CN103884887A - 一种具有霍尔元件的隔离电路及其示波器 - Google Patents
一种具有霍尔元件的隔离电路及其示波器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103884887A CN103884887A CN201210559000.6A CN201210559000A CN103884887A CN 103884887 A CN103884887 A CN 103884887A CN 201210559000 A CN201210559000 A CN 201210559000A CN 103884887 A CN103884887 A CN 103884887A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- hall element
- amplifier
- transformer
- signal
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002955 isolation Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 58
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims abstract description 26
- 229920002574 CR-39 Polymers 0.000 claims description 9
- 230000003139 buffering Effects 0.000 claims description 9
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000005347 demagnetization Effects 0.000 claims description 4
- 238000007373 indentation Methods 0.000 claims description 3
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 claims description 2
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 21
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 14
- 230000001808 coupling Effects 0.000 description 12
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 12
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 12
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 8
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 5
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 5
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 102200086406 PIWIL1 R10K Human genes 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 2
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 2
- 229910000529 magnetic ferrite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002592 echocardiography Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
本发明提供了一种具有霍尔元件的隔离电路，可应用于示波器等测量设备。包括：变压器、霍尔元件、恒流源、第一放大器和第二放大器。将输入信号通过变压器进行隔离。其中，变压器的磁芯上设有缺口，该缺口处设置一霍尔元件，输入信号经变压器成高频输出信号，霍尔元件感应变压器磁芯的磁通生成低频反馈信号，该高频输出信号和低频反馈信号经第二放大器处理，生成隔离后的信号。由于霍尔元件与初级绕组物理上并未直接相连，因而电压隔离度只由变压器的初级绕组和次级绕组决定，实现的隔离度远高于现有方案中的隔离度，从而极大的扩展了隔离电路的带宽。
Description
技术领域
本发明涉及电子测量设备，特别是一种具有霍尔元件的隔离电路及其示波器。
背景技术
隔离电路可以将输入侧的电信号传递到输出侧，但输入侧和输出侧之间在电气上是隔离的，或者说是绝缘的，输入侧和输出侧之间只存在一个较小的电容。隔离电路可以提高测量时的共模抑制比，减少干扰，改善信号质量，也可以绝缘危险电压，保护设备和人身安全。在多通道示波器同时测量时，通道隔离还可以测量多个不同共模电压的信号，防止因通道间共地造成短路事故。
