一種數(shù)字示波器隔離通道電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于數(shù)字示波器【技術領域】，具體公開了一種數(shù)字示波器隔離通道電路。所述數(shù)字示波器隔離通道電路，包括無源衰減網(wǎng)絡電路、阻抗變換電路、數(shù)控增益放大電路和隔離電路，隔離電路包括電源隔離電路、數(shù)字隔離電路和模擬信號隔離電路，分別用于實現(xiàn)電源和地、數(shù)字控制信號、以及模擬輸入信號的隔離。本發(fā)明采用磁電隔離技術，實現(xiàn)數(shù)字示波器輸入端和輸出端之間的完全電氣隔離，隔離安全等級達1000V?CATII；測量帶寬從DC到200MHz，并保持平坦的幅頻響應；垂直靈敏度范圍從2mV/div到100V/div；本發(fā)明中的數(shù)字示波器隔離通道電路具有隔離帶寬大、浮動隔離安全等級高、動態(tài)范圍大、測量精度高、線性度好等優(yōu)點。
【專利說明】一種數(shù)字示波器隔離通道電路
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于數(shù)字示波器【技術領域】，具體涉及一種數(shù)字示波器隔離通道電路。
【背景技術】
[0002]信號隔離技術是使模擬信號在發(fā)送時不存在穿越發(fā)送端和接收端之間屏障的電流連接，允許發(fā)送端和接收端的地電位的差值高達幾千伏，可以防止可能損害信號的不同的地電位之間的環(huán)路電流；同時可以產(chǎn)生一個對操作人員不安全信號的隔離，提高數(shù)字示波器的安全性。然而國內(nèi)數(shù)字示波器的通道多數(shù)采用非隔離設計，雖然帶寬較高，但未與大地隔離，模擬信號在發(fā)送時存在穿越發(fā)送端和接收端之間屏障的電流連接，使得數(shù)字示波器的安全性差，對被測對象和操作人員存在一定的安全隱患?，F(xiàn)有的隔離通道數(shù)字示波器一般采用光電耦合器實現(xiàn)，光電隔離是通過半導體發(fā)光二極管的光發(fā)射和光敏半導體的光接收來實現(xiàn)信號的傳遞，由于發(fā)光二極管和光敏半導體是互相絕緣的，從而實現(xiàn)了電路的隔離。實際應用中，由于光電耦合器的線性度很差，需要使用反饋技術進行校準，其線性隔離帶寬一般只有幾MHz，難以滿足測試的需求。
[0003]圖1為現(xiàn)有技術中數(shù)字示波器的隔離通道的實現(xiàn)框圖。由圖1可知，數(shù)字示波器的隔離通道采用磁電隔離技術，即隔離DC/DC實現(xiàn)電源和地的隔離；采用光電隔離技術實現(xiàn)信號和控制的隔離，其中采用數(shù)字光電隔離器，即光電耦合器實現(xiàn)示波器通道數(shù)字控制信號的隔離，采用模擬光電隔離器，即光電耦合器和放大器實現(xiàn)示波器通道模擬輸出信號的隔尚。
[0004]采用光電耦合器實現(xiàn)光電隔離的技術，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)輸入和輸出之間在電氣上的相互絕緣，但是由于光電耦合器的非線性和隨溫度變化性，隔離模擬信號時，會使信號產(chǎn)生很大的失真，即使通過采用反饋與校準技術進行補償，也只能保證幾MHz頻率信號的線性度和準確度，因此，采用光電耦合器實現(xiàn)信號隔離的數(shù)字示波器，其帶寬較小，一般就有幾MHz,電壓測量的準確度低，線性度和通道的頻率響應一致性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提出一種數(shù)字示波器隔離通道電路，通過磁電隔離技術實現(xiàn)數(shù)字不波器輸入端和輸出端之間的完全電氣隔離。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案:
[0007]一種數(shù)字示波器隔離通道電路，包括無源衰減網(wǎng)絡電路、阻抗變換電路、數(shù)控增益放大電路和隔離電路，無源衰減網(wǎng)絡電路的輸出端與阻抗變換電路的輸入端相連，阻抗變換電路的輸出端與數(shù)控增益放大電路的輸入端相連，所述隔離電路包括:
