CN101650378A

CN101650378A - 一种数字隔离通道示波器及数字示波器通道隔离系统

Info

Publication number: CN101650378A
Application number: CN200910086226A
Authority: CN
Inventors: 戴戈
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-02-17

Abstract

本发明公开了一种数字示波器通道隔离系统。所述数字示波器通道隔离系统包括：模数转换单元、采样与存储控制单元、光隔离单元、成像及显示控制单元；所述模数转换单元、采样与存储控制单元、光隔离单元以及成像及显示控制单元依次串联。所述数字隔离通道示波器，包括：模拟前端、成像及显示控制单元、显示单元、模数转换单元、采样与存储控制单元、光隔离单元；所述模拟前端、模数转换单元、采样与存储控制单元、光隔离单元、成像及显示控制单元、显示单元依次串联。本发明的带宽、采样率等指标与隔离与否无关；可完全满足数字信号链路的需求，节约成本；不存在信号链路上的寄生耦合现象，通道之间的隔离度仅取决于隔离电源的隔离度。

Description

一种数字隔离通道示波器及数字示波器通道隔离系统

技术领域

本发明涉及电工技术的电子测量仪器领域，特别涉及一种数字示波器及数字示波器通道隔离系统。

背景技术

示波器是最常用的电子测量仪器之一。传统的示波器由于每个通道均共地，因此只能用于参照接地的测量。对于高共模信号以及对地存在高于安全电压的信号，最合适的测量工具是隔离通道示波器。该示波器的通道之间以及通道对地均是电气隔离的，具有很高的安全性及共模抑制比，因此在强电、高压等领域，隔离通道示波器得到了广泛应用。

传统的隔离通道示波器通常采用隔离放大器实现，该放大器放置于模拟前端的后面，AD转换器的前面，这样可以实现每个通道以及对地的电气隔离。这种模拟隔离的方法具有实现简单的优点，其缺点是目前的工艺水平决定了光隔离线性放大器线性度和频带特性均较差，使得隔离通道示波器的性能远低于普通示波器。

当前市场上隔离通道示波器的性能普遍较低。如美国泰克公司，目前其示波器产品线分为DPO4000、DPO70000、TDS1000、TPS2000等系列，其中只有TPS2000系列示波器为通道隔离示波器，其它系列均为非隔离共地结构。其中，以数字示波器最关键的两项技术指标：采样率及模拟带宽来看，性能指标最高的DPO70000系列示波器已达到了50GSa/s及20GHz，而TPS2000系列隔离示波器中性能最高的TPS2024的相应指标仅为2GSa/s及200MHz。

图1为传统的通道隔离示波器的原理框图。在此以两通道为例。图1中，被测信号从CH1及CH2输入，经过模拟前端调理放大后进入隔离放大器。隔离放大器实现了左右两端模拟信号的电气隔离，而后隔离后的信号送入模数转换器转换为数字信号，送入处理器实现存储、成像、显示及控制等功能。由于通道隔离的需要，示波器的电源被分为了三个彼此电气隔离的区域，由隔离电源产生。

由此可见，决定隔离示波器性能的关键部件为隔离放大器。常用的隔离放大器的隔离方法有电容隔离、磁耦合以及光耦合。但是，目前的工艺水平决定着几种方法的线性度和频带特性远差于普通放大器。而且，由于隔离放大器存在着前后级间严重的寄生耦合现象，这将导致传统隔离示波器通道之间的交流隔离特性很差。这就是当前隔离示波器性能低下的根本原因。

发明内容

为了克服现有技术中采用隔离放大器的方法存在的目前的工艺水平决定了光隔离线性放大器线性度和频带特性均较差，使得隔离通道示波器的性能远低于普通示波器，隔离放大器存在着前后级间严重的寄生耦合现象，导致传统隔离示波器通道之间的交流隔离特性很差；当前市场上隔离通道示波器的性能普遍较低的这些技术问题，本发明提供了一种数字示波器及数字示波器通道隔离系统。

