CN110887982A - 一种光纤差分探头 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种光纤差分探头，其中第一信号夹和第二信号夹通过屏蔽线与衰减器连接；所述衰减器的输出端与差分光电隔离器连接，所述差分光电隔离器的输出端通过多芯电缆与所述控制器连接；所述衰减器用于通过所述第一信号夹和第二信号夹获取待测信号，调整所述待测信号并送至所述差分光电隔离器；所述差分光电隔离器用于采用基于光纤的光电隔离方式将调整后的所述待测信号转换为两路光信号进行传输，以及根据所述两路光信号还原出与所述待测信号成比例的输出电压；所述控制器用于对所述输出电压进行调零并进行输出。本发明采用双通道相减的光电隔离电路，相比于采用单通道的光电隔离电路，有利于抵消共模干扰，提高共模抑制比。

Description

一种光纤差分探头

技术领域

本发明涉及信息技术领域，尤其涉及的是一种光纤差分探头。

背景技术

差分探头是示波器的一种测量探头，用于测量两路信号的相对电压差。与普通的单端探头相比，差分探头具有高的共模抑制比。共模抑制比是指差动放大电路中对信号共模成分的抑制能力，定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Adm与对共模信号的电压放大倍数Acm之比，英文全称为Common Mode Rejection Ratio，简称CMRR。差模信号的电压放大倍数Adm越大，共模信号的电压放大倍数Acm越小，则CMRR越大，此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差动放大电路完全对称时，共模信号的电压放大倍数Acm＝0，则共模抑制比CMRR趋于无穷大，这是最理想的情况。

现有的差分探头的共模抑制比在高频时(大于1MHz)下降很大，从而导致在测试高共模干扰电压下的小信号时，共模干扰信号会混在待测信号里面，极大地影响了测量结果的准确性。

发明内容

本发明提供一种光纤差分探头，以解决现有的差分探头的共模抑制比在高频时下降大、信号测量准确度低的问题。

本发明的是这样实现的，本发明提供一种光纤差分探头，所述光纤差分探头包括：第一信号夹、第二信号夹、衰减器、差分光电隔离器、控制器；

所述第一信号夹和第二信号夹通过屏蔽线与所述衰减器的输入端连接；

所述衰减器的输出端与所述差分光电隔离器的输入端连接，所述差分光电隔离器的输出端通过多芯电缆与所述控制器连接；

所述第一信号夹用于连接待测信号的正极，所述第二信号夹用于连接待测信号的负极，所述衰减器用于通过所述第一信号夹和第二信号夹获取待测信号，调整所述待测信号，并将调整后的所述待测信号发送至所述差分光电隔离器；

所述差分光电隔离器用于接收调整后的所述待测信号，采用基于光纤的光电隔离方式将调整后的所述待测信号转换为两路光信号进行传输，以及将所述两路光信号转换为两路电压信号，根据所述两路电压信号之差还原出与所述待测信号成比例的输出电压，并将所述输出电压通过所述多芯电缆输出至所述控制器；

所述控制器用于接收所述多芯电缆传输过来的所述输出电压，对所述输出电压进行调零，并将调零后的输出电压进行输出。

可选地，所述衰减器包括第一电阻、共模电感、第一电容、第二电阻、第三电阻；

所述第一电阻的第一端连接所述屏蔽线，所述第一电阻的第二端与所述共模电感中第一电感的输入端连接，所述共模电感中第一电感的输出端连接所述第一电容的第一端和所述第二电阻的第一端之间的共接点，所述第一电容的第二端、第二电阻的第二端和所述第三电阻的第一端之间的共接点作为所述衰减器的输出端，所述第三电阻的第二端接地；