从被处理的信号和隔离电路的频率响应看，隔离电路可以分为数字隔离电路和线性或模拟隔离电路。数字隔离电路只能隔离高、低电平信号，即数字信号，属于开关信号，技术上容易实现。线性隔离电路有时也称为隔离放大器，其输出信号和输入信号成线性关系，可以传递模拟信号，电路的频率响应可以从直流至很高的频率。高带宽（数百MHz以上）的线性隔离电路技术上较难实现。而实现具有很高DC精度的线性隔离电路，可以在示波器上实现电压表或万用表功能，具有很好的应用价值，但是在技术上具有更高的难度。
线性隔离电路，常用的有以下几种方式：
线性光耦隔离电路，线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的。这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。线性光耦能够实现非常高的线性度，能够对直流信号进行隔离，但是信号带宽最大只能到几MHz。
变压器隔离电路，利用电磁感应原理，使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，使回路隔离。变压器根据磁芯材料的不同和绕制方式的不同，可以实现对非常高的频率进行隔离。但是由于电磁感应的特点，变压器不能对直流和低频信号进行隔离，一般变压器能够隔离的最低能够到kHz级别。
隔离放大器器件，目前市面上有一些集成的隔离放大器芯片，如ADI公司的AD203、AD215。该类器件利用变压器进行隔离，将输入进行线性调制成数字信号，然后利用变压器对数字信号进行隔离，隔离后的信号再经过解调，生成隔离后的模拟信号。这类具有较高的线性度，但是带宽一般很低，最大的目前只有几百kHz。
为解决上述器件的缺点，现有技术也给出了多种解决方案，下面就对其中几种解决方案进行介绍：
A、专利号为CN96101007.X的专利，提供了一种解决方案，实现框图如图1所示。
其使用两个不同带宽的放大器，将输入信号分成高频路径和低频路径，低频路径使用线性光耦进行隔离，高频路径使用变压器进行隔离。变压器次边使用两个绕组，产生相位相反的差分信号+Vout和-Vout。隔离后的低频信号经过增益调整和单端转差分放大器，输出的信号作为变压器次边的偏置。低频通路由于线性光耦的延时，导致叠加后的信号，在高、低频结合处幅频响应塌陷，采用电路48、52、50、54进行补偿，使幅频响应在高、低频结合处，适当的提升，实现了幅频响应的平坦性。
此专利能够实现大带宽的线性隔离电路，但是有以下缺点：
1、由于变压器次边采用了两个绕组，作为输出差分信号的正负极，较难保证正负极的相同相位，增加了变压器绕制的难度。
2、采用线性光耦作为低频路径的隔离，低频路径的延时导致频响不平坦，采用了电路48、52、50、54进行补偿，由于电容器件离散，较难保证差分信号正负极完全一致。
3、由于变压器既要满足最低频率和低频路径能够叠加，又要满足最高频率尽量大，由于变压器的限制，能够实现的带宽不大，最大能够到100MHz左右。
B、专利号为US5834973的专利，没有专利CN96101007.X的缺点，其实现框图如图2所示。
此专利使用两个不同带宽的放大器，低带宽放大器实现低频路径，低频路径使用线性光耦进行隔离。低带宽放大器的输出经过124、126的分压，连接到高带宽放大器构成的减法电路一端，减法电路将输入信号减去低频路径的信号，输出的高频信号连接到变压器的原边，该高频信号和低频路径的信号相加即为输入信号。低频路径的线性光耦电路具有一定的增益，以抵消减法电路输入的低频信号的衰减量。高频信号使用变压器进行隔离，变压器次边输出和线性光耦的输出经过加法电路，产生隔离后的信号，从而实现对信号的线性隔离。
此专利较好的解决了变压器绕制的问题，但有如下缺点：
1、采用线性光耦作为低频路径的隔离，低频路径有一定的延时，直接和高频路劲输出相加，会使高低频频率结合处幅频响应塌陷，此专利没有介绍补偿电路，输出信号的幅频响应不平坦。
2、由于变压器既要满足最低频率和低频路径能够叠加，又要满足最高频率尽量大。由于变压器的限制，能够实现的带宽不大，最大能够到200MHz左右。
C、专利号为CN200610154738.9的专利，将专利US5834973的实现方法进行了具体的细化，并解决了其缺点，提供了延时补偿电路，其实现框图如图3所示。
此专利和US5834973的实现思路一致，但进行了电路细化，增加了低频路径的延时补偿电路102、103、104。输入信号经过低频放大电路100，输出连接到减法电路101，减法输出即为高频信号。高频信号经过变压器26进行隔离，隔离后的信号连接到电路105。低频信号经过线性光耦电路102进行隔离，低频信号隔离后，经过延时补偿电路103、104进行延时补偿，并进行必要的放大，使低频路径的幅度和高频路径一致，补偿后的输出和高频隔离后的信号经过加法电路105，合成隔离后的信号，即实现对信号的线性隔离。
此专利电路较详细，能够解决之前专利的缺点，但是还具有以下缺点：
1、由于变压器既要满足最低频率和低频路径能够叠加，又要满足最高频率尽量大，由于变压器的限制，能够实现的带宽不大，最大能够到200MHz左右。
2、专利中提到的延时补偿电路103或者22、24、29、30，实际并不能解决低频和高频路径交迭频率处的幅频凹陷。因为电容24、30在所示放大器电路中，起到了低通的作用，只能让低频路径的高频相对与低频变得更低，而不能起到适当提升高频的作用。电路103，实际也是RC低通电路，同样也不能起到适当提升高频的作用。
