CN103487624A - 一种数字示波器隔离通道电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字示波器技术领域，具体公开了一种数字示波器隔离通道电路。所述数字示波器隔离通道电路，包括无源衰减网络电路、阻抗变换电路、数控增益放大电路和隔离电路，隔离电路包括电源隔离电路、数字隔离电路和模拟信号隔离电路，分别用于实现电源和地、数字控制信号、以及模拟输入信号的隔离。本发明采用磁电隔离技术，实现数字示波器输入端和输出端之间的完全电气隔离，隔离安全等级达1000V CATII；测量带宽从DC到200MHz，并保持平坦的幅频响应；垂直灵敏度范围从2mV/div到100V/div；本发明中的数字示波器隔离通道电路具有隔离带宽大、浮动隔离安全等级高、动态范围大、测量精度高、线性度好等优点。

Description

一种数字示波器隔离通道电路

技术领域

本发明属于数字示波器技术领域，具体涉及一种数字示波器隔离通道电路。

背景技术

信号隔离技术是使模拟信号在发送时不存在穿越发送端和接收端之间屏障的电流连接，允许发送端和接收端的地电位的差值高达几千伏，可以防止可能损害信号的不同的地电位之间的环路电流；同时可以产生一个对操作人员不安全信号的隔离，提高数字示波器的安全性。然而国内数字示波器的通道多数采用非隔离设计，虽然带宽较高，但未与大地隔离，模拟信号在发送时存在穿越发送端和接收端之间屏障的电流连接，使得数字示波器的安全性差，对被测对象和操作人员存在一定的安全隐患。现有的隔离通道数字示波器一般采用光电耦合器实现，光电隔离是通过半导体发光二极管的光发射和光敏半导体的光接收来实现信号的传递，由于发光二极管和光敏半导体是互相绝缘的，从而实现了电路的隔离。实际应用中，由于光电耦合器的线性度很差，需要使用反馈技术进行校准，其线性隔离带宽一般只有几MHz，难以满足测试的需求。

图1为现有技术中数字示波器的隔离通道的实现框图。由图1可知，数字示波器的隔离通道采用磁电隔离技术，即隔离DC/DC实现电源和地的隔离；采用光电隔离技术实现信号和控制的隔离，其中采用数字光电隔离器，即光电耦合器实现示波器通道数字控制信号的隔离，采用模拟光电隔离器，即光电耦合器和放大器实现示波器通道模拟输出信号的隔离。

采用光电耦合器实现光电隔离的技术，虽然能够实现输入和输出之间在电气上的相互绝缘，但是由于光电耦合器的非线性和随温度变化性，隔离模拟信号时，会使信号产生很大的失真，即使通过采用反馈与校准技术进行补偿，也只能保证几MHz频率信号的线性度和准确度，因此，采用光电耦合器实现信号隔离的数字示波器，其带宽较小，一般就有几MHz，电压测量的准确度低，线性度和通道的频率响应一致性差。

发明内容

本发明的目的在于提出一种数字示波器隔离通道电路，通过磁电隔离技术实现数字示波器输入端和输出端之间的完全电气隔离。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种数字示波器隔离通道电路，包括无源衰减网络电路、阻抗变换电路、数控增益放大电路和隔离电路，无源衰减网络电路的输出端与阻抗变换电路的输入端相连，阻抗变换电路的输出端与数控增益放大电路的输入端相连，所述隔离电路包括：

电源隔离电路，通过磁电隔离实现电源和地的隔离，并为无源衰减网络电路、阻抗变换电路和数控增益电路供电；

数字隔离电路，用于实现数字控制信号的磁电隔离，并对数控增益放大电路进行控制；

模拟信号隔离电路，接收来自数控增益放大电路输出端的信号并对该模拟信号进行调理，由模拟信号隔离电路的输出端输出信号。

进一步，所述电源隔离电路采用G0505S-2W系列隔离DC/DC模块。

进一步，所述数字隔离电路采用ADuM4400系列数字隔离器。

进一步，所述模拟信号隔离电路采用CIM1200系列线性隔离放大器；所述CIM1200系列线性隔离放大器内部集成有输入、输出放大器、调制解调器和信号耦合变压器。

进一步，所述无源衰减网络电路，包括电容的分压补偿网络、磁保持继电器和精密电阻；所述磁保持继电器采用绕组闭锁型双刀双掷继电器。

进一步，所述阻抗变换电路包括运算放大器、场效应管和三极管。

进一步，电源电压由电源隔离电路的非隔离端输入，经过电源隔离电路对该电源电压进行磁电隔离，从电源隔离电路的隔离端输出并转换为三路供电电压，分别为前端的无源衰减网络电路、阻抗变换电路、数控增益电路供电；