所述共模电感中第二电感的输入端连接所述屏蔽线的屏蔽层，所述共模电感中第二电感的输出端接地。

可选地，所述衰减器内置于一屏蔽盒内，所述屏蔽盒包括一插头，所述插头包括若干个电接点，其中一个电接点与所述衰减器的输出端连接。

可选地，所述插头为MICRO USB插头，包括五个电接点；

其中第一电接点通过第四电阻接地；第四电接点与所述衰减器的输出端连接；

第二电接点、第三电接点、第五电接点分别接地。

可选地，所述光纤差分探头还包括第三信号夹，所述第三信号夹的第一端连接所述待测信号的负极，第二端连接所述屏蔽盒的外壳。

可选地，所述光纤差分探头还包括一磁珠；所述屏蔽线穿过所述磁珠。

可选地，所述差分光电隔离器包括前级差分光电转换电路、第一耦合光纤、第二耦合光纤、后级差分光电接收电路；

所述前级差分光电转换电路的输入端与所述衰减器连接，第一输出端与所述第一耦合光纤的发射端连接，第二输出端与所述第二耦合光纤的发射端连接；

所述第一耦合光纤的接收端与所述后级差分光电接收电路的第一输入端连接，所述第二耦合光纤的接收端与所述后级差分光电接收电路的第二输入端连接；所述后级差分光电接收电路的输出端与所述多芯电缆连接；

所述前级差分光电转换电路接收调整后的所述待测信号，将所述待测信号转换为第一光信号和第二光信号，所述第一光信号、第二光信号分别通过所述第一耦合光纤、第二耦合光纤传输到所述后级差分光电接收电路，所述后级差分光电接收电路将所述第一光信号转换、放大为第一电压信号，以及将所述第二光信号转换、放大为第二电压信号，然后根据所述第一电压信号和第二电压信号之差还原出与所述待测信号成比例的输出电压，并将所述输出电压通过所述多芯电缆输出至所述控制器。

可选地，所述第一耦合光纤/第二耦合光纤包括：

外壳；

设置在所述外壳两端的发射端和接收端；

设置在所述外壳内部并连接所述发射端和接收端的光纤，设置在所述光纤和所述外壳之间的灌胶层；

所述发射端内嵌一发光二极管，且所述发光二极管的正极管脚、负极管脚从所述发射端的另一端延伸出所述外壳；

所述接收端内嵌一光敏二极管，且所述光敏二极管的正极管脚、负极管脚从所述接收端的另一端延伸出所述外壳。

可选地，所述前级差分光电转换电路包括：

第五电阻、补偿电容、第一放大电路、第六电阻、第七电阻；

所述第五电阻的第一端与所述衰减器之间的共接点连接所述补偿电容的第一端、所述第一放大电路的输入端，所述第五电阻的第二端、补偿电容的第二端分别接地；

所述第一放大电路的输出端连接所述第一耦合光纤发射端中的发光二极管的负极与所述第二耦合光纤发射端中的发光二极管的正极之间的共接点；

所述第六电阻的第一端与所述第一耦合光纤发射端中的发光二极管的正极连接，所述第六电阻的第二端连接电源正极；

所述第七电阻的第一端与所述第二耦合光纤发射端中的发光二极管的负极连接，所述第七电阻的第二端连接电源负极；

所述第六电阻与所述第七电阻的阻值相同。

可选地，所述前级差分光电转换电路还包括：

用于连接所述衰减器的插座，所述插座具有若干个电接点，其中一个电接点与所述第五电阻的第一端连接。

可选地，所述插座为MICRO USB插座，包括五个电接点；

其中第四电接点与所述第五电阻的第一端连接，第五电接点接地。

可选地，所述后级差分光电接收电路包括：

第二放大电路、第三放大电路、第四运算放大器；

所述第二放大电路的输入端连接所述第一耦合光纤接收端中的光敏二极管的负极，所述第一耦合光纤接收端中的光敏二极管的正极连接浮地输出；所述第二放大电路的输出端连接所述第四运算放大器的反相输入端；

所述第三放大电路的输入端连接所述第二耦合光纤接收端中的光敏二极管的负极，所述第二耦合光纤接收端中的光敏二极管的正极连接浮地输出；所述第三放大电路的输出端连接所述第四运算放大器的正相输入端；

所述第四运算放大器的输出端作为所述后级差分光电接收电路的输出端，与所述多芯电缆连接。

可选地，所述差分光电隔离器还包括电压传输电路；

所述电压传输电路的第一端与所述后级差分光电接收电路连接，第二端与所述前级差分光电转换电路连接；

所述电压传输电路用于获取所述后级差分光电接收电路的输入电压，并通过电磁感应的方式将所述输入电压传输到所述前级差分光电转换电路，向所述前级差分光电转换电路提供电源电压。

