路 一類是如圖1所示的保險管加電 阻衰減網絡。在此電路中，保險管是熱熔性器件，能承受較大沖擊電流，但反 應速度較慢，因而經常損壞電阻衰減網絡。另一類是如圖2所示的瞬變電壓抑 制二極管TVS (Transient Voltage Suppressor)保護電路。在此電路中，TVS 管兩端受瞬間大電流沖擊時能以快達10—12秒的速度使其阻抗驟然降低，吸收流 過的大電流，并將其兩端間的電壓箝位在一個較低值，從而使后面電路的元件 免受瞬態(tài)大電流的沖擊而損壞，被廣泛應用于對電路元件進行快速過電壓保護。 但通過實際電路實驗可知，TVS適合于防止雷擊、電力設備起停等大浪涌電流的 瞬間干擾，卻不適合于快脈沖大幅度信號測量時用于對示波器垂直輸入通道的 保護。
《儀器儀表學報》2008年第29巻第4期公開了一種利用二極管的開關特性 的示波器垂直輸入通道保護電路。在二極管兩端，當信號大于二極管的正向導 通電壓時，二極管起開關作用，泄放電流，從而保護后面的元器件。開關二極 管正向導通時，存在一個幾歐姆到幾十歐姆的微變電阻。該微變電阻值與原電 路的特性阻抗不一致，信號在此產生負反射，使輸入信號畸變，影響測量結果， 因此該保護電路設置了阻抗匹配網絡。但當二極管兩端信號較小而保護電路不 發(fā)生作用時，該匹配網絡卻使原電路的阻抗增加，改變了原電路的特性阻抗， 信號在此產生正反射，同樣使輸入信號畸變，影響測量結果。經實驗證明，在輸入信號較小而不發(fā)生保護作用時，整個保護電路對被測信號有約8%的正反 射。同時，由于串聯在電路中，不論是否發(fā)生保護作用，該阻抗匹配網絡都提 高了整個保護電路的保護閾值。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的是提供一種可根據實際需要設定保護閾值、不改變原有電路的 特性阻抗以及對輸入信號不產生畸變的示波器垂直輸入通道保護器，其解決了 現有示波器垂直輸入通道保護電路存在的保護閾值高、改變了原電路的特性阻 抗以及對輸入信號產生畸變的技術問題。
本發(fā)明的技術解決方案為-
一種示波器垂直輸入通道保護器，包括可向示波器垂直輸入通道保護器提
供直流電源的直流電源模塊U5、放大電路U4;其特殊之處在于其還包括固定
衰減器U1、保護管D、阻抗匹配網絡U2和偏置調節(jié)電路U3;
所述固定衰減器Ul的一端作為示波器垂直輸入通道保護器的正向輸入端， 另一端接放大電路U4的正向輸入端，其用于衰減因輸入信號較大而保護管D導 通時微變電阻產生的負反射；
所述阻抗匹配網絡U2的兩端與放大電路U4的兩個輸入端并聯，用于消除 當輸入信號較小而保護管D不起作用時因放大電路U4和保護管D引入的阻抗增 加而產生的正反射；
所述偏置調節(jié)電路U3的一端接直流電源電路U5，另一端接放大電路U4的 正向輸入端，用于使示波器垂直輸入通道保護器在無信號輸入時輸出為零；
所述保護管D為高頻開關二極管，其兩端與放大電路U4的兩個輸入端并聯， 用于在示波器垂直輸入通道保護器在輸入信號較大時使放大器的輸入箝位在該 高頻開關二極管的正向導通電壓；
所述放大電路U4的反向輸入端接地，其輸出端作為示波器垂直輸入通道保 護器的輸出端，用于放大被固定衰減器U1衰減后的輸入信號，其放大倍數與衰 減倍數相同。
上述直流電源模塊U5包括雙極性開關直流電源(+VCC/-VCC)和電源極性 選擇開關。
上述阻抗匹配網絡U2為匹配電阻R3;所述偏置調節(jié)電路U3包括串聯的調節(jié)電阻R4和微調電阻Rw;所述放大電路U4包括集成運算放大器A、放大電阻 Rl和反饋電阻R2，所述放大電阻Rl連接在集成運算放大器A的正向輸入端， 所述反饋電阻R2連接在集成運算放大器A的輸出端和正向輸入端之間。 上述固定衰減器U1為貼片式衰減器。