3、由于提供的延时补偿电路不起作用，线性隔离电路的输出幅频响应不平坦。
4、低频路径电路复杂。
综上所述，目前现有技术主要缺点是能够实现的线性隔离电路带宽低，无法实现更大带宽的隔离示波器。并且，线性光耦电路会带来的频响凹陷问题。
发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种具有霍尔元件的隔离电路及其示波器，利用变压器将输入信号转换为磁通量，使用霍尔元件和变压器，分别感测磁通量中的DC至低频分量和高频分量，并利用放大器，将高低频分量叠加，输出信号和输入信号呈线性关系，实现对输入信号的线性隔离，能够实现DC至几百MHz的带宽信号的隔离。
本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的：
一种具有霍尔元件的隔离电路，包括：变压器、霍尔元件、恒流源、第一放大器和第二放大器；
输入信号输入所述变压器的初级绕组的输入端；在所述变压器的磁芯上具有一个缺口；
所述霍尔元件，设置于所述缺口内，并与所述变压器磁芯的磁通线相垂直；该霍尔元件，与所述第一放大器的输入端相连，用于感应磁通变化产生反馈低频信号，并将该反馈低频信号输入该第一放大器；
所述恒流源，与所述霍尔元件的控制电极相连，用于为该霍尔元件提供恒定电流；
所述第一放大器，与所述第二放大器的同相输入端相连，用于放大所述反馈低频信号，并将放大后的反馈低频信号传送至第二放大器的同相输入端；
所述第二放大器的反相输入端与所述变压器的次级绕组的输出端相连，接入变压器输出的高频信号；在所述第二放大器的反相输入端和输出端之间跨接有电阻R；所述第二放大器，用于将所述高频信号和放大后的反馈低频信号相加，生成隔离后的输出信号并输出。
一种具有霍尔元件的隔离电路的示波器，包括：衰减切换模块、输入级缓冲和加法电路、可编程放大器、高速ADC、控制处理模块和D/A转换模块；输入信号依次经衰减切换模块、输入级缓冲和加法电路、可编程放大器、高速ADC传送至控制处理模块；控制处理模块将增益控制信号发送至该可编程放大器；控制处理模块还将偏置信号经D/A转换模块发送至输入级缓冲和加法电路；其特征在于：
在所述可编程放大器和高速ADC之间串接有权利要求1至5中任意一种具有霍尔元件的隔离电路，以实现信号隔离目的；
在所述控制处理模块与可编程放大器之间，以及控制处理模块与D/A转换模块之间，还串接有数字隔离器。
本发明有益效果是：
1、电路形式简单，不需要低频补偿电路，体积小，霍尔元件选择范围大。
2、能够实现非常大的带宽信号的隔离，隔离带宽能够达直流至200MHz以上。
3、具有非常高的直流精确度。
4、可应用于单端信号的线性隔离，也可以是查分信号。
5、因为霍尔元件和被测电路物理上没有连接关系，所以线性隔离器的电压隔离度只由变压器的初级绕组和次级绕组决定，具有更高的电压隔离度。
6、能够方便的利用在隔离示波器前端中，实现隔离示波器功能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：
图1为现有隔离电路示例一结构图；
图2为现有隔离电路示例二结构图；
图3为现有隔离电路示例三结构图；
图4为霍尔元件的原理示意图；
图5为具有霍尔元件的隔离电路结构示意图；
图6为双绞线绕制方式示意图；
图7为输入输出信号对比图；
图8为带消磁电路的具有霍尔元件的隔离电路结构图；
图9为幅度逐渐变小正负变化的消磁信号波形图；
图10为具有霍尔元件的隔离电路实施例1结构示意图；
图11为具有霍尔元件的隔离电路实施例2结构示意图；
图12为具有霍尔元件的隔离电路实施例3结构示意图；
图13为具有霍尔元件的隔离电路实施例4结构示意图；
图14为现有示波器模拟前端的结构框图；
图15为应用具有霍尔元件的隔离电路的示波器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
针对前述现有技术中所存在的问题，本发明提供一种线性隔离电路，将霍尔元件设置在变压器中，检测输入信号的直流至低频分量，霍尔元件输出经过放大器反馈到次级线圈，抵消初级线圈产生的磁通量，构成负反馈，实现磁平衡，提高霍尔元件的测量精度。变压器次级线圈同时感应输入信号中的高频分量，叠加霍尔检测电路产生的反馈信号上，输出和输入信号呈线性关系的隔离后信号。
变压器能够感应的最低截止频率一般为几kHz，而霍尔元件能够检测直流至几百kHz的频率成分。霍尔元件和霍尔效应的原理如图4所示：
在金属或半导体薄片中通以控制电流I，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生电动势UH（霍尔电势），这种现象称为霍尔效应。
霍尔感应公式UH=kIB/d，其中d为霍尔元件厚度，k为霍尔系数，与材料有关。
霍尔元件一般具有4个电极，输入电流的称为控制电极，输出电压的两个电极称为霍尔电极。
霍尔元件使用时需要提供一个偏置电流，常采用恒流源。
霍尔元件存在不等位电势，常会采用电桥形式或者偏置电压方式进行补偿。霍尔效应随温度变化，需要进行补偿，常采用输入或输出回路电阻进行补偿。霍尔元件的补偿，为公知技术，也不复杂，在本专利中不进行具体描述，不影响本发明的创造性。