来自FPGA的数控增益放大器的控制信号由数字隔离电路的非隔离端输入，经过数字隔离电路对所述控制信号进行磁电隔离，数字隔离电路的隔离端输出经过磁电隔离后的控制信号并将该信号输入到数控增益放大电路中，实现对数控增益放大电路的控制；

模拟信号隔离电路的隔离端接收来自数控增益放大电路输出端的模拟信号并对该模拟信号进行调理，然后由模拟信号隔离电路的输出端输出信号到模数转换器进行采集。

本发明的优点是：

本发明采用磁电隔离技术，实现数字示波器输入端和输出端之间的完全电气隔离，隔离安全等级达1000V CATII；测量带宽从DC到200MHz，并保持平坦的幅频响应；垂直灵敏度范围从2mV/div到100V/div；本发明中的数字示波器隔离通道电路具有隔离带宽大、浮动隔离安全等级高、动态范围大、测量精度高、线性度好等优点。

附图说明

图1为现有技术中数字示波器的隔离通道的实现框图；

图2为本发明中数字示波器的隔离通道的实现框图；

图3为图2中无源衰减网络电路图；

图4为图2中阻抗变换电路图；

图5为图2中数控增益放大电路图；

图6为图2中电源隔离电路图；

图7为图2中数字隔离电路图；

图8为图2中模拟信号隔离电路图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

结合图2所示，一种数字示波器隔离通道电路，包括无源衰减网络电路、阻抗变换电路、数控增益放大电路、隔离电路。

如图3所示，无源衰减网络电路包括磁保持继电器、精密电阻和电容的分压补偿网络，用于将大功率的信号进行1:1、10:1或100:1的衰减，实现数字示波器示波表200mV/div～100V/div的垂直灵敏度范围。图3中，S0是无源衰减网络电路的输入端，即数字示波器通道的输入端，S1是无源衰减网络电路的输出端，与阻抗变换电路的输入端相连。磁保持继电器优选采用绕组闭锁型双刀双掷继电器，该继电器具有世界最小级别的封装面积与高度，重量轻，带宽达1GHz。

如图4所示，阻抗变换电路具体作用是将输入阻抗变高，一般MΩ级别，将输出阻抗变低，一般为50Ω，其目的是为了隔离前后级电路间的影响，增加后级电路的驱动能力，同时减小后级宽带放大器的直流偏置和电压噪声。阻抗变换电路包括一个运算放大器AMP、两个场效应管T1、T3、一个三极管T2以及一些阻容元件组成，S1是图3无源衰减网络电路的输出端，S2是阻抗变换电路的输出端，与数控增益放大电路的输入端相连。高频交流通路的设计利用场效应管T1高输入阻抗的特点，作为输入级实现高阻输入，同时由场效应管T3构成恒流源电路以调节T1的静态工作点；同时信号经过三极管T2构成低阻输出，实现了高频交流通路的阻抗变换；低频直流通路的设计采用精密运算放大器AMP来实现。

如图5所示，数控增益放大电路主要对不同幅度的信号进行衰减或放大，实现数字示波器示波表2mV/div-100mV/div的垂直灵敏度范围，S3是数控增益放大电路的输出端。数控增益放大电路优选采用LMH6518来实现，SCLK、CS、SDIO为来自数字隔离电路的控制信号，用于控制该数控增益放大电路。该数控增益放大电路通过数字接口对信号的幅度进行控制，具有很高的线性度和良好的抗干扰能力，插入损耗小等特点。

隔离电路主要由电源隔离电路、数字隔离电路、模拟信号隔离电路三个部分组成，分别用于实现电源和地、数字控制信号、以及模拟输入信号的隔离。

如图6所示，电源隔离电路优选采用G0505S-2W系列隔离DC/DC模块，该模块输入+5V电源，通过变压器的磁电隔离实现电源和地的隔离，隔离安全等级6000Vdc CATI。+5V输入电压由电源隔离电路的非隔离端输入，经过电源隔离电路对该+5V输入电压进行磁电隔离，从电源隔离电路的隔离端输出并转换为三路供电电压，分别为前端的无源衰减网络电路、阻抗变换电路、数控增益电路供电，G0505S-2W系列隔离DC/DC模块的输出电压±5V、输出电流±200mA。