上述保護管D為高頻開關二極管MIMA141KT1-D，所述集成運算放大器A為 集成運算放大器THS3201。 本發(fā)明的技術效果為
1、 本發(fā)明在保護器輸入端使用固定衰減器，保護管導通時微變電阻產生的 負反射信號被固定衰減器衰減，從而使保護器不會對被測信號的幅度和前、后 沿產生影響。
2、 信號不產生正反射。本發(fā)明加入了阻抗匹配網絡和使用了由集成運算放 大器構成的放大電路，有效解決了當輸入信號較小而保護器不發(fā)生保護作用時 阻抗匹配與信號衰減的問題。
3、 由于所選器件帶寬較高，本發(fā)明保護器可在DC 200MHz的頻帶內可靠 工作。
4、 只要輸入信號大于所設定的保護閾值，本發(fā)明保護器都能正常工作，因 而可對示波器垂直輸入通道進行有效保護。
5、 降低成本。由于現有高端示波器因垂直輸入通道損壞的維修費用均在上 萬元，所以本發(fā)明可節(jié)省大量經費，降低使用成本。


圖1為現有保險管加電阻衰減網絡原理框圖2為現有TVS管保護電路原理框圖3為本發(fā)明示波器垂直輸入通道保護器原理框圖4為本發(fā)明示波器垂直輸入通道保護器實施例電路附圖標記Rl-放大電阻，R2-反饋電阻，R3-匹配電阻，R4-調節(jié)電阻，Rw-微調電阻，U1-固定衰減器，U2-阻抗匹配網絡，U3-偏置調節(jié)電路，U4-放大電 路，U5-直流電源模塊，D-保護管，A-集成運算放大器，+VCC/-VCC-雙極性開關 直流電源。
具體實施方式
本發(fā)明示波器垂直輸入通道保護器，參見圖3，包括固定衰減器m、阻抗
匹配網絡U2、偏置調節(jié)電路U3、保護管D、放大電路U4和向保護器提供直流電 源的直流電源模塊U5。
參見圖4，固定衰減器Ul作為示波器垂直輸入通道保護器的正向輸入端， 用于衰減因輸入信號較大而保護管D導通時微變電阻產生的負反射。考慮到保 護器的體積大小，固定衰減器U1可采用貼片式器件。因為保護管采用開關二極 管，其正向導通時存在的幾歐姆到幾十歐姆的微變電阻與原電路的特性阻抗不 一致，被測信號在此產生負反射，使輸入信號畸變，所以衰減器用來將該負反 射進行衰減，消除負反射對輸入的被測信號的影響。衰減器的衰減倍數可按實 際需要的保護閾值進行設定。保護閾值為衰減倍數與二極管導通電壓的乘積。
阻抗匹配網絡U2為一個純電阻，即匹配電阻R3，設置在固定衰減器U1之 后，與保護管D及放大電路U4的輸入端并聯，用于消除當輸入信號較小而保護 管D不起作用時放大電路U4和保護管D引入的阻抗增加而產生的正反射，使整 個保護器的輸入阻抗與測量電路的阻抗相匹配。同軸電纜測量線的特性阻抗有 50Q和75Q之分，通常為50Q，匹配電阻R3通常也選用50Q。
偏置調節(jié)電路U3包括串聯的固定電阻R4和微調電阻Rw;其設置在直流電 源電路U5和阻抗匹配網絡U2之間，用于使保護器在無信號輸入時輸出為零， 即基線保持平衡；調節(jié)電阻R4用于粗調，其值為100kQ左右；微調電阻Rw用 于微調，其值為10kQ左右。
保護管D為高頻開關二極管MIMA141KT1-D，其兩端與放大電路U4的兩個輸 入端并聯，用于使保護器在輸入信號較大時使放大器的輸入箝位在該二極管的 正向導通電壓，從而保護后端的示波器垂直輸入通道。
放大電路U4用于放大被固定衰減器Ul衰減了的輸入信號。為了使輸入測 信號不被衰減，放大電路的放大倍數與衰減器的衰減倍數相同。放大電路U4包 括集成運算放大器THS3201、放大電阻Rl和反饋電阻R2，放大電阻Rl連接在 集成運算放大器A的正向輸入端，反饋電阻R2連接在集成運算放大器A的輸出 端和正向輸入端之間。
直流電源模塊U5具體采用士5V、 lOOmA高精度雙極性開關直流電源供電，并 設計了電源極性選擇開關；調試時，如果保護器輸出信號發(fā)生正向偏置時，偏置電源接雙極性開關直流電源的負電源-VCC;如果保護器輸出信號發(fā)生負向偏