霍尔元件对磁场敏感，结构简单，体积小，常用于磁或电流的检测电路。
图5为本发明具有霍尔元件的隔离电路结构示意图。如图所示，该具有霍尔元件的隔离电路，包括：变压器、霍尔元件、恒流源、第一放大器和第二放大器；
输入信号输入所述变压器的初级绕组的输入端；在所述变压器的磁芯上具有一个缺口；
所述霍尔元件，设置于所述缺口内，并与所述变压器磁芯的磁通线相垂直；该霍尔元件，与所述第一放大器的输入端相连，用于感应磁通变化产生反馈低频信号，并将该反馈低频信号输入该第一放大器；
所述恒流源，与所述霍尔元件的控制电极相连，用于为该霍尔元件提供恒定电流；
所述第一放大器，与所述第二放大器的同相输入端相连，用于放大所述反馈低频信号，并将放大后的反馈低频信号传送至第二放大器的同相输入端；
所述第二放大器的反相输入端与所述变压器的次级绕组的输出端相连，接入变压器输出的高频信号；在所述第二放大器的反相输入端和输出端之间跨接有电阻R；所述第二放大器，用于将所述高频信号和放大后的反馈低频信号相加，生成隔离后的输出信号并输出。
其中，变压器绕制可以如图5所示的普通绕法，初级和次级线圈的方向相反，这种绕法初级和次级距离远，可以实现更大的电压器隔离度。
变压器绕制也可以采用如图6所示的传输线变压器绕制方式，初级和次级线圈拧成双绞线，一起在变压器上进行绕制，可以实现更大的隔离带宽，电压器隔离度有初级和次级的绕线决定。可以选用多层绝缘线，如3层绝缘线，可以实现5000V以上的电压器隔离度。
本发明中的霍尔元件，由于使用了负反馈，磁芯中直流至低频是零磁通，实际上霍尔元件是检测零磁通，当输入发生变化时，霍尔元件输出霍尔电势，从而产生反馈电流，产生抵消磁通，维持磁芯中的零磁通状态。所以隔离精度的高低和霍尔元件的检测灵敏度成正比，因而需要通过以下方案来提高霍尔元件的检测灵敏度：
上述隔离电路中，霍尔元件设置在磁芯的缺口处，让磁通线垂直于霍尔元件的磁感应面，为了提高霍尔元件的检测灵敏度：
1、使磁芯的横截面积应小于霍尔元件的磁感应面，让所有磁通线都穿过霍尔元件。
2、将磁芯缺口的横断面和霍尔元件的磁感应面贴合；
3、选用裸薄片作为霍尔元件；
4、通过选用霍尔系数大的霍尔元件，最大化霍尔电势。
由于霍尔元件和初级绕组之间没有直接接触，所以它们之间是电气隔离的。
为了便于设置霍尔元件，磁芯的缺口与磁通线垂直。
上述隔离电路中，为驱动初级绕组线圈，可以增加一个缓冲电路；
该缓冲电路，与初级线组的输入端相连，用于增强输入信号。
为接入差分输入的输入信号，该缓冲电路可以为全差分放大器构成的全差分放大电路；
该全差分放大电路，与初级绕组的两端相连，用于接入和放大差分输入信号，并差分输出，驱动初级绕组的两端。
上述差分电路中的磁芯可以为圆环，也可以为非圆环，例如图8中的方形环，还可以为现有技术中的任意环状结构，由于磁芯的导磁率较高，因而不会影响霍尔元件和变压器的感应，可以实现相同的技术效果，不影响本发明的创造性。
本发明中的磁芯优选为高导磁率的软磁性材料，高导磁率能够提高将初级绕组产生的磁通传递到次级绕组和霍尔元件的效率，提高隔离精度。由于磁材在磁场中，会产生磁化，磁化之后，即使初级线圈中没有电流，磁芯中也有磁场，因而会影响输出，产生偏置误差，即使采用高导磁率的软磁材料，长期使用，也不可避免会磁化。为避免磁化带来的影响，可以在上述隔离电路的基础上增加一个消磁电路：
如下图8所示，消磁电路通过开关切换，连接到放大器2的同相输入端。
该消磁电路，用于产生幅度逐渐变小正负变化的消磁电流，对变压器的磁芯进行消磁：
消磁电路会产生一个如图9所示的一个幅度逐渐变小正负变化的电压信号，由于放大器输入端虚短，在次级线圈中产生一个消磁电流信号，磁材在交替变化的电流中，就能实现消磁。
上述隔离电路中，第二放大器和与其跨接的电阻R构成了一个跨阻放大器，用于将次级绕组中的电流转换成电压输出，设次级绕组的电流为I，则在跨阻R上形成电压I*R，由于第二放大器的反向输入端虚接地，所以输出Vo=I*R。
磁通B中的直流至低频分量产生的霍尔电势使第一放大器输出变化，第二放大器输入端的虚短，导致Vo变化，从而导致次级绕组中电流变化，由于次级绕组中电流产生的磁通和初级绕组产生的磁通方向相反，所以由霍尔效应产生的次级绕组电流会抑制初级绕组中的电流产生的磁通量，形成了直流至低频分量的负反馈。当负反馈平衡时，次级绕组能够产生的磁通等于初级绕组能够产生的磁通，使磁芯中磁通B=0。此时次级绕组中直流至低频分量电流为IL，则输出的直流至低频分量Vo=IL*R。
磁通量B中的高频分量在次级绕组中感应转换得到的高频分量电流IH，通过跨阻放大器电路后，输出高频分量Vo=IH*R。
跨阻放大器电路用于产生直流至低频分量的反馈电流，因而次级绕组中的电流I包含反馈电流IL和感应电流IH，所以最终的输出Vo=IL*R+IH*R=I*R。由于反馈电流IL和感应电流IH分别于输入电压信号的低频和高频分量呈线性关系，所以输出Vo和输入电压呈线性关系，即实现了线性隔离。
例如：假设输入为方波信号，则通过霍尔元件产生的反馈低频波形、直接感应到次级线圈的高频波形以及最终输出信号的波形如图7所示。
本发明的线性隔离电路中，由于霍尔元件和被测电路物理上没有连接关系，仅受磁芯本身和磁芯缺口与霍尔磁感应面间介质的击穿电压决定，因而电压隔离度只由变压器的初级绕组和次级绕组决定，可以实现的隔离度高于现有技术中的隔离度。
