CN102386853A - 光纤隔离多管串联高压放大器及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于材料高压测试技术领域的光纤隔离多管串联高压放大器及其应用方法。光纤隔离多管串联高压放大器的结构如下：模数转换电路串联光纤发射电路，光纤发射电路通过第一光纤与第一光纤接收电路连接，并且通过第二光纤与第二光纤接收电路连接，第一光纤接收电路、第一数模转换电路、第一信号处理电路和高压工作电路的上桥臂依次串联连接，第二光纤接收电路、第二数模转换电路、第二信号处理电路和高压工作电路的下桥臂依次串联连接。本发明的有益效果为：输出电压高，输出信号频率宽，光纤隔离安全可靠，设备体积小，可广泛应用于高压压电材料测试、高压绝缘测试、构建强电场等诸多高压测试场合。
Description
技术领域
本发明属于材料高压测试技术领域，特别涉及光纤隔离多管串联高压放大器及其应用方法。
背景技术
高压放大器是将几伏的低压信号放大到数千伏或数万伏的高压信号的一种电压放大器。用于高压测试，强电场试验等诸多场合。
现有技术中，如国内天津圣火科技有限公司生产的SHVA-252NP50型高压放大器峰峰值5000V，频率范围为0-1000Hz。由于没有采用光纤进行信号隔离，电路结构复杂，需要在上下桥臂分别使用N沟道mos管和P沟道mos管，电压幅值及频率均受到多种因素限制。本文中只需要使用单一的N沟道mos管即可，电路结构简单。
发明内容
本发明针对上述缺陷公开了光纤隔离多管串联高压放大器，它的结构如下：模数转换电路串联光纤发射电路，光纤发射电路通过第一光纤与第一光纤接收电路连接，并且通过第二光纤与第二光纤接收电路连接，第一光纤接收电路、第一数模转换电路、第一信号处理电路和高压工作电路的上桥臂依次串联连接，第二光纤接收电路、第二数模转换电路、第二信号处理电路和高压工作电路的下桥臂依次串联连接，电源分别连接第一光纤接收电路、第一数模转换电路、第一信号处理电路、第二光纤接收电路、第二数模转换电路和第二信号处理电路。
所述高压工作电路由上桥臂和下桥臂串联组成，上桥臂由第1单元-第20单元串联而构成，下桥臂由第21单元-第40单元串联而构成，每个单元的结构如下：压敏电阻和二极管并联后跨接MOS管的源极和漏极，稳压二极管跨接MOS管的栅极和源极，电阻跨接MOS管的栅极和漏极。
所述第一信号处理电路由电压跟随电路、低通滤波电路、比例缩放电路、加法器电路和功率放大电路串联而构成，第一信号处理电路的输入端接电压跟随电路，第一信号处理电路的输出端接功率放大电路；
所述第二信号处理电路由电压跟随电路、反向比例电路、低通滤波电路、比例缩放电路、加法器电路和功率放大电路串联而构成，第二信号处理电路的输入端接电压跟随电路，第二信号处理电路的输出端接功率放大电路。
所述电源由直流电源、高频逆变电路、电子变压器、整流电路和稳压电路串联而构成。
光纤隔离多管串联高压放大器的应用方法如下：模数转换电路将输入的模拟信号转换为数字信号，光纤发射电路将数字信号转换为光信号，光信号通过第一光纤传输至第一光纤接收电路，通过第二光纤传输至第二光纤接收电路；第一光纤接收电路和第二光纤接收电路将接收到的光信号转换为数字信号，第一数模转换电路和第二数模转换电路再将数字信号转换为模拟信号，第一信号处理电路和第二信号处理电路分别对模拟信号进行信号处理，然后将经过处理后的信号输出到第1单元-第40单元中的MOS管的栅极和源极之间，使MOS管输出高压信号，完成对信号的高压放大；电源为第一光纤接收电路、第一数模转换电路、第一信号处理电路、第二光纤接收电路、第二数模转换电路和第二信号处理电路提供稳定的电压。
所述第一信号处理电路的信号处理过程如下：电压跟随电路的输出电压等于输入电压，完成对信号的高阻抗隔离；比例缩放电路将信号比例放大或缩小，从而获得合适的电压增益，低通滤波电路对信号进行低通滤波，设置通带带宽为20kHz，从而滤除信号中的高频干扰；加法器电路将一个直流偏置电压加入到交流信号中，从而获得驱动MOS管所需要的合适的偏置电压；功率放大电路将信号的电流放大，从而为驱动MOS管提供适当的电流；