置時，偏置電源接雙極性開關直流電源的正電源vcc。
當衰減倍數為5時，Rl取100Q， R2取399Q， R3取50Q, R4取100kQ， Rw取10kQ可組成一個保護閾值為3. 5V的示波器垂直輸入通道保護器。
權利要求
1、一種示波器垂直輸入通道保護器，包括可向示波器垂直輸入通道保護器提供直流電源的直流電源模塊(U5)、放大電路(U4)；其特征在于其還包括固定衰減器(U1)、保護管(D)、阻抗匹配網絡(U2)和偏置調節(jié)電路(U3)；所述固定衰減器(U1)的一端作為示波器垂直輸入通道保護器的正向輸入端，另一端接放大電路(U4)的正向輸入端，其用于衰減因輸入信號較大而保護管(D)導通時微變電阻產生的負反射；所述阻抗匹配網絡(U2)的兩端與放大電路(U4)的兩個輸入端并聯，用于消除當輸入信號較小而保護管(D)不起作用時因放大電路(U4)和保護管(D)引入的阻抗增加而產生的正反射；所述偏置調節(jié)電路(U3)的一端接直流電源電路(U5)，另一端接放大電路(U4)的正向輸入端，用于使示波器垂直輸入通道保護器在無信號輸入時輸出為零；所述保護管(D)為高頻開關二極管，其兩端與放大電路(U4)的兩個輸入端并聯，用于在示波器垂直輸入通道保護器在輸入信號較大時使放大器的輸入箝位在該高頻開關二極管的正向導通電壓；所述放大電路(U4)的反向輸入端接地，其輸出端作為示波器垂直輸入通道保護器的輸出端，用于放大被固定衰減器U1衰減后的輸入信號，其放大倍數與衰減倍數相同。
2、 根據權利要求1所述的示波器垂直輸入通道保護器，其特征在于所述 直流電源模塊(U5)包括雙極性開關直流電源(+VCC/-VCC)和電源極性選擇開 關。
3、 據權利要求1或2所述的示波器垂直輸入通道保護器，其特征在于所 述阻抗匹配網絡(U2)為匹配電阻(R3);所述偏置調節(jié)電路(U3)包括串聯的 調節(jié)電阻(R4)和微調電阻(Rw);所述放大電路(U4)包括集成運算放大器(A)、 放大電阻(Rl)和反饋電阻(R2)，所述放大電阻(Rl)連接在集成運算放大器(A)的正向輸入端，所述反饋電阻(R2)連接在集成運算放大器(A)的輸出 端和正向輸入端之間。
4、 根據權利要求3所述的示波器垂直輸入通道保護器，其特征在于所述固定衰減器(Ul)為貼片式衰減器。
5、根據權利要求3所述的示波器垂直輸入通道保護器，其特征在于所述保護管(D)為高頻開關二極管MIMA141KT1-D，所述集成運算放大器(A)為集 成運算放大器THS3201。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種示波器垂直輸入通道保護器，包括可向示波器垂直輸入通道保護器提供直流電源的直流電源模塊、放大電路；固定衰減器、保護管、阻抗匹配網絡和偏置調節(jié)電路；本發(fā)明目的是提供一種可根據實際需要設定保護閾值、不改變原有電路的特性阻抗以及對輸入信號不產生畸變的示波器垂直輸入通道保護器，其解決了現有示波器垂直輸入通道保護電路存在的保護閾值高、改變了原電路的特性阻抗以及對輸入信號產生畸變的技術問題。本發(fā)明示波器垂直輸入通道保護器不會對被測信號的幅度和前、后沿產生影響，也解決了當輸入信號較小而保護器不發(fā)生保護作用時阻抗匹配與信號衰減的問題。
文檔編號G01R1/00GK101592679SQ20091002321
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月7日 優(yōu)先權日2009年7月7日
發(fā)明者李顯寶, 渠紅光, 耕 田, 阮林波 申請人:西北核技術研究所