可选地，所述电压传输电路包括：

振荡器、第五放大电路、变压器、桥式整流电路、第二电容、第三电容；

所述振荡器的第一端与所述第五放大电路的输入端连接，所述第五放大电路的输出端与所述变压器原边绕组的第一端连接，所述变压器原边绕组的第二端、所述振荡器的第二端分别连接浮地输出；

所述变压器副边绕组的第一端连接所述桥式整流电路中第一整流二极管的正极与第四整流二极管的负极之间的共接点，所述变压器副边绕组的第二端连接所述桥式整流电路中第二整流二极管的正极与第三整流二极管的负极之间的共接点，所述变压器副边绕组的第三端接地；

所述桥式整流电路中第一整流二极管的负极、第二整流二极管的负极、第二电容的正极之间的共接点作为电源正极，连接所述前级差分光电转换电路；

所述桥式整流电路中第三整流二极管的正极、第四整流二极管的正极、第三电容的负极之间的共接点作为电源负极，连接所述前级差分光电转换电路；

所述第二电容的负极与所述第三电容的正极共接于地。

可选地，所述变压器包括至少一个磁芯；

当所述变压器包括一个磁芯时，原边绕组和副边绕组分别绕在磁芯相对的两侧上；

当所述变压器包括多个磁芯时，所述多个磁芯之间以级联的方式连接，原边绕组和副边绕组分别绕在距离最远的两个磁芯上。

本发明提供的光纤差分探头，在差分光电隔离器中采用双通道相减的光电隔离电路，相比于采用单通道的光电隔离电路，大大地减少了光信号传输的非线性及温漂，有利于抵消共模干扰，提高共模抑制比，进而提高信号测量的准确度，且采用光纤延长了光信号的传输距离。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的光纤差分探头的结构示意图；

图2是本发明一实施例提供的光纤差分探头中衰减器的电路示意图；

图3是本发明另一实施例提供的光纤差分探头中衰减器的电路示意图；

图4是本发明另一实施例提供的光纤差分探头中衰减器的电路示意图；

图5是本发明一实施例提供的光纤差分探头中差分光电隔离器的电路示意图；

图6是本发明一实施例提供的光纤差分探头中耦合光纤的结构示意图；

图7是本发明一实施例提供的光纤差分探头中前级差分光电转换电路的电路示意图；

图8是本发明另一实施例提供的光纤差分探头中前级差分光电转换电路的电路示意图；

图9是本发明一实施例提供的光纤差分探头中后级差分光电接收电路的电路示意图；

图10是本发明另一实施例提供的光纤差分探头中后级差分光电接收电路的电路示意图；

图11是本发明另一实施例提供的光纤差分探头中前级差分光电转换电路的电路示意图；

图12是本发明另一实施例提供的光纤差分探头中差分光电隔离器的电路示意图；

图13是本发明一实施例提供的光纤差分探头中电压传输电路的电路示意图；

图14是本发明一实施例提供的光纤差分探头中变压器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种光纤差分探头，所述光纤差分探头用于检测待测信号，比如电压信号，并将所述待测信号传输到示波器展示。图1示出了本发明实施例提供的光纤差分探头的结构示意图，如图1所示，包括：

第一信号夹10、第二信号夹20、衰减器30、差分光电隔离器40、控制器50；

所述第一信号夹10和第二信号夹20通过屏蔽线与所述衰减器30的输入端连接；

所述衰减器30的输出端与所述差分光电隔离器40的输入端连接，所述差分光电隔离器40的输出端通过多芯电缆与所述控制器50连接；

所述第一信号夹10用于连接待测信号的正极，所述第二信号夹20用于连接待测信号的负极，所述衰减器30用于通过所述第一信号夹10和第二信号夹20获取待测信号，调整所述待测信号，并将调整后的所述待测信号发送至所述差分光电隔离器40；

所述差分光电隔离器40用于接收调整后的所述待测信号，采用基于光纤的光电隔离方式将调整后的所述待测信号转换为两路光信号进行传输，以及将所述两路光信号转换为两路电压信号，根据所述两路电压信号之差还原出与所述待测信号成比例的输出电压，并将所述输出电压通过所述多芯电缆输出至所述控制器50；