所述第二信号处理电路的信号处理过程如下：电压跟随电路的输出电压等于输入电压，完成对信的高阻抗隔离；反向比例电路对信号进行反向操作，操作完成后的信号与原信号幅值相同，相位相反，然后再对信号按比例放大或缩小，从而获得合适的电压增益；低通滤波电路对信号进行低通滤波，设置通带带宽为20kHz，从而滤除信号中的高频干扰；加法器电路将一个直流偏置电压加入到交流信号中，从而获得驱动MOS管所需要的合适的偏置电压，功率放大电路将信号的电流放大，从而为驱动MOS管提供足够的电流。
所述电源产生稳定电压的过程如下：直流电源作为稳压源输出直流电流，该直流电流经高频逆变电路后变为高频交流电流，该高频交流电流通过电子变压器耦合，再通过整流电路整流后变为直流电流，最后经过稳压电路输出稳定的电压。
本发明的有益效果为：输出电压高，输出信号频率宽，光纤隔离安全可靠，设备体积小，可广泛应用于高压压电材料测试、高压绝缘测试、构建强电场等诸多高压测试场合。
附图说明
图1为本发明的电路图；
图2为模数转换电路的示意图；
图3为光纤发射电路的示意图；
图4为第一光纤接收电路和第二光纤接收电路的示意图；
图5为第一数模转换电路和第二数模转换电路的示意图；
图6A为第一信号处理电路的示意图；
图6B为第二信号处理电路的示意图；
图7为电源的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明：
如图1所示，光纤隔离多管串联高压放大器的结构如下：模数转换电路串联光纤发射电路，光纤发射电路通过第一光纤与第一光纤接收电路连接，并且通过第二光纤与第二光纤接收电路连接，第一光纤接收电路、第一数模转换电路、第一信号处理电路和高压工作电路的上桥臂依次串联连接，第二光纤接收电路、第二数模转换电路、第二信号处理电路和高压工作电路的下桥臂依次串联连接，电源分别连接第一光纤接收电路、第一数模转换电路、第一信号处理电路、第二光纤接收电路、第二数模转换电路和第二信号处理电路。
高压工作电路由上桥臂和下桥臂串联组成，上桥臂由第1单元-第20单元串联而构成，下桥臂由第21单元-第40单元串联而构成，每个单元的结构如下：压敏电阻Ru和二极管D并联后跨接MOS管Q的源极和漏极，稳压二极管Dz跨接MOS管Q的栅极和源极，电阻R跨接MOS管Q的栅极和漏极。
MOS管Q的型号是IXTF1N400，该型号的MOS管最高工作电压为4000V，最大电流1A。设计MOS管Q上的最高工作电压为3000V，留有一定的余量，从而可以保证设备的可靠运行。这样，上桥臂或下桥臂中20个MOS管所允许输出的最高电压就是60000V。
如图2所示，模数转换电路的结构如下：C3电容并联C4电容，C5电容并联C6电容，C7电容、C8电容和C9电容并联，C15电容并联C16电容，C17电容并联C18电容，C22电容并联C23电容，C24电容并联C25电容；
AD转换芯片ADS8372的1号引脚连接AGND模拟地电位、C15电容、C16电容、C17电容和C18电容的公共节点，3号引脚连接AVCC模拟正电源、C15电容和C16电容的公共节点，6号引脚连接AVCC模拟正电源、C17电容和C18电容的公共节点，7号引脚连接C7电容、C8电容和C9电容的公共节点，8号引脚和9号引脚均连接VREF参考电压、C7电容、C8电容和C9电容的公共节点，11号引脚连接C20电容、C21电容和R14电阻的公共节点，12号引脚连接C21电容、C19电容和R13电阻的公共节点，14号引脚连接AVCC模拟正电源、C22电容和C23电容的公共节点，15号引脚连接AGND模拟地电位、C24电容和C25电容的公共节点，16号引脚和17号引脚均连接AVCC模拟正电源、C24电容和C25电容的公共节点，20号引脚连接VDD33数字电源和C26电容的公共节点，21号引脚和C26电容均连接GND数字地电位，22号引脚经R206电阻连接CPLD的PB11数字IO接口，23号引脚经R20电阻连接CPLD的PB12数字IO接口，24号引脚经R19电阻连接CPLD的PB13数字IO接口，25号引脚经R18电阻连接CPLD的PA10数字IO接口，26号引脚经R17电阻连接CPLD的PA9数字IO接口，27号引脚经R16电阻连接CPLD的PA8数字IO接口，28号引脚经R15电阻连接CPLD的PA7数字IO接口，2号引脚、4号引脚、5号引脚、18号引脚、19号引脚、C22电容和C23电容均连接AGND模拟地电位，10号引脚和13号引脚空接；
差分放大芯片THS4131的1号引脚连接R9电阻和R11电阻的公共节点，2号引脚连接AVCC模拟正电源、C10电容、R1电阻和R8电阻的公共节点，3号引脚连接C15电容和C16电容的公共节点，4号引脚连接R11电阻、R13电阻和C19电容的公共节点，5号引脚连接R12电阻、R14电阻和C20电容的公共节点，6号引脚连接AVSS模拟负电源、C3电容和C4电容的公共节点，7号引脚空接，8号引脚连接R12电阻和R7电阻的公共节点，C3电容、C4电容、C5电容、C6电容和R9电阻均连接AGND模拟地电位，输入端连接R7电阻，VREF参考电压连接R8电阻。
如图3所示，光纤发射电路的结构如下：光纤发射芯片HFBR-2412的1号引脚、4号引脚、5号引脚和8号引脚空接，2号引脚、6号引脚和7号引脚均连接R22电阻和Q1三极管集电极的公共节点，3号引脚连接GND数字地电位和Q1三极管发射极的公共节点，VDD5数字电源连接R22电阻和R23电阻的公共节点，CPLD的PA6数字IO接口连接R23电阻和Q1三极管基极的公共节点。
如图4所示，第一光纤接收电路和第二光纤接收电路的结构相同，它们的结构如下：光纤发射芯片HFBR-1412的1号引脚、4号引脚、5号引脚和8号引脚空接，2号引脚、R6电阻和C1电容均连接VD33数字电源，3号引脚、7号引脚和C1电容均连接GND数字地电位，6号引脚连接R6电阻和CPLD的PB2数字IO接口的公共节点。
如图5所示，第一数模转换电路和第二数模转换电路的结构相同，它们的结构如下：基准电压源ADR366的1号引脚和5号引脚空接，2号引脚连接AGND模拟地电位和C13电容的公共节点，3号引脚连接VDD5数字电源和C13电容的公共节点，4号引脚连接VREF参考电压、C11电容、C12电容和数模转换芯片AD5061的3号引脚的公共节点；
数模转换芯片AD5061的1号引脚接CPLD的PB8数字IO接口，2号引脚和C14电容均连接VDD33数字电源，4号引脚接输出端引脚接AGND模拟地电位、C11电容和C12电容的公共节点，6号引脚接C14电容和GND数字地电位的公共节点，7号引脚接CPLD的PB10数字IO接口，8号引脚接CPLD的PB9数字IO接口。
如图6A所示，第一信号处理电路由电压跟随电路、低通滤波电路、比例缩放电路、加法器电路和功率放大电路串联而构成，第一信号处理电路的输入端接电压跟随电路，第一信号处理电路的输出端接功率放大电路；
如图6B所示，第二信号处理电路由电压跟随电路、反向比例电路、低通滤波电路、比例缩放电路、加法器电路和功率放大电路串联而构成，第二信号处理电路的输入端接电压跟随电路，第二信号处理电路的输出端接功率放大电路。
如图7所示，电源由直流电源、高频逆变电路、电子变压器、整流电路和稳压电路串联而构成。
光纤隔离多管串联高压放大器的应用方法如下：模数转换电路将输入的模拟信号转换为数字信号，光纤发射电路将数字信号转换为光信号，光信号通过第一光纤传输至第一光纤接收电路，通过第二光纤传输至第二光纤接收电路，使用光纤是为了完成信号的高压隔离；第一光纤接收电路和第二光纤接收电路将接收到的光信号转换为数字信号，第一数模转换电路和第二数模转换电路再将数字信号转换为模拟信号，第一信号处理电路和第二信号处理电路分别对模拟信号进行信号处理，然后将经过处理后的信号输出到单元1-单元40中的MOS管Q的栅极和源极之间，驱动MOS管Q工作，使MOS管Q输出高压信号，完成对信号的高压放大；电源为第一光纤接收电路、第一数模转换电路、第一信号处理电路、第二光纤接收电路、第二数模转换电路和第二信号处理电路提供稳定的电压。