下面以几个具体实施例对本发明作进一步说明：
实施例1
图10为本实施例结构示意图。本实施例适用于单端信号输入，单端信号输出的应用。
如图所示，缓冲电路具体为一运算放大器构成的跟随电路，缓冲电路U1满足线性隔离电路设计的带宽指标，需要将输入电流放大，以能够驱动变压器初级绕组。
缓冲器和第二放大器可以选用任何高速放大器，只要能够满足设计需要的最大带宽和最大电压幅度。当然选用更大带宽、低噪声、低失真放大器，能够有利于实现设计带宽需求。例如ADI公司的AD8038、AD8012等。
本实施中变压器采用普通变压器绕制方式，即初级绕组和次级绕组在不同侧，具有更好的电压隔离度。变压器磁材最优选用高导磁率软磁铁氧体磁环，如北京七星飞行电子有限公司的R10K系列，如R10K-H13x7x5。如A10-T12x6x4。
线材采用三层绝缘线，可以实现非常高的耐压，如日本古河电子工业株式会社的TEX-E三层绝缘线，线径Ф0.20mm。如顺正电子有限公司的TIW-B直焊型三层绝缘线，线径Ф0.20mm。
本实施例的变压器可以实现最低1kHz，最高200MHz的工作频率，频带范围内幅频响应波动很小。
本实施例中的放大器1选用高精度差动放大器，需要满足低频路径霍尔元件的带宽要求，一般几MHz带宽足够。例如选用ADI公司的差动放大器AD8274。
实施例2
图11为本实施例的结构示意图。
本实施例和实施例1的区别是变压器绕制方式不同。
本实施例中的变压器，为了实现尽可能大的带宽，而且其最低工作频率需要延伸到小于10kHz，最高工作频率应大于设计带宽。而且初级线组合次级线组间的耐压要满足设计期望。本实施例中变压器绕制方式采用了传输线变压器方式，可以实现较好的频率响应。其他形式的变压器也可以实现，但是频响响应稍差。
变压器磁性最优选用高导磁率软磁铁氧体磁环，如北京七星飞行电子有限公司的R10K系列，如R10K-H13x7x5。如越峰电子材料股份有限公司的A10系列，如A10-T12x6x4。
线材采用三层绝缘线，可以实现非常高的耐压，如日本古河电子工业株式会社的TEX-E三层绝缘线，线径Ф0.20mm。如顺正电子有限公司的TIW-B直焊型三层绝缘线，线径Ф0.20mm。
本实施例的传输线变压器可以实现最低10kHz，最高300MHz的工作频率，频带范围内幅频响应波动很小。
实施例3
图12为本实施例的结构示意图，应用于输入信号为差分输入时。
本实施例和实施例1的区别是缓冲电路为全差分放大器构成的电路。
如图所示，差分信号输入为Vin_P和Vin_N，全差分放大器输入反馈电阻R1=R2=R3=R4，放大器差分输出，用于驱动初级绕组的两端。
全差分运放需要适应线性隔离电路设计的带宽要求，本实施中，优选用TI公司的LMH6554，或ADI公司的ADA4937，输入、反馈电阻取值300Ω。
实施例4
图13为本实施例的结构图。
如图所示，实施例4和实施例3的区别是变压器绕制方式不同，绕制方式和实施例2相同。
本发明提供具有霍尔元件的隔离电路，可应用于示波器等测量设备。图14为现有示波器模拟前端的结构框图。如图所示，该示波器，包括：衰减切换模块、输入级缓冲和加法电路、可编程放大器、高速ADC、控制处理模块和D/A转换模块。输入信号依次经衰减切换模块、输入级缓冲和加法电路、可编程放大器、高速ADC传送至控制处理模块。控制处理模块将增益控制信号发送至该可编程放大器。控制处理模块还将偏置信号经D/A转换模块发送至输入级缓冲和加法电路。
图15为应用本发明所设计具有霍尔元件的隔离电路的示波器结构示意图。如图所示，该示波器在上述现有示波器结构的基础上，在所述可编程放大器和高速ADC之间串接本发明所设计的具有霍尔元件的隔离电路，以实现信号隔离目的。同时，还在所述控制处理模块与可编程放大器之间，以及控制处理模块与D/A转换模块之间，串接有数字隔离器。
另外，如果所述可编程放大器的输出是差分信号，则在该可编程放大器与具有霍尔元件的隔离电路之间串接差分转单端电路，以将其差分信号转换为单端信号，供具有霍尔元件的隔离电路使用。
本发明所设计的具有霍尔元件的隔离电路及其示波器，通过变压器将输入信号进行隔离。其中，变压器的磁芯上设有缺口，该缺口处设置一霍尔元件，输入信号经变压器成高频输出信号，霍尔元件感应变压器磁芯的磁通生成低频反馈信号，该高频输出信号和低频反馈信号经第二放大器处理，生成隔离后的信号。由于霍尔元件与初级绕组物理上并未直接相连，因而电压隔离度只由变压器的初级绕组和次级绕组决定，实现的隔离度远高于现有方案中的隔离度，从而极大的扩展了隔离电路的带宽。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有霍尔元件的隔离电路，其特征在于，包括：变压器、霍尔元件、恒流源、第一放大器和第二放大器；
输入信号输入所述变压器的初级绕组的输入端；在所述变压器的磁芯上具有一个缺口；
所述霍尔元件，设置于所述缺口内，并与所述变压器磁芯的磁通线相垂直；该霍尔元件，与所述第一放大器的输入端相连，用于感应磁通变化产生反馈低频信号，并将该反馈低频信号输入该第一放大器；
所述恒流源，与所述霍尔元件的控制电极相连，用于为该霍尔元件提供恒定电流；
所述第一放大器，与所述第二放大器的同相输入端相连，用于放大所述反馈低频信号，并将放大后的反馈低频信号传送至第二放大器的同相输入端；