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案为：提供了一种数字示波器通道隔离系统，包括：用于将输入信号转换为数字信号，并将数字信号送入采样与存储控制器的模数转换单元；用于对数字信号进行采样并存储的采样与存储控制单元；用于通过将数字信号转换为光再重新转换为电以实现电气隔离的光隔离单元；用于将存储的信号处理为波形图像的成像及显示控制单元；所述模数转换单元、采样与存储控制单元、光隔离单元以及成像及显示控制单元依次串联。

根据本发明数字示波器通道隔离系统的一优选技术方案：所述光隔离单元由两个光收发器及其之间连接的光导材料组成。

根据本发明数字示波器通道隔离系统的一优选技术方案：所述光收发器是激光收发器或普通光收发器。

本发明提供了一种数字隔离通道示波器，包括：模拟前端、成像及显示控制单元、显示单元，所述数字隔离通道示波器进一步包括：用于将输入信号转换为数字信号，并将数字信号送入采样与存储控制器的模数转换单元；用于对数字信号进行采样并存储的采样与存储控制单元；用于通过将数字信号转换为光再重新转换为电以实现电气隔离的的光隔离单元；所述模拟前端、模数转换单元、采样与存储控制单元、光隔离单元、成像及显示控制单元、显示单元依次串联。

根据本发明数字隔离通道示波器的一优选技术方案：所述光隔离单元由两个光收发器及其之间连接的光导材料组成。

根据本发明数字隔离通道示波器的一优选技术方案：所述每个光收发器包括：驱动器、电-光转换器、光-电转换器以及放大器。

根据本发明数字隔离通道示波器的一优选技术方案：所述数字隔离通道示波器包括若干隔离通道，每个隔离通道均包括模拟前端、模数转换单元、采样与存储控制单元、两个光收发器及其之间连接的光导材料。

本发明的优点在于：

本发明的数字示波器及数字示波器通道隔离系统，由于每个通道具有独立的由模拟前端、模数转换单元及采样与存储控制单元等组成的信号采集系统，因此示波器的带宽、采样率等指标与隔离与否无关。对于高成像速率的示波器可采用高性能的光收发器及光导材料，如激光收发器及单模光纤，数字隔离器的速度可超过3Gbps，完全满足数字信号链路的需求，而对于低成像速率的示波器可以使用可见光收发器以及多模光纤甚至光电耦合器以节约成本。由此可设计出与非隔离示波器性能同样高的隔离示波器。采用光纤作为光导材料，通道之间以及通道与后端之间完全不存在信号链路上的寄生耦合现象，且通道之间的隔离度仅取决于隔离电源的隔离度，而后者是十分成熟的技术，因此采用本发明所提出方法设计的隔离示波器的隔离度远高于传统隔离示波器。

附图说明

图1是现有技术传统的通道隔离示波器的原理框图；

图2是本发明具体实施例2通道隔离数字示波器的结构框图；

图3是本发明具体实施例4通道隔离数字示波器的结构框图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例及附图对本发明进行详细说明。

实施例1

参照图2，本实施例1是2通道隔离数字示波器：信号通过CH1及CH2输入，经过模拟前端调理放大后直接送入模数转换器。该结构与普通非隔离数字示波器相同，没有使用隔离放大器，因此性能指标没有受到影响。模数转换器将输入信号转换为数字信号后送入采样与存储控制器，实现了数据的存储。与传统隔离示波器不同的是，传统隔离示波器的多个通道通常共用一套采样与存储控制器，这里为实现隔离而每个通道必须使用独立的采样与存储控制器。

