CN110687336A - 一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路、方法及示波器 - Google Patents

一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路、方法及示波器 Download PDF

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刘永
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Abstract

本发明主要公开了一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路及方法，包括隔离端的差分驱动器、基于电场耦合方法的信号隔离部分和非隔离端的阻抗变换器三个部分，所述信号隔离部分包括两个隔离电容，通过隔离电容的充放电实现模拟信号的隔离。本发明不仅可以保证低频段模拟信号隔离的幅频特性响应，还能极大扩展高频段模拟信号的隔离，理论上隔离信号的频率上限没有限制，同时功耗明显减低，使得示波器的隔离通道体积进一步缩小。

Description

一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路、方法及示波器
技术领域
本发明涉及测试测量技术领域，特别涉及一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程；但是在其实际应用的场合，通常具有较强干扰源，而电信号等模拟信号，尤其是低频的模拟信号非常容易受到其他干扰信号如电磁信号、高频数字信号等的干扰，从而导致模拟信号在传输的过程中往往会叠加无用的各类干扰信号，导致信噪比不高，影响示波器检测精度，针对此问题，添加有模拟信号隔离电路的隔离示波器应运而生，其利用隔离电路将外部电路与内部电路进行隔离，切断了干扰信号的传播路径，提高了示波器的检测精度。
当前隔离示波器模拟信号的隔离通常利用变压器实现的磁场耦合来完成，但是，利用变压器实现的模拟信号隔离，其隔离的介电强度取决于几个绕组之间以及它们对地的绝缘强度，通常为了获得较高的隔离等级，变压器绕组之间距离有具体的要求，随着隔离等级的不断提高，就造成变压器体积越来越大；另外由于变压器本身的结构特性，要扩展500MHz以上频率的信号隔离，就要减小匝数降低分布电容，而减少匝数又会严重影响低频段幅频特性，这就造成一个矛盾，使得一种变压器只能隔离某段高频信号，例如隔离变压器TC1-1T，其频率响应在400KHz～500MHz之间，而同一系列的TC4-14，其频率响应在200MHz～1400MHz之间。所以如果要实现1400MHz以内的宽带模拟信号的隔离，就要使用两种变压器，要隔离的宽带信号上限频率越高，所需变压器种类就越多。这时，信号就要被分为多路传输，不仅极大的增大了体积，还使得信号噪声加大，影响信号质量。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路及方法，本公开利用电场耦合的方式代替传统的磁场耦合的隔离方法，不仅可以保证低频段模拟信号隔离的幅频特性响应，还能极大扩展高频段模拟信号的隔离，理论上隔离信号的频率上限没有限制，同时功耗明显减低，使得示波器的隔离通道体积进一步缩小。
根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：
一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路，包括隔离端的差分驱动器、隔离电容和非隔离端的阻抗变换器三个部分；
所述差分驱动器的输出端与阻抗变换器的输入端之间串联有隔离电容，所述差分驱动器的输出端输出的信号经过隔离电容的隔离作用，作为所述阻抗变换器的输入；
所述阻抗变换器包括一个高阻抗的接收电阻和一个单一输出的信号放大器，所述接收电阻的两端分别与信号放大器的两个输入端相连。
进一步的，所述电容为皮法级的高压瓷片电容，用于实现高频信号的隔离。
一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离方法，包括以下步骤：
利用差分驱动器将单端输入的模拟信号转换为差分输出的模拟信号；
通过在差分驱动器的两个输出端分别连接一个电容，实现模拟信号的隔离；
利用高阻抗的接收电阻接收差分驱动器通过隔离电容发送的高频差分信号；
最后，阻抗变换器将高阻抗差分信号转换为低阻抗单端输出信号，驱动后级电路。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
(1)本公开利用电场耦合的方式，利用两个电容组成的隔离部分代替传统磁场耦合方式中的隔离变压器，解决了随着隔离等级的不断提高，造成变压器体积越来越大的问题，本公开所提出的隔离电路及方法所需器件简单，有效减低成本，缩小电路体积。
(2)本公开基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路及方法，利用差分隔离电容传输宽带模拟信号，解决了磁场耦合方式中的隔离变压器扩张隔离带宽与减小线圈匝数之间存在矛盾的问题，极大扩展了模拟信号的隔离带宽，理论上本公开所述方案的隔离信号的频率上限没有限制，同时功耗明显降低。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是传统的宽带模拟信号隔离电路原理框图；
图2是本公开的基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路原理框图；
图3是本公开的基于电场耦合的宽带模拟信号隔离方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
现有的电子测量仪器，所采集到的现场信号往往具有多种规格与标准，其中现场信号可以为微弱的毫伏级的电压信号，也可以使大小为数十甚至数千伏特的电压信号，同时，在其实际应用的场合，通常具有较强干扰源，而对于电信号等模拟信号，尤其是低频的模拟信号非常容易受到其他干扰信号如电磁信号、高频数字信号等的干扰，从而导致模拟信号在传输的过程中往往会叠加无用的各类干扰信号，导致信噪比不高，影响电子测量仪器的检测精度，因此，需要将现场信号的采集电路与处理现场信号的控制单元件进行信号隔离，切断了干扰信号的传播路径，提高了电子测量仪器的检测精度。
当前，模拟信号的隔离通常利用变压器实现的磁场耦合来完成，图1展示了传统的利用磁场耦合实现带模拟信号隔离电路原理框图，但是由于变压器本身的结构特性，要扩展500MHz以上频率的信号隔离，需要减小匝数降低分布电容，而减小匝数又会严重影响低频段幅频特性，这就造成了一种矛盾，使得一种变压器只能隔离某段高频信号，例如隔离变压器TC1-1T，其频率响应在400KHz～500MHz之间，而同一系列的TC4-14，其频率响应在200MHz～1400MHz之间。所以如果要实现1400MHz以内的宽带模拟信号的隔离，就要使用两种变压器，要隔离的宽带信号上限频率越高，所需变压器种类就越多。这时，信号就要被分为多路传输，不仅极大的增大了体积，还使得信号噪声加大，影响信号质量。
下面结合附图和实施例对本公开的电路结构及方法进行详细说明。
本公开的实施例提供了一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路，如图2所示，包括隔离端的差分驱动器、基于电场耦合方法的信号隔离部分和非隔离端的阻抗变换器三个部分；
所述差分驱动器不同于传统运放差分驱动器的反馈电路，其包含一个额外的输出端Vout1，所述差分驱动器的一个输出端Vout1与信号隔离部分的隔离电容C1的一端相连，所述差分驱动器的另一个输出端Vout1与信号隔离部分的电容C2的一端相连；
所述信号隔离部分包括两个隔离电容C1和C2，隔离电容C1的另一端与阻抗变换器的一个输入端Vin3相连，隔离电容C2的另一端与阻抗变换器的另一个输入端Vin4相连；
所述阻抗变换器包括一个高阻抗的接收电阻R和一个单一输出的信号放大器，所述接收电阻R的两端分别与信号放大器的两个输入端Vin3和Vin4相连。
进一步的，所述隔离电容可以为皮法级的高压瓷片电容，用于实现高频信号的隔离，所述高压瓷片电容相比于隔离变压器，具有成本低、体积小的特性，在解决隔离变压器频率限制、体积大等问题的前提下，有效了降低了成本。
相应的，本公开的实施例还提供了一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离方法，如图3所示，包括以下步骤：
利用差分驱动器将单端输入的模拟信号Vin1转换为差分输出的模拟信号Vout1和Vout2；
通过在差分驱动器的两个输出端分别连接一个电容，利用电容C1阻断Vout1端输出的模拟信号，利用电容C2阻断Vout2端输出的模拟信号，进而通过电容C1和C2的充放电，实现模拟信号的隔离；
利用高阻抗的接收电阻R接收差分驱动器通过隔离电容发送的高频差分信号；
最后，阻抗变换器实现的差分缓冲放大器将高阻抗差分信号转换为低阻抗单端输出信号，驱动后级电路。
同时，本公开的实施例还提供了一种应用了上述基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路的隔离示波器，所述隔离示波器包括显示电路、Y轴放大电路、X轴放大电路、扫描同步电路、隔离电路以及电源供给电路；
所述隔离电路为上述公开的一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路，其利用了上述基于电场耦合的宽带模拟信号隔离方法；
所述基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路包括隔离端的差分驱动器、基于电场耦合方法的信号隔离部分和非隔离端的阻抗变换器三个部分，所述三个部分按先后顺序依次连接；
所述差分驱动器不同于传统运放差分驱动器的反馈电路，其包含一个额外的输出端Vout1，所述差分驱动器的一个输出端Vout1与信号隔离部分的电容C1的一端相连，所述差分驱动器的另一个输出端Vout1与信号隔离部分的电容C2的一端相连；
所述信号隔离部分包括两个电容C1和C2，电容C1的另一端与阻抗变换器的一个输入端Vin3相连，电容C2的另一端与阻抗变换器的另一个输入端Vin4相连；
所述阻抗变换器包括一个高阻抗的接收电阻R和一个单一输出的信号放大器，所述接收电阻R的两端分别与信号放大器的两个输入端Vin3和Vin4相连；
进一步的，所述电容为皮法级的高压瓷片电容，用于实现高频信号的隔离，所述高压瓷片电容相比于隔离变压器，具有成本低、体积小的特性，在解决隔离变压器频率限制、体积大等问题的前提下，有效了降低了成本。
所述基于电场耦合的宽带模拟信号隔离方法，包括以下步骤：
利用差分驱动器将单端输入的模拟信号Vin1转换为差分输出的模拟信号Vout1和Vout2；
通过在差分驱动器的两个输出端分别连接一个电容，利用电容C1阻断Vout1端输出的模拟信号，利用电容C2阻断Vout2端输出的模拟信号，进而通过电容C1和C2的充放电，实现模拟信号的隔离；
利用高阻抗的接收电阻R接收差分驱动器通过隔离电容发送的高频差分信号；
最后，阻抗变换器实现的差分缓冲放大器将高阻抗差分信号转换为低阻抗单端输出信号，驱动后级电路。
进一步的，所述皮法级的高压瓷片电容的容量为10pF。
进一步的，所述高阻抗的接收电阻R的阻值为1MΩ。
从而在该组基本参数下，隔离部分的电路能够通过的信号频率下限可以用一阶高通RC滤波器转折频率公式计算：
F下限＝1/(2πRC)
这里C为C1和C2的串联值：C＝1/(1/C1+1/C2)。
计算可得
F下限＝31.847kHz
上限频率理论上不会被隔离部分的电路所限制。而改变R和C的值可以轻易改变下限频率。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路，其特征是：包括隔离端的差分驱动器、隔离电容和非隔离端的阻抗变换器三个部分；
所述差分驱动器的输出端与阻抗变换器的输入端之间串联有隔离电容，所述差分驱动器的输出端输出的信号经过隔离电容的隔离作用，作为所述阻抗变换器的输入；
所述阻抗变换器包括一个高阻抗的接收电阻和一个单一输出的信号放大器，所述接收电阻的两端分别与信号放大器的两个输入端相连。
2.如权利要求1所述的一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路，其特征是：所述隔离电容为皮法级的高压隔离电容，用于实现高频信号的隔离。
3.利用如权利要求1-2中任一项所述的基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路的隔离方法，其特征是：包括以下步骤：
利用差分驱动器将单端输入的模拟信号转换为差分输出的模拟信号；
通过在差分驱动器的两个输出端分别连接一个隔离电容，实现模拟信号的隔离；
利用高阻抗的接收电阻接收差分驱动器通过隔离电容发送的高频差分信号；
最后，阻抗变换器将高阻抗差分信号转换为低阻抗单端输出信号，驱动后级电路。
4.如权利要求3所述的一种隔离方法，其特征是：所述电容为皮法级的高压隔离电容，通过高压隔离的充放电，实现模拟信号的隔离。
5.一种隔离示波器，其特征是：包括显示电路、Y轴放大电路、X轴放大电路、扫描同步电路、隔离电路以及电源供给电路，其特征是：所述隔离电路使用了如权利要求1-2中任一所述的一种基于电场耦合的宽带模拟信号隔离电路。
6.一种隔离示波器，其特征是：使用了如权利要求3-4中任一所述的基于电场耦合的宽带模拟信号隔离方法。
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