所述第二放大器的反相输入端与所述变压器的次级绕组的输出端相连，接入变压器输出的高频信号；在所述第二放大器的反相输入端和输出端之间跨接有电阻R；所述第二放大器，用于将所述高频信号和放大后的反馈低频信号相加，生成隔离后的输出信号并输出。
2.如权利要求1所述的具有霍尔元件的隔离电路，其特征在于：所述变压器的初级绕组和次级绕组反向缠绕在磁芯上；或，所述变压器的初级绕组和次级绕组组成双绞线缠绕在磁芯上。
3.如权利要求1所述的具有霍尔元件的隔离电路，其特征在于，所述变压器的磁芯缺口处的横截面积小于所述霍尔元件的磁感应面；和/或，
所述磁芯和霍尔元件贴合；和/或，
所述霍尔元件为裸薄片。
4.如权利要求1或2或3所示的具有霍尔元件的隔离电路，其特征在于，还包括缓冲电路；
所述缓冲电路，与所述变压器的初级绕组的输入端相连，用于接入并增强输入信号。
5.如权利要求4所述的具有霍尔元件的隔离电路，其特征在于，所述缓冲电路为全差分放大电路，用于接收差分输入信号。
6.如权利要求1或2或3所述的具有霍尔元件的隔离电路，其特征在于：还包括消磁电路，与所述第二放大器的同相输入端相连，用于产生幅度逐渐变小正负变化的消磁电流输入所述第二放大器，以对所述变压器磁芯进行消磁。
7.如权利要求4所述的具有霍尔元件的隔离电路，其特征在于：还包括消磁电路，与所述第二放大器的同相输入端相连，用于产生幅度逐渐变小正负变化的消磁电流输入所述第二放大器，以对所述变压器磁芯进行消磁。
8.一种具有霍尔元件的隔离电路的示波器，包括：衰减切换模块、输入级缓冲和加法电路、可编程放大器、高速ADC、控制处理模块和D/A转换模块；输入信号依次经衰减切换模块、输入级缓冲和加法电路、可编程放大器、高速ADC传送至控制处理模块；控制处理模块将增益控制信号发送至该可编程放大器；控制处理模块还将偏置信号经D/A转换模块发送至输入级缓冲和加法电路；其特征在于：
在所述可编程放大器和高速ADC之间串接有权利要求1至7中任意一种具有霍尔元件的隔离电路，以实现信号隔离目的；
在所述控制处理模块与可编程放大器之间，以及控制处理模块与D/A转换模块之间，还串接有数字隔离器。
9.如权利要求8所述的具有霍尔元件的隔离电路的示波器，其特征在于：所述可编程放大器的输出为差分信号；在该可编程放大器与所述具有霍尔元件的隔离电路之间，串接有差分转单端电路，以将所述差分信号转换为单端信号。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210559000.6A CN103884887A (zh) | 2012-12-20 | 2012-12-20 | 一种具有霍尔元件的隔离电路及其示波器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210559000.6A CN103884887A (zh) | 2012-12-20 | 2012-12-20 | 一种具有霍尔元件的隔离电路及其示波器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103884887A true CN103884887A (zh) | 2014-06-25 |
Family
ID=50953893
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210559000.6A Pending CN103884887A (zh) | 2012-12-20 | 2012-12-20 | 一种具有霍尔元件的隔离电路及其示波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103884887A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104391169A (zh) * | 2014-12-19 | 2015-03-04 | 重庆川仪自动化股份有限公司 | 一种双线霍尔电流传感器 |
| CN104459266A (zh) * | 2014-12-12 | 2015-03-25 | 重庆和平自动化工程股份有限公司 | 一种电量隔离模块电路 |
| CN105807117A (zh) * | 2014-12-29 | 2016-07-27 | 苏州普源精电科技有限公司 | 用于电流测量探头的电流感测电路及其电流测量探头 |
| CN106501562A (zh) * | 2015-09-04 | 2017-03-15 | 福特全球技术公司 | 用于电磁干扰噪音源的隔离差分电压探针 |
| CN109030906A (zh) * | 2017-06-09 | 2018-12-18 | 北京普源精电科技有限公司 | 一种电流探头 |
| CN111105925A (zh) * | 2018-10-27 | 2020-05-05 | 杨勇 | 基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置及方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03235065A (en) * | 1990-02-09 | 1991-10-21 | Yaskawa Electric Mfg Co Ltd | Electromagnetic type digital current detector |