[0008]電源隔離電路，通過磁電隔離實現(xiàn)電源和地的隔離，并為無源衰減網(wǎng)絡電路、阻抗變換電路和數(shù)控增益電路供電；
[0009]數(shù)字隔離電路，用于實現(xiàn)數(shù)字控制信號的磁電隔離，并對數(shù)控增益放大電路進行控制；[0010]模擬信號隔離電路，接收來自數(shù)控增益放大電路輸出端的信號并對該模擬信號進行調(diào)理，由模擬信號隔離電路的輸出端輸出信號。
[0011]進一步，所述電源隔離電路采用G0505S-2W系列隔離DC/DC模塊。
[0012]進一步，所述數(shù)字隔離電路采用ADUM4400系列數(shù)字隔離器。
[0013]進一步，所述模擬信號隔離電路采用CM1200系列線性隔離放大器；所述CM1200系列線性隔離放大器內(nèi)部集成有輸入、輸出放大器、調(diào)制解調(diào)器和信號耦合變壓器。
[0014]進一步，所述無源衰減網(wǎng)絡電路，包括電容的分壓補償網(wǎng)絡、磁保持繼電器和精密電阻；所述磁保持繼電器采用繞組閉鎖型雙刀雙擲繼電器。
[0015]進一步，所述阻抗變換電路包括運算放大器、場效應管和三極管。
[0016]進一步，電源電壓由電源隔離電路的非隔離端輸入，經(jīng)過電源隔離電路對該電源電壓進行磁電隔離，從電源隔離電路的隔離端輸出并轉(zhuǎn)換為三路供電電壓，分別為前端的無源衰減網(wǎng)絡電路、阻抗變換電路、數(shù)控增益電路供電；
[0017]來自FPGA的數(shù)控增益放大器的控制信號由數(shù)字隔離電路的非隔離端輸入，經(jīng)過數(shù)字隔離電路對所述控制信號進行磁電隔離，數(shù)字隔離電路的隔離端輸出經(jīng)過磁電隔離后的控制信號并將該信號輸入到數(shù)控增益放大電路中，實現(xiàn)對數(shù)控增益放大電路的控制；
[0018]模擬信號隔離電路的隔離端接收來自數(shù)控增益放大電路輸出端的模擬信號并對該模擬信號進行調(diào)理，然后由模擬信號隔離電路的輸出端輸出信號到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采集。
[0019]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0020]本發(fā)明采用磁電隔離技術，實現(xiàn)數(shù)字示波器輸入端和輸出端之間的完全電氣隔離，隔離安全等級達1000V CATII ;測量帶寬從DC到200MHz，并保持平坦的幅頻響應；垂直靈敏度范圍從2mV/div到lOOV/div;本發(fā)明中的數(shù)字示波器隔離通道電路具有隔離帶寬大、浮動隔離安全等級高、動態(tài)范圍大、測量精度高、線性度好等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為現(xiàn)有技術中數(shù)字示波器的隔離通道的實現(xiàn)框圖；
[0022]圖2為本發(fā)明中數(shù)字示波器的隔離通道的實現(xiàn)框圖；
[0023]圖3為圖2中無源衰減網(wǎng)絡電路圖；
[0024]圖4為圖2中阻抗變換電路圖；
[0025]圖5為圖2中數(shù)控增益放大電路圖；
[0026]圖6為圖2中電源隔離電路圖；
[0027]圖7為圖2中數(shù)字隔離電路圖；
[0028]圖8為圖2中模擬信號隔離電路圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明:
[0030]結(jié)合圖2所示，一種數(shù)字示波器隔離通道電路，包括無源衰減網(wǎng)絡電路、阻抗變換電路、數(shù)控增益放大電路、隔離電路。
[0031]如圖3所示，無源衰減網(wǎng)絡電路包括磁保持繼電器、精密電阻和電容的分壓補償網(wǎng)絡，用于將大功率的信號進行1: 1、10:1或100:1的衰減，實現(xiàn)數(shù)字示波器示波表200mV/div?lOOV/div的垂直靈敏度范圍。圖3中，SO是無源衰減網(wǎng)絡電路的輸入端，即數(shù)字示波器通道的輸入端，SI是無源衰減網(wǎng)絡電路的輸出端，與阻抗變換電路的輸入端相連。磁保持繼電器優(yōu)選采用繞組閉鎖型雙刀雙擲繼電器，該繼電器具有世界最小級別的封裝面積與高度，重量輕，帶寬達1GHz。
[0032]如圖4所示，阻抗變換電路具體作用是將輸入阻抗變高，一般ΜΩ級別，將輸出阻抗變低，一般為50 Ω，其目的是為了隔離前后級電路間的影響，增加后級電路的驅(qū)動能力，同時減小后級寬帶放大器的直流偏置和電壓噪聲。阻抗變換電路包括一個運算放大器AMP、兩個場效應管Tl、T3、一個三極管T2以及一些阻容元件組成，SI是圖3無源衰減網(wǎng)絡電路的輸出端，S2是阻抗變換電路的輸出端，與數(shù)控增益放大電路的輸入端相連。高頻交流通路的設計利用場效應管Tl高輸入阻抗的特點，作為輸入級實現(xiàn)高阻輸入，同時由場效應管T3構(gòu)成恒流源電路以調(diào)節(jié)Tl的靜態(tài)工作點；同時信號經(jīng)過三極管T2構(gòu)成低阻輸出，實現(xiàn)了高頻交流通路的阻抗變換；低頻直流通路的設計采用精密運算放大器AMP來實現(xiàn)。
[0033]如圖5所示，數(shù)控增益放大電路主要對不同幅度的信號進行衰減或放大，實現(xiàn)數(shù)字示波器示波表2mV/diV-100mV/diV的垂直靈敏度范圍，S3是數(shù)控增益放大電路的輸出端。數(shù)控增益放大電路優(yōu)選采用LMH6518來實現(xiàn)，SCLK、CS、SD10為來自數(shù)字隔離電路的控制信號，用于控制該數(shù)控增益放大電路。該數(shù)控增益放大電路通過數(shù)字接口對信號的幅度進行控制，具有很高的線性度和良好的抗干擾能力，插入損耗小等特點。
[0034]隔離電路主要由電源隔離電路、數(shù)字隔離電路、模擬信號隔離電路三個部分組成，分別用于實現(xiàn)電源和地、數(shù)字控制信號、以及模擬輸入信號的隔離。
[0035]如圖6所示，電源隔離電路優(yōu)選采用G0505S-2W系列隔離DC/DC模塊，該模塊輸入+5V電源，通過變壓器的磁電隔離實現(xiàn)電源和地的隔離，隔離安全等級6000Vdc CATI。+5V輸入電壓由電源隔離電路的非隔離端輸入，經(jīng)過電源隔離電路對該+5V輸入電壓進行磁電隔離，從電源隔離電路的隔離端輸出并轉(zhuǎn)換為三路供電電壓，分別為前端的無源衰減網(wǎng)絡電路、阻抗變換電路、數(shù)控增益電路供電，G0505S-2W系列隔離DC/DC模塊的輸出電壓± 5V、輸出電流± 200mA。
[0036]如圖7所示，數(shù)字隔離電路優(yōu)選采用ADUM4400系列數(shù)字隔離器，用于實現(xiàn)開關控制信號、增益控制信號等數(shù)字控制信號磁電隔離，隔離安全等級5000Vrms CATI。來自FPGA的數(shù)控增益放大器的控制信號FPGA_CS、FPGA_SCLK、FPGA_SD10由數(shù)字隔離電路的非隔離端輸入，經(jīng)過數(shù)字隔離電路對上述三個控制信號進行磁電隔離，數(shù)字隔離電路的隔離端輸出與控制信號FPGA_CS、FPGA_SCLK、FPGA_SDIO分別對應的CS、SCLK、SD10控制信號并輸入到數(shù)控增益放大電路中，實現(xiàn)對數(shù)控增益放大電路的控制。
[0037]如圖8所示，模擬信號隔離電路優(yōu)選采用線性隔離放大器CIM1200實現(xiàn)，隔離帶寬200MHz，隔離安全等級1000V CATI10模擬信號隔離電路的隔離端接收來自數(shù)控增益放大電路輸出端的信號，經(jīng)過內(nèi)部集成的輸入、輸出放大器、調(diào)制解調(diào)器、信號耦合變壓器等器件調(diào)理，然后由模擬信號隔離電路的輸出端S4輸出信號，經(jīng)過輸出端S4輸出的信號可以直接送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采集。隔離端的供電電源±5V由隔離電源的輸出提供，非隔離端的供電電源由示波器的電源提供。CIM1200采用磁耦合的方法，使放大器的輸出和輸入之間沒有電氣聯(lián)系；具有完全浮動的輸入和隔離的輸出端，具有良好的線性度和穩(wěn)定性，較高的隔離電壓和共模抑制比，有效的解決了現(xiàn)有的模擬光電隔離器帶來的數(shù)字示波器的帶寬小、線性度差、測量精度低等缺點。