二极管D用来防止MOS管Q的漏极和源极之间出现反向电压，从而避免了MOS管Q被烧毁；压敏电阻Ru的额定电压为3600V，它起到过压保护的作用，当MOS管Q的漏极和源极之间的电压高于3600V时，压敏电阻导通，从而MOS管Q不会出现过压击穿的情况；稳压二极管Dz能够防止MOS管Q的栅极和源极之间出现过压或反向电压；电阻R是阻值为5MΩ的电阻，用来提供MOS管Q的栅极驱动电压，该电阻之所以要选择阻值为5MΩ，主要是考虑在高压下不会过热。
在模数转换电路中，差分放大芯片THS4131为全差动放大器，作为前置级，有抑制零点漂移的作用，同时将正负输入的交流信号调整为大于0V的差动交流信号，以满足AD转换芯片ADS8372对输入信号的要求。AD转换芯片ADS8372在CPLD的控制下完成AD转换，转换完成的数字信号通过CPLD传输出去。
光纤发射电路的核心是光纤发射芯片HFBR-2412。Q1三极管起到电流放大的作用，R22电阻和R23电阻为上拉电阻，CPLD将要传输的数字信号通过PA6数字IO接口发送到Q1三极管的基极，将电流放大后驱动光纤发射模块HFBR-2412，将数字的电信号转换为光信号，然后通过第一光纤和第二光纤将光信号发送出去。
第一光纤接收电路和第二光纤接收电路的核心是光纤发射芯片HFBR-1412。接受到光信号后，光纤发射芯片HFBR-1412将光信号转换为电信号，然后通过CPLD的PB2数字IO接口传送给CPLD。
在第一数模转换电路和第二数模转换电路中，基准电压源ADR366提供数模转换所需要的标准电压，数模转换芯片AD5061完成数模转换。CPLD通过PB8数字IO接口、PB9数字IO接口、PB10数字IO接口控制数模转换并传输转换的数据。模转换得到的模拟信号通过数模转换芯片AD5061的4号引脚输出。
第一信号处理电路的信号处理过程如下：电压跟随电路的输出电压等于输入电压，完成对信号的高阻抗隔离；比例缩放电路将信号比例放大或缩小，从而获得合适的电压增益，低通滤波电路对信号进行低通滤波，设置通带带宽为20kHz，从而滤除信号中的高频干扰；加法器电路将一个直流偏置电压加入到交流信号中，从而获得驱动MOS管Q所需要的合适的偏置电压；功率放大电路将信号的电流放大(电压跟随)，从而为驱动MOS管Q提供适当的电流；
第二信号处理电路的信号处理过程如下：电压跟随电路的输出电压等于输入电压，完成对信的高阻抗隔离；反向比例电路对信号进行反向操作，操作完成后的信号与原信号幅值相同，相位相反，然后再对信号按比例放大或缩小，从而获得合适的电压增益；低通滤波电路对信号进行低通滤波，设置通带带宽为20kHz，从而滤除信号中的高频干扰；加法器电路将一个直流偏置电压加入到交流信号中，从而获得驱动MOS管Q所需要的合适的偏置电压，功率放大电路将信号的电流放大，从而为驱动MOS管Q提供足够的电流。
由于第二信号处理电路加入了反向比例电路，使得上桥臂和下桥臂的驱动信号相位相反，上桥臂和下桥臂构成了类似于甲乙类互补对称功率放大电路的结构；通过调节上桥臂和下桥臂的驱动信号的直流偏置，可以使高压工作电路工作在合适的直流工作点，使得输入信号为0时，输出信号也为0。光纤隔离多管串联高压放大器正常运行时，输出的信号为电压放大后的输入信号。
给悬浮于高压侧的信号接收、处理电路供电是本设计需要解决的问题之一，为了减小电路的体积和重量，节约成本，本设计中摈弃了高压变压器的方案，转而采用高压隔离电子变压器的方案；
电源产生稳定电压的过程如下：直流电源作为稳压源输出直流电流，该直流电流经高频逆变电路后变成频率为400kHz左右的高频交流电流，该高频交流电流通过电子变压器耦合，再通过整流电路整流后变为直流电流，最后经过稳压电路输出稳定的电压。其中，电子变压器使用高压电缆在磁环上绕制而成，由于高频逆变的频率高达400kHz，故电子变压器所需要的匝数很少，在本设计中，原、副边各用高压电缆绕制2圈，这样就能够极大地减小体积。
经实验测试，本文设计的高压放大器最高输出电压可以高达峰峰值60kV，频率范围为0-20kHz，输出电流可达100mA，能满足绝大部分高压实验、高压测试的需求。
Claims (7)
1.光纤隔离多管串联高压放大器，其特征在于，它的结构如下：模数转换电路串联光纤发射电路，光纤发射电路通过第一光纤与第一光纤接收电路连接，并且通过第二光纤与第二光纤接收电路连接，第一光纤接收电路、第一数模转换电路、第一信号处理电路和高压工作电路的上桥臂依次串联连接，第二光纤接收电路、第二数模转换电路、第二信号处理电路和高压工作电路的下桥臂依次串联连接，电源分别连接第一光纤接收电路、第一数模转换电路、第一信号处理电路、第二光纤接收电路、第二数模转换电路和第二信号处理电路。
2.根据权利要求1所述的光纤隔离多管串联高压放大器，其特征在于，所述高压工作电路由上桥臂和下桥臂串联组成，上桥臂由第1单元-第20单元串联而构成，下桥臂由第21单元-第40单元串联而构成，每个单元的结构如下：压敏电阻(Ru)和二极管(D)并联后跨接MOS管(Q)的源极和漏极，稳压二极管(Dz)跨接MOS管(Q)的栅极和源极，电阻(R)跨接MOS管(Q)的栅极和漏极。
3.根据权利要求1所述的光纤隔离多管串联高压放大器，其特征在于，所述第一信号处理电路由电压跟随电路、低通滤波电路、比例缩放电路、加法器电路和功率放大电路串联而构成，第一信号处理电路的输入端接电压跟随电路，第一信号处理电路的输出端接功率放大电路；
所述第二信号处理电路由电压跟随电路，反向比例电路、低通滤波电路、比例缩放电路、加法器电路和功率放大电路串联而构成，第二信号处理电路的输入端接电压跟随电路，第二信号处理电路的输出端接功率放大电路。
4.根据权利要求1所述的光纤隔离多管串联高压放大器，其特征在于，所述电源由直流电源、高频逆变电路、电子变压器、整流电路和稳压电路串联而构成。
5.光纤隔离多管串联高压放大器的应用方法，其特征在于，它的工作流程如下：模数转换电路将输入的模拟信号转换为数字信号，光纤发射电路将数字信号转换为光信号，光信号通过第一光纤传输至第一光纤接收电路，通过第二光纤传输至第二光纤接收电路；第一光纤接收电路和第二光纤接收电路将接收到的光信号转换为数字信号，第一数模转换电路和第二数模转换电路再将数字信号转换为模拟信号，第一信号处理电路和第二信号处理电路分别对模拟信号进行信号处理，然后将经过处理后的信号输出到第1单元-第40单元中的MOS管(Q)的栅极和源极之间，使MOS管(Q)输出高压信号，完成对信号的高压放大；电源为第一光纤接收电路、第一数模转换电路、第一信号处理电路、第二光纤接收电路、第二数模转换电路和第二信号处理电路提供稳定的电压。
6.根据权利要求5所述的光纤隔离多管串联高压放大器的应用方法，其特征在于，所述第一信号处理电路的信号处理过程如下：电压跟随电路的输出电压等于输入电压，完成对信号的高阻抗隔离；比例缩放电路将信号比例放大或缩小，从而获得合适的电压增益，低通滤波电路对信号进行低通滤波，设置通带带宽为20kHz，从而滤除信号中的高频干扰；加法器电路将一个直流偏置电压加入到交流信号中，从而获得驱动MOS管(Q)所需要的合适的偏置电压；功率放大电路将信号的电流放大(电压跟随)，从而为驱动MOS管(Q)提供适当的电流；
所述第二信号处理电路的信号处理过程如下：电压跟随电路的输出电压等于输入电压，完成对信的高阻抗隔离；反向比例电路对信号进行反向操作，操作完成后的信号与原信号幅值相同，相位相反，然后再对信号按比例放大或缩小，从而获得合适的电压增益；低通滤波电路对信号进行低通滤波，设置通带带宽为20kHz，从而滤除信号中的高频干扰；加法器电路将一个直流偏置电压加入到交流信号中，从而获得驱动MOS管(Q)所需要的合适的偏置电压，功率放大电路将信号的电流放大，从而为驱动MOS管(Q)提供足够的电流。
7.根据权利要求5所述的光纤隔离多管串联高压放大器的应用方法，其特征在于，所述电源产生稳定电压的过程如下：直流电源作为稳压源输出直流电流，该直流电流经高频逆变电路后变为高频交流电流，该高频交流电流通过电子变压器耦合，再通过整流电路整流后变为直流电流，最后经过稳压电路输出稳定的电压。
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