| DE4230939A1 (de) * | 1992-09-16 | 1994-03-17 | Heidelberger Druckmasch Ag | Schaltungsanordnung zum Ändern oder Kompensieren elektrischer Eigenschaften eines Stromwandlers mit Magnetfeldkompensation |
| JPH0886813A (ja) * | 1994-09-19 | 1996-04-02 | Yazaki Corp | 非接触型センサの検出回路 |
| US5896028A (en) * | 1996-03-19 | 1999-04-20 | Yazaki Coporation | Non-contact type sensor driven from a single power supply for allowing a compact configuration and reduced power consumption |
| WO2007133977A2 (en) * | 2006-05-08 | 2007-11-22 | Tektronix, Inc. | Current sensing circuit for use in a current measurement probe |
| WO2007133980A2 (en) * | 2006-05-08 | 2007-11-22 | Tektronix, Inc. | Input by-pass circuit for a current probe |
| CN101788578A (zh) * | 2009-12-25 | 2010-07-28 | 北京普源精电科技有限公司 | 一种具有模拟前端电路的示波器 |
| CN201819940U (zh) * | 2010-08-11 | 2011-05-04 | 山东科技大学 | 电力检测专用多通道电气隔离数字示波器 |
-
2012
- 2012-12-20 CN CN201210559000.6A patent/CN103884887A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03235065A (en) * | 1990-02-09 | 1991-10-21 | Yaskawa Electric Mfg Co Ltd | Electromagnetic type digital current detector |
| DE4230939A1 (de) * | 1992-09-16 | 1994-03-17 | Heidelberger Druckmasch Ag | Schaltungsanordnung zum Ändern oder Kompensieren elektrischer Eigenschaften eines Stromwandlers mit Magnetfeldkompensation |
| JPH0886813A (ja) * | 1994-09-19 | 1996-04-02 | Yazaki Corp | 非接触型センサの検出回路 |
| US5896028A (en) * | 1996-03-19 | 1999-04-20 | Yazaki Coporation | Non-contact type sensor driven from a single power supply for allowing a compact configuration and reduced power consumption |
| WO2007133977A2 (en) * | 2006-05-08 | 2007-11-22 | Tektronix, Inc. | Current sensing circuit for use in a current measurement probe |
| WO2007133980A2 (en) * | 2006-05-08 | 2007-11-22 | Tektronix, Inc. | Input by-pass circuit for a current probe |
| CN101788578A (zh) * | 2009-12-25 | 2010-07-28 | 北京普源精电科技有限公司 | 一种具有模拟前端电路的示波器 |
| CN201819940U (zh) * | 2010-08-11 | 2011-05-04 | 山东科技大学 | 电力检测专用多通道电气隔离数字示波器 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 余萍等: "《通信电子电路》", 31 October 2010, 清华大学出版社 * |
| 彭端等: "《电工与电子技术实验教程》", 30 June 2011, 武汉大学出版社 * |
| 洪志刚等: "《传感器原理及应用》", 31 August 2007, 中南大学出版社 * |