[0038]當然，以上說明僅僅為本發(fā)明的較佳實施例，本發(fā)明并不限于列舉上述實施例，應當說明的是，任何熟悉本領域的技術人員在本說明書的教導下，所做出的所有等同替代、明顯變形形式，均落在本說明書的實質(zhì)范圍之內(nèi)，理應受到本發(fā)明的保護。
【權(quán)利要求】
1.一種數(shù)字示波器隔離通道電路，包括無源衰減網(wǎng)絡電路、阻抗變換電路、數(shù)控增益放大電路和隔離電路，無源衰減網(wǎng)絡電路的輸出端與阻抗變換電路的輸入端相連，阻抗變換電路的輸出端與數(shù)控增益放大電路的輸入端相連，其特征在于，所述隔離電路包括: 電源隔離電路，通過磁電隔離實現(xiàn)電源和地的隔離，并為無源衰減網(wǎng)絡電路、阻抗變換電路和數(shù)控增益電路供電； 數(shù)字隔離電路，用于實現(xiàn)數(shù)字控制信號的磁電隔離，并對數(shù)控增益放大電路進行控制； 模擬信號隔離電路，接收來自數(shù)控增益放大電路輸出端的信號并對該模擬信號進行調(diào)理，由模擬信號隔離電路的輸出端輸出信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字示波器隔離通道電路，其特征在于，所述電源隔離電路采用G0505S-2W系列隔離DC/DC模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字示波器隔離通道電路，其特征在于，所述數(shù)字隔離電路采用ADuM4400系列數(shù)字隔離器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字示波器隔離通道電路，其特征在于，所述模擬信號隔離電路采用CIM1200系列線性隔離放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種數(shù)字示波器隔離通道電路，其特征在于，所述CIM1200系列線性隔離放大器內(nèi)部集成有輸入、輸出放大器、調(diào)制解調(diào)器和信號耦合變壓器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字示波器隔離通道電路，其特征在于，所述無源衰減網(wǎng)絡電路，包括電容的分壓補償網(wǎng)絡、磁保持繼電器和精密電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種數(shù)字示波器隔離通道電路，其特征在于，所述磁保持繼電器采用繞組閉鎖型雙刀雙擲繼電器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字示波器隔離通道電路，其特征在于，所述阻抗變換電路包括運算放大器、場效應管和三極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字示波器隔離通道電路，其特征在于， 電源電壓由電源隔離電路的非隔離端輸入，經(jīng)過電源隔離電路對該電源電壓進行磁電隔離，從電源隔離電路的隔離端輸出并轉(zhuǎn)換為三路供電電壓，分別為前端的無源衰減網(wǎng)絡電路、阻抗變換電路、數(shù)控增益電路供電； 來自FPGA的數(shù)控增益放大器的控制信號由數(shù)字隔離電路的非隔離端輸入，經(jīng)過數(shù)字隔離電路對所述控制信號進行磁電隔離，數(shù)字隔離電路的隔離端輸出經(jīng)過磁電隔離后的控制信號并將該信號輸入到數(shù)控增益放大電路中，實現(xiàn)對數(shù)控增益放大電路的控制； 模擬信號隔離電路的隔離端接收來自數(shù)控增益放大電路輸出端的模擬信號并對該模擬信號進行調(diào)理，然后由模擬信號隔離電路的輸出端輸出信號到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采集。
【文檔編號】G01R13/02GK103487624SQ201310410282
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】劉洪慶, 李云彬, 郭同華, 陳秋偉, 孫龍 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所