如图7所示，数字隔离电路优选采用ADuM4400系列数字隔离器，用于实现开关控制信号、增益控制信号等数字控制信号磁电隔离，隔离安全等级5000Vrms CATI。来自FPGA的数控增益放大器的控制信号FPGA_CS、FPGA_SCLK、FPGA_SDIO由数字隔离电路的非隔离端输入，经过数字隔离电路对上述三个控制信号进行磁电隔离，数字隔离电路的隔离端输出与控制信号FPGA_CS、FPGA_SCLK、FPGA_SDIO分别对应的CS、SCLK、SDIO控制信号并输入到数控增益放大电路中，实现对数控增益放大电路的控制。

如图8所示，模拟信号隔离电路优选采用线性隔离放大器CIM1200实现，隔离带宽200MHz，隔离安全等级1000V CATII。模拟信号隔离电路的隔离端接收来自数控增益放大电路输出端的信号，经过内部集成的输入、输出放大器、调制解调器、信号耦合变压器等器件调理，然后由模拟信号隔离电路的输出端S4输出信号，经过输出端S4输出的信号可以直接送到模数转换器进行采集。隔离端的供电电源±5V由隔离电源的输出提供，非隔离端的供电电源由示波器的电源提供。CIM1200采用磁耦合的方法，使放大器的输出和输入之间没有电气联系；具有完全浮动的输入和隔离的输出端，具有良好的线性度和稳定性，较高的隔离电压和共模抑制比，有效的解决了现有的模拟光电隔离器带来的数字示波器的带宽小、线性度差、测量精度低等缺点。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (9)

1.一种数字示波器隔离通道电路，包括无源衰减网络电路、阻抗变换电路、数控增益放大电路和隔离电路，无源衰减网络电路的输出端与阻抗变换电路的输入端相连，阻抗变换电路的输出端与数控增益放大电路的输入端相连，其特征在于，所述隔离电路包括：

电源隔离电路，通过磁电隔离实现电源和地的隔离，并为无源衰减网络电路、阻抗变换电路和数控增益电路供电；

数字隔离电路，用于实现数字控制信号的磁电隔离，并对数控增益放大电路进行控制；

模拟信号隔离电路，接收来自数控增益放大电路输出端的信号并对该模拟信号进行调理，由模拟信号隔离电路的输出端输出信号。

2.根据权利要求1所述的一种数字示波器隔离通道电路，其特征在于，所述电源隔离电路采用G0505S-2W系列隔离DC/DC模块。

3.根据权利要求1所述的一种数字示波器隔离通道电路，其特征在于，所述数字隔离电路采用ADuM4400系列数字隔离器。

4.根据权利要求1所述的一种数字示波器隔离通道电路，其特征在于，所述模拟信号隔离电路采用CIM1200系列线性隔离放大器。

5.根据权利要求4所述的一种数字示波器隔离通道电路，其特征在于，所述CIM1200系列线性隔离放大器内部集成有输入、输出放大器、调制解调器和信号耦合变压器。

6.根据权利要求1所述的一种数字示波器隔离通道电路，其特征在于，所述无源衰减网络电路，包括电容的分压补偿网络、磁保持继电器和精密电阻。

7.根据权利要求6所述的一种数字示波器隔离通道电路，其特征在于，所述磁保持继电器采用绕组闭锁型双刀双掷继电器。

8.根据权利要求1所述的一种数字示波器隔离通道电路，其特征在于，所述阻抗变换电路包括运算放大器、场效应管和三极管。

9.根据权利要求1所述的一种数字示波器隔离通道电路，其特征在于，

电源电压由电源隔离电路的非隔离端输入，经过电源隔离电路对该电源电压进行磁电隔离，从电源隔离电路的隔离端输出并转换为三路供电电压，分别为前端的无源衰减网络电路、阻抗变换电路、数控增益电路供电；

来自FPGA的数控增益放大器的控制信号由数字隔离电路的非隔离端输入，经过数字隔离电路对所述控制信号进行磁电隔离，数字隔离电路的隔离端输出经过磁电隔离后的控制信号并将该信号输入到数控增益放大电路中，实现对数控增益放大电路的控制；

模拟信号隔离电路的隔离端接收来自数控增益放大电路输出端的模拟信号并对该模拟信号进行调理，然后由模拟信号隔离电路的输出端输出信号到模数转换器进行采集。

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