经存储后送出数据并没有直接送入成像及显示控制单元，而是经过了由一对光收发器及之间的光导材料组成的光隔离器。所述每个光收发器包括：驱动器、电-光转换器、光-电转换器以及放大器。电信号进入光收发器后，经驱动器驱动后送入电-光转换器，转换为光信号并送入光导材料。另外一端的光收发器的光-电转换器将该光信号接收后转换为电信号，经放大器放大后输出。由于每个光收发器均具有双向链路，因此光隔离单元可以实现双工通信。该隔离器实现了通道之间及通道与后端的电气隔离。由于此处的光隔离器只需传输数字信号，因此其传输速率和隔离度较之隔离放大器高得多。数据送入成像及显示控制单元后，完成剩余的后续工作，如信号处理、成像、显示等，从而实现了完整的数字示波器工作流程。

实施例2

参照图3，本实施例2是4通道隔离数字示波器：4个通道各使用了一个通道板，每个通道板包含模拟前端、模数转换器、采样与存储控制器以及光收发器等功能，实现了一个通道的完整的信号采集过程。成像、数据处理以及显示等后端处理工作由主控计算机完成。主控计算机包含4个光收发器用来接收通道板的采集数据。主控计算机与通道板之间采用单模光纤相连。光纤的传输协议可以使用千兆以太网协议，亦可以使用自定义的串行通信协议，本实施例中使用后者，其数据速率为3.125Gbps，完全满足了数据交换的需求。5路高隔离度电源产生5路洁净的且具有高隔离度的电源，分别给主控计算机以及4路通道板供电。

由于采用光纤传输和高隔离度电源，通道之间完全杜绝了互相的串扰，实现了极高的隔离度，且最大浮动电压可达3000V CAT II，远高于TPS2000的600V CAT II。该设计对示波器的模拟带宽、采样率、成像速率等指标没有影响。

本发明的数字示波器及数字示波器通道隔离系统，由于每个通道具有独立的由模拟前端、模数转换单元及采样与存储控制单元等组成的信号采集系统，因此示波器的带宽、采样率等指标与隔离与否无关。采用高性能的光收发器及光导材料，如激光收发器及单模光纤，数字隔离器的速度可超过3Gbps，完全满足数字信号链路的需求。由此可设计出与非隔离示波器性能同样高的隔离示波器。采用光纤作为光导材料，通道之间以及通道与后端之间完全不存在信号链路上的寄生耦合现象，且通道之间的隔离度仅取决于隔离电源的隔离度，而后者是十分成熟的技术，因此采用本发明所提出方法设计的隔离示波器的隔离度远高于传统隔离示波器。

以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1、一种数字示波器通道隔离系统，其特征在于，所述数字示波器通道隔离系统包括：

用于将输入信号转换为数字信号，并将数字信号送入采样与存储控制器的模数转换单元；

用于对数字信号进行采样并存储的采样与存储控制单元；

用于通过将数字信号转换为光再重新转换为电以实现电气隔离的光隔离单元；

用于将存储的信号处理为波形图像的成像及显示控制单元；

所述模数转换单元、采样与存储控制单元、光隔离单元以及成像及显示控制单元依次串联。

2、根据权利要求1所述的数字示波器通道隔离系统，其特征在于，所述光隔离单元由两个光收发器及其之间连接的光导材料组成。

3、根据权利要求2所述的数字示波器通道隔离系统，其特征在于，所述光收发器是激光收发器或普通光收发器。

4、一种数字隔离通道示波器，包括：模拟前端、成像及显示控制单元、显示单元，其特征在于，所述数字隔离通道示波器进一步包括：

用于对数字信号进行采样并存储的采样与存储控制单元；

所述模拟前端、模数转换单元、采样与存储控制单元、光隔离单元、成像及显示控制单元、显示单元依次串联。

5、根据权利要求4所述的数字隔离通道示波器，其特征在于，所述光隔离单元由两个光收发器及其之间连接的光导材料组成。

6、根据权利要求5所述的数字隔离通道示波器，其特征在于，所述每个光收发器包括：驱动器、电-光转换器、光-电转换器以及放大器。

7、根据权利要求6所述的数字隔离通道示波器，其特征在于，所述数字隔离通道示波器包括若干隔离通道，每个隔离通道均包括模拟前端、模数转换单元、采样与存储控制单元、两个光收发器及其之间连接的光导材料。