| 贾书圣: "《模拟电子学》", 31 March 1989, 高等教育出版社 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104459266A (zh) * | 2014-12-12 | 2015-03-25 | 重庆和平自动化工程股份有限公司 | 一种电量隔离模块电路 |
| CN104391169A (zh) * | 2014-12-19 | 2015-03-04 | 重庆川仪自动化股份有限公司 | 一种双线霍尔电流传感器 |
| CN105807117A (zh) * | 2014-12-29 | 2016-07-27 | 苏州普源精电科技有限公司 | 用于电流测量探头的电流感测电路及其电流测量探头 |
| CN105807117B (zh) * | 2014-12-29 | 2020-01-31 | 苏州普源精电科技有限公司 | 用于电流测量探头的电流感测电路及其电流测量探头 |
| CN106501562A (zh) * | 2015-09-04 | 2017-03-15 | 福特全球技术公司 | 用于电磁干扰噪音源的隔离差分电压探针 |
| CN106501562B (zh) * | 2015-09-04 | 2021-06-29 | 福特全球技术公司 | 用于电磁干扰噪音源的隔离差分电压探针 |
| CN109030906A (zh) * | 2017-06-09 | 2018-12-18 | 北京普源精电科技有限公司 | 一种电流探头 |
| CN111105925A (zh) * | 2018-10-27 | 2020-05-05 | 杨勇 | 基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置及方法 |
| CN111105925B (zh) * | 2018-10-27 | 2021-12-28 | 杨勇 | 基于去磁电感滤波磁路的高压直流输电线感应取能装置及方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103884887A (zh) | 一种具有霍尔元件的隔离电路及其示波器 | |
| CN1243248C (zh) | 一种电流传感器 | |
| CN103575960B (zh) | 巨磁阻效应电流传感器 | |
| US10436821B2 (en) | Apparatus for detecting AC components in a DC circuit and use of the apparatus | |
| CN202886483U (zh) | 一种低频大电容测量装置 | |
| CN104155499A (zh) | 基于组合式pcb型罗氏线圈的电流测量装置及方法 | |
| CN100501415C (zh) | 一种高抗干扰的交流电流/磁场传感器 | |
| CN1267734C (zh) | 双重检测式电流传感器 | |
| CN103884893A (zh) | 一种分路线性隔离电路及其示波器 | |
| CN103592490A (zh) | 一种高准确度电子补偿式电流互感器 | |
| CN103884894A (zh) | 一种改进的分路线性隔离电路及其示波器 | |
| CN102129059A (zh) | 电流互感器校验用5ka零磁道式直流电流比较仪 | |
| CN105606963B (zh) | 一种用于测量电缆泄漏高频电流的测试电路 | |
| CN103884895A (zh) | 一种多路线性隔离电路及其示波器 | |
| CN203535102U (zh) | 巨磁阻效应电流传感器 | |
| Whitlock | Balanced lines in audio systems: Fact, fiction, and transformers | |
| CN103884888A (zh) | 具有万用表功能的示波器 | |
| Niklaus et al. | Beyond 50 MHz bandwidth extension of commercial DC-current measurement sensors with ultra-compact PCB-integrated pickup coils | |
| CN2689240Y (zh) | 双重检测式电流传感器 | |
| CN105548644A (zh) | 一种双线并绕的罗氏线圈及信号处理方法 | |
| CN2670951Y (zh) | 一种电流传感器 | |
| CN105304303A (zh) | 一种精密交直流大电流互感器 | |
| CN209803219U (zh) | 一种磁隔离器 | |
| CN201955464U (zh) | 电流互感器校验用5ka零磁道式直流电流比较仪 | |
| Ghislanzoni et al. | A DC current transformer for large bandwidth and high common-mode rejection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140625 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |