CN106199113A - 一种有源高压差分探头装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种有源高压差分探头装置，所述探头装置包括探头本体和探针，所述探头本体包括阻容衰减单元A、隔离单元B、差动放大单元C、转换单元D和供电单元E；所述阻容衰减单元A用于将探针输入的高压信号进行衰减；所述隔离单元B用于实现高压输入与低压输出两者之间真正的电气隔离，并将电压信号进一步进行衰减；所述差动放大单元C用于抑制共模信号、提高共模抑制比和对差模电压进行放大；所述转换单元D用于再次对模电压放大并将输入电压转换成单端对地电压。本发明的有益效果是有效解决了传统探头在测量高压信号时存在的不足和弊端，不仅能准确测量高压信号，而且做到防止昂贵的示波器遭受损坏，有效的保护测量人员的人身安全。

Description

一种有源高压差分探头装置

技术领域

本发明属于探头领域，尤其是涉及一种有源高压差分探头装置。

背景技术

示波器是一种常用的仪器，它能够显示电压随着时间的变化，把电信号转换成图像显示，而示波器探头是与示波器配套使用的，探头包括有源探头、无源探头等。

所述有源探头又包括有源单端探头、有源差分探头，无源探头包括高压探头、传输线探头，因此我们在平常做实验时应该谨慎选择示波器探头种类，才能够避免对示波器的损坏。在平常测试电路波形(尤其是电机电路波形)的时候，如果我们使用普通的无源探头会出现以下很多问题：如果示波器接地，会导致高压信号通过无源探头的接地线对地短路，从而造成示波器、被测量设备以及连在示波器上的其它设备的损坏。无论示波器是不是与地相连，示波器有多个通道，他们之间是共地的，在用无源探头做测试时，如果这多个通道的探头的地线与电位不同的电路节点相连接，这两个节点就会发生短路现象，被测设备有可能会因此而造成损坏。

针对以上传统探头的缺点，出于对示波器的保护和人身安全考虑，我们就需要有源差分探头来进行“浮地”测量，这里所说的“浮地”指的是，我们测量的两个节点都不接地，将高压信号转换成一个对电源地的一个低压信号来测量信号波形。这样就能够避免前边所述用常规探头引起的多种危险问题。同时差分探头因为具有很高的共模抑制比，因此其同时具有比较强的抗干扰能力。

专利号CN202975105U没有对信号进行隔离，测量时易使电路受损，差动放大电路的阻抗不匹配，差分信号不能转换成示波器对地电压，信号质量不稳定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有源高压差分探头装置，该探头传输频率范围0-10MHZ，具有很高的共模抑制比，抗干扰能力强，从而有效解决示波器测量高压信号中的危险难题。

本发明的技术方案是：

一种有源高压差分探头装置，所述探头装置包括探头本体和探针，所述探头本体包括阻容衰减单元A、隔离单元B、差动放大单元C、转换单元D和供电单元E；

所述阻容衰减单元A包括阻容衰减单元信号输入端、阻容衰减单元信号输出端和阻容衰减单元电源输入端，所述阻容衰减单元信号输入端与探针相连；

所述隔离单元B包括隔离单元信号输入端、隔离单元信号输出端和隔离单元电源输入端，所述隔离单元信号输入端与阻容衰减单元信号输出端相连；

所述差动放大单元C包括差动放大单元信号输入端、差动放大单元信号输出端和差动放大单元电源输入端，所述差动放大单元信号输入端与隔离单元信号输出端相连；

所述转换单元D包括转换单元信号输入端、转换单元信号输出端和转换单元电源输入端，所述转换单元信号输入端与差动放大单元信号输出端相连，所述转换单元信号输出端与示波器相连；

所述供电单元E包括供电单元输入端和供电单元输出端，所述供电单元输入端与市电相连，所述供电单元输出端包括第一电源输出端、第二电源输出端和、第三电源输出端和第四电源输出端，所述第一电源输出端与阻容衰减单元电源输入端相连，所述第二电源输出端与隔离单元电源输入端相连，所述第三电源输出端与差动放大单元电源输入端相连，所述第四电源输出端转换单元电源输入端相连；

所述阻容衰减单元A用于将探针输入的高压信号按照n1：1的比例进行衰减，所述n1为正整数；所述隔离单元B用于实现高压输入与低压输出两者之间真正的电气隔离，并将电压信号进一步按照n2：1的比例进行衰减，所述n2为正整数；所述差动放大单元C用于抑制共模信号、提高共模抑制比和对差模电压进行放大；所述转换单元D用于再次对模电压放大并将输入电压转换成单端对地电压；所述供电单元E用于将交流的市电分别转换为阻容衰减单元A、隔离单元B、差动放大单元C和转换单元D所需的直流电源。

所述阻容衰减单元A包括第一电阻R1～第四电阻R4、第一电容C1～第四电容C4、阻容衰减单元信号输入端AI1、阻容衰减单元信号输入端AI2、阻容衰减单元信号输出端AO1、阻容衰减单元信号输出端AO2，其中，所述第一电阻R1和第一电容C1并联后第一端为阻容衰减单元信号输入端AI1，所述第一电阻R1和第一电容C1并联后第二端与所述第二电容C2和第二电阻R2并联后的第一端相连且连接处为阻容衰减单元信号输出端AO1；所述第三电阻R3和第三电容C3并联后第一端为阻容衰减单元信号输入端AI2，所述第三电阻R3和第三电容C3并联后第二端与所述第四电容C4和第四电阻R4并联后的第一端相连且连接处为阻容衰减单元信号输出端AO2；所述第二电容C2和第二电阻R2并联后的第二端、所述第四电容C4和第四电阻R4并联后的第二端与供电单元的第一电源输出端引脚VCC1相连。

所述阻容衰减单元信号输入端AI1和AI2的输入信号频率范围为30HZ-10KHZ时，所述阻容衰减单元信号输入端AI1、AI2和阻容衰减单元信号输出端AO1、AO2分压比K1只与电阻比值有关系，此时满足关系式：

$K1=\frac{R2}{R1}=\frac{R4}{R3}$

所述阻容衰减单元信号输入端AI1和AI2的输入信号频率范10K-10MHZ时，第一电容C1～第四电容C4会产生阻抗Rcx，所述阻容衰减单元信号输入端AI1、AI2和阻容衰减单元信号输出端AO1、AO2分压比K1将发生变化，根据公式此时分压比满足关系式：

$K1=\frac{\frac{R2*R_{C2}}{R2+R_{C2}}}{\frac{R1*R_{C1}}{R1+R_{C1}}}=\frac{\frac{R4*R_{C4}}{R4+R_{C4}}}{\frac{R3*R_{C3}}{R3+R_{C3}}}$

其中,f为输入信号频率，C_X为电容值，通过将固定电容阻抗R_C1、R_C2带入公式可计算出分压比K1保持不变时第二电容电容C2、第四电容C4的大小。

所述隔离单元B包括第七电阻R7～第十六电阻R16、第一场效应管J1、第二场效应管J2、第一三极管Q1～第三三极管Q3、隔离单元信号输入端BI1、阻容衰减单元信号输入端BI2、隔离单元信号输出端BO1、阻容衰减单元信号输出端BO2，其中，所述第一场效应管J1的栅极为隔离单元信号输入端BI1，所述隔离单元信号输入端BI1与阻容衰减单元信号输出端AO1相连，所述第二场效应管J2的栅极为隔离单元信号输入端BI2，所述隔离单元输入端BI2与阻容衰减单元信号输出端AO2相连；

所述第七电阻R7的第一端和第八电阻R8的第一端分别与隔离单元电压输入端的端子VCC2相连，所述第七电阻R7的第二端、第一三极管Q1的集电极、第一场效应管J1的漏极分别相连且相连处为隔离单元信号输出端BO1，所述第一场效应管J1的源极与第一三极管Q1的基极和第九电阻R9的第一端相连，所述第一三极管Q1的射极、第九电阻R9的第二端、第十一电阻R11的第一端、第十三电阻R13和第十四电阻R14并联后的第一端分别相连；所述第八电阻R8的第二端、第二三极管Q2的集电极、第二场效应管J2的漏极分别相连且相连处为隔离单元信号输出端BO2，所述第二场效应管J2的源极与第二三极管Q2的基极和第十电阻R10的第一端相连，所述第二三极管Q2的射极、第十电阻R10的第二端、第十二电阻R12的第一端、第十三电阻R13和第十四电阻R14并联后的第二端分别相连；

所述第十一电阻R11的第二端和第十二电阻R12的第二端分别与第三三极管Q3的集电极相连，所述第三三极管Q3的射极与第十六电阻R16的第一端相连，所述第十六电阻R16的第二端和第十五电阻R15的第一端分别与隔离单元的电源输入端的端子VDD1相连，所述第十五电阻R15的第二端和第三三极管Q3的基极分别与供电单元的第二电源输出端的引脚地PE相连。

所述差动放大单元C包括第十七电阻R17～第二十二电阻R22、第七电容C7～第九电容C9、集成模块IC1、差动放大单元信号输入端CI1、差动放大单元信号输入端CI2、差动放大单元信号输出端CO1、差动放大单元信号输出端CO2，其中，所述第十九电阻R19的第一端为差动放大单元信号输入端CI1，所述差动放大单元信号输入端CI1与隔离单元信号输出端BO1相连，所述第二十电阻R20的第一端为差动放大单元信号输入端CI2，所述差动放大单元信号输入端CI2与隔离单元信号输出端BO2相连；

所述第十九电阻R19的第二端分别与集成模块IC1的引脚1和第二十一电阻R21的第一端相连，所述第二十一电阻R21的第二端与集成模块IC1的引脚6相连，所述第二十一电阻R21的第二端和集成模块IC1的引脚6相连处为差动放大单元信号输出端CO1；所述第二十电阻R20的第二端分别与集成模块IC1的引脚3和第二十二电阻R22的第一端相连，所述第二十二电阻R22的第二端与集成模块IC1的引脚5相连，所述第二十二电阻R22的第二端和集成模块IC1的引脚5相连处为差动放大单元信号输出端CO1；

所述第十七电阻R17为可调电阻，所述第十七电阻R17的两个固定端与隔离单元电源输入端的引脚+VCC3和-VCC3相连，所述第十七电阻R17的动触端串联第十八电阻R18后与集成模块IC1的引脚2相连；

所述第七电容C7的第一端、第八电容C8的第一端、集成模块IC1的引脚7分别与隔离单元电源输入端的端子+VCC3相连，所述第七电容C7的第二端与隔离单元电源输入端的地PE相连，所述第八电容C8的第二端、第九电容C9的第一端和集成模块IC1的引脚4分别与隔离单元电源输入端引脚-VCC3相连，所述第九电容C9的第二端与隔离单元电源输入端的引脚地PE相连。

所述差动放大单元信号输出端CO1和CO2之间差分输出电压绝对值(|U_CO1-U_CO2|)与差动放大单元信号输入端CI1和CI2之间差分输入电压(|U_CI1-U_CI2|)之比K2满足关系式：

$K2=\frac{\left|U_{CO1}-U_{CO2}\right|}{\left|U_{CI1}-U_{CI2}\right|}=\frac{R21}{R19}=\frac{R22}{R20}$

所述集成模块IC1采用LMH6552芯片，所述LMH6552芯片允许最高信号频率为1GHz。

所述转换单元D包括第二十三电阻R23～第二十七电阻R27、集成模块IC2、转换单元信号输入端DI1、转换单元信号输入端DI2、转换单元信号输出端DO，所述第二十三电阻R23的第一端为转换单元信号输入端DI1，所述第二十四电阻R24的第一端为转换单元信号输入端DI2，所述转换单元信号输入端DI1与差动放大单元信号输出端CO1相连，所述转换单元信号输入端DI2与差动放大单元信号输出端CO2相连；

所述第二十六电阻R26为可调电阻，所述第二十六电阻R26的第一固定端和动触端分别与转换单元电源输入端的引脚地PE相连，所述第二十六电阻R26的第二固定端与第二十五电阻R25的第一端相连，所述第二十五电阻R25的第二端、集成模块IC2引脚1分别与第二十三电阻R23的第二端相连；

所述第二十四电阻R24的第二端分别与集成模块IC2引脚2和第二十七电阻R27的第一端相连，所述第二十七电阻R27的第二端与集成模块IC2引脚5相连且相连处为转换单元信号输出端DO，所述集成模块IC2引脚3和引脚4分别与转换单元电源输入端的引脚+VCC4和-VCC4相连。

所述集成模块IC2采用LM6265N芯片，允许最高信号频率为725MHz。

本发明具有的优点和积极效果是：有效解决了传统探头在测量高压信号时存在的不足和弊端，不仅能准确测量高压信号，而且做到防止昂贵的示波器遭受损坏，有效的保护测量人员的人身安全。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的阻容衰减单元电路图；

图3是本发明的隔离单元电路示意图；

图4是本发明的的差动放大单元电路图；

图5是本发明的转换单元电路图。

具体实施方式

下面参照结合附图和实施例对本发明作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，并非限定本发明，因此，本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-5所示，本发明包括探头本体和探针，所述探头本体包括阻容衰减单元A、隔离单元B、差动放大单元C、转换单元D和供电单元E；

所述阻容衰减单元A包括阻容衰减单元信号输入端、阻容衰减单元信号输出端和阻容衰减单元电源输入端，所述阻容衰减单元信号输入端与探针相连；

所述隔离单元B包括隔离单元信号输入端、隔离单元信号输出端和隔离单元电源输入端，所述隔离单元信号输入端与阻容衰减单元信号输出端相连；

所述差动放大单元C包括差动放大单元信号输入端、差动放大单元信号输出端和差动放大单元电源输入端，所述差动放大单元信号输入端与隔离单元信号输出端相连；所述转换单元D包括转换单元信号输入端、转换单元信号输出端和转换单元电源输入端，所述转换单元信号输入端与差动放大单元信号输出端相连，所述转换单元信号输出端与示波器相连；

所述供电单元E包括供电单元输入端和供电单元输出端，所述供电单元输入端与市电相连，所述供电单元输出端包括第一电源输出端、第二电源输出端和、第三电源输出端和第四电源输出端，所述第一电源输出端与阻容衰减单元电源输入端相连，所述第二电源输出端与隔离单元电源输入端相连，所述第三电源输出端与差动放大单元电源输入端相连，所述第四电源输出端转换单元电源输入端相连；所述阻容衰减单元A用于将探针输入的高压信号按照n1：1的比例进行衰减，所述n1为正整数；所述隔离单元B用于实现高压输入与低压输出两者之间真正的电气隔离，并将电压信号进一步按照n2：1的比例进行衰减，所述n2为正整数；所述差动放大单元C用于抑制共模信号、提高共模抑制比和对差模电压进行放大；所述转换单元D用于再次对模电压放大并将输入电压转换成单端对地电压；所述供电单元E用于将交流的市电分别转换为阻容衰减单元A、隔离单元B、差动放大单元C和转换单元D所需的直流电源。

所述阻容衰减单元A包括第一电阻R1～第四电阻R4、第一电容C1～第四电容C4、阻容衰减单元信号输入端AI1、阻容衰减单元信号输入端AI2、阻容衰减单元信号输出端AO1、阻容衰减单元信号输出端AO2，其中，所述第一电阻R1和第一电容C1并联后第一端为阻容衰减单元信号输入端AI1，所述第一电阻R1和第一电容C1并联后第二端与所述第二电容C2和第二电阻R2并联后的第一端相连且连接处为阻容衰减单元信号输出端AO1；所述第三电阻R3和第三电容C3并联后第一端为阻容衰减单元信号输入端AI2，所述第三电阻R3和第三电容C3并联后第二端与所述第四电容C4和第四电阻R4并联后的第一端相连且连接处为阻容衰减单元信号输出端AO2；所述第二电容C2和第二电阻R2并联后的第二端、所述第四电容C4和第四电阻R4并联后的第二端与供电单元的第一电源输出端引脚VCC1相连，其中C1、C3为固定电容，电容C2、C4为可变电容,当输入信号频率很低时，输入、输出分压比K只与电阻有关。

所述供电单元的第一电源输出端引脚VCC1优先选用-DC6V，用于和零电位点形成电位差，使该部分电路正常工作。

所述阻容衰减单元信号输入端AI1和AI2的输入信号频率30HZ-10KHZ时，阻容衰减单元信号输入端AI1、AI2和阻容衰减单元信号输出端AO1、AO2分压比K1只与输入有关系，此时满足关系式：

$K1=\frac{R2}{R1}=\frac{R4}{R3}$

所述阻容衰减单元信号输入端AI1和AI2的输入信号频率范围10K-10MHZ时，第一电容C1～第四电容C4会产生阻抗Rcx，所述阻容衰减单元信号输入端AI1、AI2和阻容衰减单元信号输出端AO1、AO2分压比K1将发生变化，根据公式此时分压比满足关系式：

$K1=\frac{\frac{R2*R_{C2}}{R2+R_{C2}}}{\frac{R1*R_{C1}}{R1+R_{C1}}}=\frac{\frac{R4*R_{C4}}{R4+R_{C4}}}{\frac{R3*R_{C3}}{R3+R_{C3}}}$

其中,f为输入信号频率，C_X为电容值，通过将固定电容阻抗R_C1、R_C2带入公式可计算出分压比K1保持不变时第二电容电容C2、第四电容C4的大小。

本发明优先选用R1＝R3＝50MΩ,R2＝R4＝16.8KΩ,C1、C3取10pf，可计算出C2、C4为100pf，使得分压比为3000：1。

所述隔离单元B包括第七电阻R7～第十六电阻R16、第一场效应管J1、第二场效应管J2、第一三极管Q1～第三三极管Q3、隔离单元信号输入端BI1、阻容衰减单元信号输入端BI2、隔离单元信号输出端BO1、阻容衰减单元信号输出端BO2，其中，所述第一场效应管J1的栅极为隔离单元信号输入端BI1，所述隔离单元信号输入端BI1与阻容衰减单元信号输出端AO1相连，所述第二场效应管J2的栅极为隔离单元信号输入端BI2，所述隔离单元输入端BI2与阻容衰减单元信号输出端AO2相连；

所述第七电阻R7的第一端和第八电阻R8的第一端分别与供电电源E的第二电源输入端引脚VCC2相连，通过电阻R7、R8分别给JFET元件J1、J2供电。所述第七电阻R7的第二端、第一三极管Q1的集电极、第一场效应管J1的漏极分别相连且相连处为隔离单元信号输出端BO1，所述第一场效应管J1的源极与第一三极管Q1的基极和第九电阻R9的第一端相连，所述第一三极管Q1的射极、第九电阻R9的第二端、第十一电阻R11的第一端、第十三电阻R13和第十四电阻R14并联后的第一端分别相连，R13与R14之间存在一个开关，当R13与R14并联连接时，衰减比例设为1:1，当断开R13时衰减比例设为1:0.1；所述第八电阻R8的第二端、第二三极管Q2的集电极、第二场效应管J2的漏极分别相连且相连处为隔离单元信号输出端BO2，所述第二场效应管J2的源极与第二三极管Q2的基极和第十电阻R10的第一端相连，所述第二三极管Q2的射极、第十电阻R10的第二端、第十二电阻R12的第一端、第十三电阻R13和第十四电阻R14并联后的第二端分别相连；所述VCC2优先选取DC6V。所述第十一电阻R11的第二端和第十二电阻R12的第二端分别与第三三极管Q3的集电极相连，其中J1、J2及R7-R12组成差动电路，用于放大有用差模信号，抑制共模信号，提高共模抑制比。

图2右侧电路为恒流源电路主要由三极管Q3构成，所述第三三极管Q3的射极与第十六电阻R16的第一端相连，三极管Q3工作在饱和区，集电极电流基本保持不变,构成简单的恒流源电路，为JFET提供偏置电压。所述第十六电阻R16的第二端和第十五电阻R15的第一端分别与隔离单元的电源输入端的引脚VDD1相连，所述第十五电阻R15的第二端和第三三极管Q3的基极分别与供电单元的第二电源输出端的引脚地PE相连，所述VDD1优先选取-DC12V，用于和零地形成电位差，使该部分电路正常工作。

所述差动放大单元C主要由集成芯片IC1及其外围电路组成，包括第十七电阻R17～第二十二电阻R22、第七电容C7～第九电容C9、集成模块IC1、差动放大单元信号输入端CI1、差动放大单元信号输入端CI2、差动放大单元信号输出端CO1、差动放大单元信号输出端CO2，其中，所述第十九电阻R19的第一端为差动放大单元信号输入端CI1，所述差动放大单元信号输入端CI1与隔离单元信号输出端BO1相连，所述第二十电阻R20的第一端为差动放大单元信号输入端CI2，所述差动放大单元信号输入端CI2与隔离单元信号输出端BO2相连，差分信号分别由CI1、CI2进入IC1的输入管脚1和3；

所述第十九电阻R19的第二端分别与集成模块IC1的引脚1和第二十一电阻R21的第一端相连，所述第二十一电阻R21的第二端与集成模块IC1的引脚6相连，所述第二十一电阻R21的第二端和集成模块IC1的引脚6相连处为差动放大单元信号输出端CO1；所述第二十电阻R20的第二端分别与集成模块IC1的引脚3和第二十二电阻R22的第一端相连，所述第二十二电阻R22的第二端与集成模块IC1的引5相连，所述第二十二电阻R22的第二端和集成模块IC1的引脚5相连处为差动放大单元信号输出端CO1；

所述第十七电阻R17为可调电阻，所述第十七电阻R17的两个固定端与隔离单元电源输入端的引脚+VCC3和-VCC3相连，所述第十七电阻R17的动触端串联第十八电阻R18后与集成模块IC1的引脚2相连，以上构成使能信号控制IC1工作；所述第七电容C7的第一端、第八电容C8的第一端、集成模块IC1的引脚7分别与隔离单元电源输入端引脚+VCC3相连，所述第七电容C7的第二端与隔离单元电源输入端的地PE相连，所述第八电容C8的第二端、第九电容C9的第一端和集成模块IC1的引脚4分别与隔离单元电源输入端引脚-VCC3相连，所述第九电容C9的第二端与隔离单元电源输入端的引脚地PE相连，电容C7、C8、C9对电源进行滤波。所述+VCC3和-VCC3优先选取+DC6V、-DC6V，用于对集成芯片IC1供电。

所述差动放大单元信号输出端CO1和CO2之间差分输出电压绝对值(|U_CO1-U_CO2|)与差动放大单元信号输入端CI1和CI2之间差分输入电压(|U_CI1-U_CI2|)之比K2满足关系式：

$K2=\frac{\left|U_{CO1}-U_{CO2}\right|}{\left|U_{CI1}-U_{CI2}\right|}=\frac{R21}{R19}=\frac{R22}{R20}$

所述集成模块IC1采用LMH6552芯片，所述LMH6552芯片允许最高信号频率为1GHz。

所述转换单元D包括第二十三电阻R23～第二十七电阻R27、集成模块IC2、转换单元信号输入端DI1、转换单元信号输入端DI2、转换单元信号输出端DO，所述第二十三电阻R23的第一端为转换单元信号输入端DI1，所述第二十四电阻R24的第一端为转换单元信号输入端DI2，所述转换单元信号输入端DI1与差动放大单元信号输出端CO1相连，所述转换单元信号输入端DI2与差动放大单元信号输出端CO2相连，差分信号通过R23、R24进入集成运放IC2的输入端口1和2；

所述第二十六电阻R26为可调电阻，所述第二十六电阻R26的第一固定端和动触端分别与转换单元电源输入端的引脚地PE相连，所述第二十六电阻R26的第二固定端与第二十五电阻R25的第一端相连，所述第二十五电阻R25的第二端、集成模块IC2引脚1分别与第二十三电阻R23的第二端相连；

所述第二十四电阻R24的第二端分别与集成模块IC2引脚2和第二十七电阻R27的第一端相连，所述第二十七电阻R27的第二端与集成模块IC2引脚5相连且相连处为转换单元信号输出端DO，所述集成模块IC2引脚3和引脚4分别与转换单元电源输入端的引脚+VCC4和-VCC4相连，用来给IC2供电，所述+VCC3和-VCC3优先选取+DC6V、-DC6V

集成模块IC2的作用是将差分电压信号转换成单端对电源第的电压，同时将其放大，由运放的“虚短”和“虚断”可得:

$\frac{U_{DI2}-U_4}{R24}=\frac{U_4-U_{DO}}{R27}$

$\frac{U_{DI1}-U_2}{R23}=\frac{U_2}{R25+R26}$

其中，U2＝U4，取R23＝R24＝365Ω,R27＝750Ω,R25＝732Ω,调节R26，使得U_DIO为∣U_DI1-U_DI2∣的两倍。

所述集成模块IC2优先采用LM6265N芯片，允许最高信号频率为725MHz。

本实施例的工作过程：所述探针分别接触测量点后，两路浮地的电压信号进入阻容衰减单元A，经过3000：1衰减后两路信号的压差衰减3000倍，进入隔离单元B进行电气隔离后形成差分信号，所述差分信号进入差动放大单元C，所述差分信号在差动放大单元C被放大5倍后进入双端转单端输出的转换单元D，双端转单端输出单元将两路差分信号放大2倍后转为单端对地电压，这样探头输入与输出之间的衰减比为：300：1。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种有源高压差分探头装置，其特征在于：所述探头装置包括探头本体和探针，所述探头本体包括阻容衰减单元A、隔离单元B、差动放大单元C、转换单元D和供电单元E；

所述阻容衰减单元A包括阻容衰减单元信号输入端、阻容衰减单元信号输出端和阻容衰减单元电源输入端，所述阻容衰减单元信号输入端与探针相连；

所述隔离单元B包括隔离单元信号输入端、隔离单元信号输出端和隔离单元电源输入端，所述隔离单元信号输入端与阻容衰减单元信号输出端相连；

所述差动放大单元C包括差动放大单元信号输入端、差动放大单元信号输出端和差动放大单元电源输入端，所述差动放大单元信号输入端与隔离单元信号输出端相连；

所述转换单元D包括转换单元信号输入端、转换单元信号输出端和转换单元电源输入端，所述转换单元信号输入端与差动放大单元信号输出端相连，所述转换单元信号输出端与示波器相连；

所述供电单元E包括供电单元输入端和供电单元输出端，所述供电单元输入端与市电相连，所述供电单元输出端包括第一电源输出端、第二电源输出端和、第三电源输出端和第四电源输出端，所述第一电源输出端与阻容衰减单元电源输入端相连，所述第二电源输出端与隔离单元电源输入端相连，所述第三电源输出端与差动放大单元电源输入端相连，所述第四电源输出端转换单元电源输入端相连；

所述阻容衰减单元A用于将探针输入的高压信号按照n1：1的比例进行衰减，所述n1为正整数；所述隔离单元B用于实现高压输入与低压输出两者之间真正的电气隔离，并将电压信号进一步按照n2：1的比例进行衰减，所述n2为正整数；所述差动放大单元C用于抑制共模信号、提高共模抑制比和对差模电压进行放大；所述转换单元D用于再次对模电压放大并将输入电压转换成单端对地电压；所述供电单元E用于将交流的市电分别转换为阻容衰减单元A、隔离单元B、差动放大单元C和转换单元D所需的直流电源。

2.根据权利要求1所述的有源高压差分探头装置，其特征在于：所述阻容衰减单元A包括第一电阻R1～第四电阻R4、第一电容C1～第四电容C4、阻容衰减单元信号输入端AI1、阻容衰减单元信号输入端AI2、阻容衰减单元信号输出端AO1、阻容衰减单元信号输出端AO2，其中，所述第一电阻R1和第一电容C1并联后第一端为阻容衰减单元信号输入端AI1，所述第一电阻R1和第一电容C1并联后第二端与所述第二电容C2和第二电阻R2并联后的第一端相连且连接处为阻容衰减单元信号输出端AO1；所述第三电阻R3和第三电容C3并联后第一端为阻容衰减单元信号输入端AI2，所述第三电阻R3和第三电容C3并联后第二端与所述第四电容C4和第四电阻R4并联后的第一端相连且连接处为阻容衰减单元信号输出端AO2；所述第二电容C2和第二电阻R2并联后的第二端、所述第四电容C4和第四电阻R4并联后的第二端与供电单元的第一电源输出端引脚VCC1相连。

3.根据权利要求2所述的有源高压差分探头装置，其特征在于：所述阻容衰减单元信号输入端AI1和AI2的输入信号频率范围为30HZ-10KHZ时，所述阻容衰减单元信号输入端AI1、AI2和阻容衰减单元信号输出端AO1、AO2分压比K1只与电阻比值有关系，此时满足关系式：

$K1=\frac{R2}{R1}=\frac{R4}{R3}$

4.根据权利要求2所述的有源高压差分探头装置，其特征在于：所述阻容衰减单元信号输入端AI1和AI2的输入信号频率范围10K-10MHZ时，第一电容C1～第四电容C4会产生阻抗Rcx，所述阻容衰减单元信号输入端AI1、AI2和阻容衰减单元信号输出端AO1、AO2分压比K1将发生变化，

根据公式此时分压比满足关系式：

$K1=\frac{\frac{R2*R_{C2}}{R2+R_{C2}}}{\frac{R1*R_{C1}}{R1+R_{C1}}}=\frac{\frac{R4*R_{C4}}{R4+R_{C4}}}{\frac{R3*R_{C3}}{R3+R_{C3}}}$

其中,f为输入信号频率，C_X为电容值，通过将固定电容阻抗R_C1、R_C2带入公式可计算出分压比K1保持不变时第二电容电容C2、第四电容C4的大小。

5.根据权利要求1-4所述的有源高压差分探头装置，其特征在于：所述隔离单元B包括第七电阻R7～第十六电阻R16、第一场效应管J1、第二场效应管J2、第一三极管Q1～第三三极管Q3、隔离单元信号输入端BI1、阻容衰减单元信号输入端BI2、隔离单元信号输出端BO1、阻容衰减单元信号输出端BO2，其中，所述第一场效应管J1的栅极为隔离单元信号输入端BI1，所述隔离单元信号输入端BI1与阻容衰减单元信号输出端AO1相连，所述第二场效应管J2的栅极为隔离单元信号输入端BI2，所述隔离单元输入端BI2与阻容衰减单元信号输出端AO2相连；

所述第七电阻R7的第一端和第八电阻R8的第一端分别与隔离单元电压输入端的端子VCC2相连，所述第七电阻R7的第二端、第一三极管Q1的集电极、第一场效应管J1的漏极分别相连且相连处为隔离单元信号输出端BO1，所述第一场效应管J1的源极与第一三极管Q1的基极和第九电阻R9的第一端相连，所述第一三极管Q1的射极、第九电阻R9的第二端、第十一电阻R11的第一端、第十三电阻R13和第十四电阻R14并联后的第一端分别相连；所述第八电阻R8的第二端、第二三极管Q2的集电极、第二场效应管J2的漏极分别相连且相连处为隔离单元信号输出端BO2，所述第二场效应管J2的源极与第二三极管Q2的基极和第十电阻R10的第一端相连，所述第二三极管Q2的射极、第十电阻R10的第二端、第十二电阻R12的第一端、第十三电阻R13和第十四电阻R14并联后的第二端分别相连；

所述第十一电阻R11的第二端和第十二电阻R12的第二端分别与第三三极管Q3的集电极相连，所述第三三极管Q3的射极与第十六电阻R16的第一端相连，所述第十六电阻R16的第二端和第十五电阻R15的第一端分别与隔离单元的电源输入端的端子VDD1相连，所述第十五电阻R15的第二端和第三三极管Q3的基极分别与供电单元的第二电源输出端的引脚地PE相连。

6.根据权利要求5所述的有源高压差分探头装置，其特征在于：所述差动放大单元C包括第十七电阻R17～第二十二电阻R22、第七电容C7～第九电容C9、集成模块IC1、差动放大单元信号输入端CI1、差动放大单元信号输入端CI2、差动放大单元信号输出端CO1、差动放大单元信号输出端CO2，其中，所述第十九电阻R19的第一端为差动放大单元信号输入端CI1，所述差动放大单元信号输入端CI1与隔离单元信号输出端BO1相连，所述第二十电阻R20的第一端为差动放大单元信号输入端CI2，所述差动放大单元信号输入端CI2与隔离单元信号输出端BO2相连；

所述第十九电阻R19的第二端分别与集成模块IC1的引脚1和第二十一电阻R21的第一端相连，所述第二十一电阻R21的第二端与集成模块IC1的引脚6相连，所述第二十一电阻R21的第二端和集成模块IC1的引脚6相连处为差动放大单元信号输出端CO1；所述第二十电阻R20的第二端分别与集成模块IC1的引脚3和第二十二电阻R22的第一端相连，所述第二十二电阻R22的第二端与集成模块IC1的引脚5相连，所述第二十二电阻R22的第二端和集成模块IC1的引脚5相连处为差动放大单元信号输出端CO1；

所述第十七电阻R17为可调电阻，所述第十七电阻R17的两个固定端与隔离单元电源输入端的引脚+VCC3和-VCC3相连，所述第十七电阻R17的动触端串联第十八电阻R18后与集成模块IC1的引脚2相连；

所述第七电容C7的第一端、第八电容C8的第一端、集成模块IC1的引脚7分别与隔离单元电源输入端的端子+VCC3相连，所述第七电容C7的第二端与隔离单元电源输入端的地PE相连，所述第八电容C8的第二端、第九电容C9的第一端和集成模块IC1的引脚4分别与隔离单元电源输入端引脚-VCC3相连，所述第九电容C9的第二端与隔离单元电源输入端的引脚地PE相连。

7.根据权利要求6所述的有源高压差分探头装置，其特征在于：所述差动放大单元信号输出端CO1和CO2之间差分输出电压绝对值(|U_CO1-U_CO2|)与差动放大单元信号输入端CI1和CI2之间差分输入电压(|U_CI1-U_CI2|)之比K2满足关系式：

$K2=\frac{|U_{CO1}-U_{CO2}|}{|U_{CI1}-U_{CI2}|}=\frac{R21}{R19}=\frac{R22}{R20}$

8.根据权利要求7所述的有源高压差分探头装置，其特征在于：所述集成模块IC1采用LMH6552芯片，所述LMH6552芯片允许最高信号频率为1GHz。

9.根据权利要求7所述的有源高压差分探头装置，其特征在于：所述转换单元D包括第二十三电阻R23～第二十七电阻R27、集成模块IC2、转换单元信号输入端DI1、转换单元信号输入端DI2、转换单元信号输出端DO，所述第二十三电阻R23的第一端为转换单元信号输入端DI1，所述第二十四电阻R24的第一端为转换单元信号输入端DI2，所述转换单元信号输入端DI1与差动放大单元信号输出端CO1相连，所述转换单元信号输入端DI2与差动放大单元信号输出端CO2相连；

所述第二十六电阻R26为可调电阻，所述第二十六电阻R26的第一固定端和动触端分别与转换单元电源输入端的引脚地PE相连，所述第二十六电阻R26的第二固定端与第二十五电阻R25的第一端相连，所述第二十五电阻R25的第二端、集成模块IC2引脚1分别与第二十三电阻R23的第二端相连；

所述第二十四电阻R24的第二端分别与集成模块IC2引脚2和第二十七电阻R27的第一端相连，所述第二十七电阻R27的第二端与集成模块IC2引脚5相连且相连处为转换单元信号输出端DO，所述集成模块IC2引脚3和引脚4分别与转换单元电源输入端的引脚+VCC4和-VCC4相连。

10.根据权利要求9所述的有源高压差分探头装置，其特征在于：所述集成模块IC2采用LM6265N芯片，允许最高信号频率为725MHz。