所述控制器50用于接收所述多芯电缆传输过来的所述输出电压，对所述输出电压进行调零，并将调零后的输出电压进行输出。

在这里，本发明实施例通过所述第一信号夹10连接待测信号的正极以接入正向的待测信号、通过所述第二信号夹20连接待测信号的负极以接入反向的待测信号，从而得到待测信号；然后通过屏蔽线将所述待测信号传输到所述衰减器30；所述衰减器30接收到所述待测信号后，调整所述待测信号的大小，以将所述待测信号转换成适合所述差分光电隔离器40处理的信号，然后将调整后的所述待测信号发送至所述差分光电隔离器40。

在本发明实施例中，所述差分光电隔离器40是一个耦合电容趋于零的差分光电隔离电路。在接收到调整后的所述待测信号后，将调整后的所述待测信号转换为两路光信号并通过两路光纤独立传输，然后分别对所述两路光信号进行转换、放大为两路电压信号，根据所述两路电压信号之差还原出与所述待测信号成比例的输出电压。

所述差分光电隔离器40的输出电压通过多芯电缆传输至所述控制器50。所述多芯电缆可以达到1米以上，从而提高了所述输出电压的传输距离，实现长距离的信号传输。所述控制器50接收到所述输出电压之后，对所述输出电压进行调零，使所述输出电压回到零位，然后再通过标准接口将所述输出电压传输到示波器上进行显示。

本发明实施例在差分光电隔离器40中采用基于光纤的光电隔离方式，通过光纤延长光信号的传输距离，从而使得所述光隔离的耦合电容几乎为零，极大地提高了所述差分光电隔离器40的共模抑制比；且采用双通道相减的光电隔离电路，相比于采用单通道的光电隔离电路，大大地减少了光信号传输的非线性及温漂，抵消了共模干扰，提高了共模抑制比，进而提高信号测量的准确度。

具体地，作为一种实施方式，如图2所示，所述衰减器30包括第一电阻R1、共模电感L、第一电容C1、第二电阻R2、第三电阻R3；

所述第一电阻R1的第一端连接所述屏蔽线，所述第一电阻R1的第二端与所述共模电感L中第一电感的输入端连接，所述共模电感L中第一电感的输出端连接所述第一电容C1的第一端和所述第二电阻R2的第一端之间的共接点，所述第一电容C1的第二端、第二电阻R2的第二端和所述第三电阻R3的第一端之间的共接点作为所述衰减器30的输出端，所述第三电阻R3的第二端接地；

所述共模电感L中第二电感的输入端连接所述屏蔽线的屏蔽层，所述共模电感L中第二电感的输出端接地。

在这里，待测信号通过第一信号夹10、第二信号夹20连接到屏蔽线，屏蔽线再与衰减器30连接。屏蔽线内层的信号线通过第一电阻R1和共模电感L接地，屏蔽线外层的屏蔽层通过共模电感L的第二电感接地，以提高对共模干扰的抑制能力。所述衰减器30通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3，调整所述待测信号的大小，将较高的待测电压转换为较小的电压值，以将所述待测信号转换成适合所述差分光电隔离器40处理的信号。在这里，所述衰减器的衰减比K₁为：K₁＝R3/(R1+R2+R3)。

当所述待测电压为V1时，调整后的待测电压V2为：V2＝K₁*V1

为了使调整后的待测电压V2适应所述差分光电隔离器40，当所述待测电压V1较高时，则需要使用衰减比较大的衰减器，当所述待测电压V1较低时，则需要使用衰减比较小的衰减器。为了便于用户更换衰减器，本发明实施例将所述衰减器30内置于一屏蔽盒内，所述屏蔽盒包括一插头，所述插头包括若干个电接点，其中一个电接点与所述衰减器30的输出端连接。

在这里，本发明实施例通过将整个衰减器对应的电路放在带插头的屏蔽盒内，并与所述插头连接，通过所述插头连接外部的所述差分光电隔离器40，实现了衰减器30的可插拔，大大地方便了用户更换不同衰减比的衰减器。

具体地，作为本发明的一个优选示例，如图3所示，所述衰减器30位于屏蔽盒S1内，所述屏蔽盒S1包括一个插头P1。可选地，所述插头P1为MICRO USB插头，包括五个电接点；

其中第一电接点P11通过第四电阻R4接地；第四电接点P14与所述衰减器30的输出端连接；

第二电接点P12、第三电接点P13、第五电接点P15分别接地。

在这里，所述第四电接点P14作为信号线，与所述衰减器30的输出端连接，即连接所述第一电容C1、第二电阻R2与第三电阻R3之间的共接点。所述第三电接点P13、第五电接点P15作为信号地线。所述第一电接点P11作为检测线，通过所述第四电阻R4接地，用于检测探头的类型或者衰减器的衰减比。所述第二电接点P2作为开关线，用于控制所述差分光电隔离器30的电源开/关。

可选地，作为本发明的一个优选示例，如图4所示，所述光纤差分探头还包括第三信号夹60，所述第三信号夹60的第一端连接所述待测信号的负极，第二端连接所述屏蔽盒S1的外壳。

在这里，本发明实施例通过采用单独的第三信号夹60与所述屏蔽盒S1的外壳连接，使得所述屏蔽盒S1外壳和内部电路的电位与待测信号对应的待测电路相等，从而提供一个稳定的电位补充下原理，有利于地提高共模抑制比。

可选地，作为本发明的一个优选示例，所述光纤隔离探头还包括一磁珠B1；所述屏蔽线穿过所述磁珠B1。

在这里，所述磁珠B1为一环状的导磁性质的圆环，用于形成一个电感，所述屏蔽线穿过所述磁珠B1，从而阻止了共模干扰传递到屏蔽盒S1，有利于提高共模抑制比。可选地，所述磁珠B1的长度优选是1毫米至5毫米，直径优选为3毫米至4毫米。

具体地，作为一种实施方式，如图5所示，所述差分光电隔离器40包括前级差分光电转换电路41、第一耦合光纤42、第二耦合光纤43、后级差分光电接收电路44；

所述前级差分光电转换电路41的输入端与所述衰减器30连接，第一输出端与所述第一耦合光纤42的发射端连接，第二输出端与所述第二耦合光纤43的发射端连接；

所述第一耦合光纤42的接收端与所述后级差分光电接收电路44的第一输入端连接，所述第二耦合光纤43的接收端与所述后级差分光电接收电路44的第二输入端连接；所述后级差分光电接收电路44的输出端与所述多芯电缆连接；

所述前级差分光电转换电路41接收调整后的所述待测信号，将所述待测信号转换为第一光信号和第二光信号，所述第一光信号、第二光信号分别通过所述第一耦合光纤42、第二耦合光纤43传输到所述后级差分光电接收电路44，所述后级差分光电接收电路44将所述第一光信号转换、放大为第一电压信号，以及将所述第二光信号转换、放大为第二电压信号，然后根据所述第一电压信号和第二电压信号之差还原出与所述待测信号成比例的输出电压，并将所述输出电压通过所述多芯电缆输出至所述控制器50。

如前所述，所述差分光电隔离器40是一个耦合电容趋于零的差分光电隔离电路。所述前级差分光电转换电路41通过与所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43的发射端连接，接入所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43中的发光二极管。所述后级差分光电接收电路44通过与所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43的接收端连接，接入所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43中的光敏二极管。

在这里，所述前级差分光电转换电路41根据所述调整后的所述待测信号，驱动所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43中的发光二极管。当所述待测信号增大时，流经所述第一耦合光纤42中的发光二极管的电流减小，流经所述第二耦合光纤43中的发光二极管的电流增大；当所述待测信号减小时，流经所述第一耦合光纤42中的发光二极管的电流增大，流经所述第二耦合光纤43中的发光二极管的电流减小。发光二极管的光信号的强度会随电流的变化而变化，从而形成差分的光信号。所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43中的发光二极管产生的光信号，分别通过所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43传输到另一端的光敏二极管上，通过所述后级差分光电接收电路44对所述光信号进行转换、放大为对应的第一电压信号和第二电压信号，以及根据所述第一电压信号和第二电压信号之差还原出与所述待测信号成比例的输出电压。

本发明实施例在差分光电隔离器40中采用基于光纤的光电隔离方式，通过光纤延长光信号的传输距离，光纤的长度可以达到50毫米，从而使得前级与后级之间的耦合电容几乎为零，极大地提高了所述差分光电隔离器40的共模抑制比；且通过在后级采用双通道相减的光电隔离电路还原出输出电压，相比于采用单通道的光电隔离电路，大大地减少了光信号传输的非线性及温漂，抵消了共模干扰，提高了共模抑制比，进而提高信号测量的准确度。

在本发明实施例中，所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43的发射端根据所述前级差分光电转换电路41的控制产生光信号，并将所述光信号传输到所述后级差分光电接收电路44。在使用光纤进行光信号的长距离传输过程中，光纤越长，越容易受到弯折振动等外界机械应力的影响，从而导致光信号的强度变化，扩大测量误差。为了减少光信号在传输过程中受到的外界机械应力的影响，本发明实施例将所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43进行加固，以提高光信号传输的稳定性。

可选地，作为本发明的一个优选实施方式，如图6所示，所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43均包括：

外壳61；

设置在所述外壳61两端的发射端62和接收端63；

设置在所述外壳61内部并连接所述发射端62和接收端63的光纤64，设置在所述光纤64和所述外壳61之间的灌胶层65；

所述发射端62内嵌一发光二极管(图中未示出)，且所述发光二极管的正极管脚、负极管脚从所述发射端的另一端延伸出所述外壳61；

所述接收端63内嵌一光敏二极管(图中未示出)，且所述光敏二极管的正极管脚、负极管脚从所述接收端的另一端延伸出所述外壳61。

在这里，所述发射端62中内嵌发光二极管，所述接收端63中内嵌光敏二极管，所述发光二极管发出的光信号通过所述光纤64传输到所述光敏二极管。可选地，所述发光二极管的发光侧连接着所述光纤64的末端，所述发光二极管的管脚侧从所述发射端延伸出所述外壳61，所述光敏二极管的采光侧连接着所述光纤64的另一末端，所述光敏二极管的管脚侧从所述接收端延伸出所述外壳61，以使得所述发光二极管发出的光信号尽可能直接地通过所述光纤64传输到所述光敏二极管。

所述外壳61、灌胶层65以及所述光纤64均为绝缘体。本发明实施例通过在所述光纤64外面加上灌胶层65以及外壳61进行加固，得到所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43。所述第一耦合光纤42和第二耦合光纤43相对于普通的光纤更加硬更加结实，光信号在其内部传输不会受到外界机械应力的影响，大大地降低了光信号的波动导致的强弱变化，提高了信号测量的稳定性。

可选地，作为本发明的一个优选实施方式，如图7所示，所述前级差分光电转换电路41包括：

第五电阻R5、补偿电容VC、第一放大电路71、第六电阻R6、第七电阻R7；

所述第五电阻R5的第一端与所述衰减器30之间的共接点连接所述补偿电容VC的第一端、所述第一放大电路71的输入端，所述第五电阻R5的第二端、补偿电容VC的第二端分别接地；

所述第一放大电路71的输出端连接所述第一耦合光纤42发射端中的发光二极管D1的负极与所述第二耦合光纤43发射端中的发光二极管D2的正极之间的共接点；

所述第六电阻R6的第一端与所述第一耦合光纤42发射端中的发光二极管D1的正极连接，所述第六电阻R6的第二端连接电源正极V₊；

所述第七电阻R7的第一端与所述第二耦合光纤43发射端中的发光二极管D2的负极连接，所述第七电阻R7的第二端连接电源负极V_-；

所述第六电阻R6与所述第七电阻R7的阻值相同。

在这里，所述衰减器30输出的调整后的待测信号在第五电阻R5上形成第一前级电压V2。所述第一前级电压V2经过所述第一放大电路71后，放大为第二前级电压V3。

可选地，所述第一放大电路71可以为同相放大器，也可以为反向放大器，或者其他类型的放大电路。示例性地，如图8所示，当所述第一放大电路71为同相放大器时，所述第一放大电路71包括第一运算放大器A1、第八电阻R8和第九电阻R9，所述第一运算放大器A1的正相输入端作为所述第一放大电路71的输入端；所述第一运算放大器A1的反相输入端连接所述第八电阻R8的第一端与所述第九电阻R9的第一端之间的共接点，所述第八电阻R8的第二端接地，所述第九电阻R9的第二端与所述第一运算放大器A1的输出端之间的共接点连接所述第一耦合光纤42发射端中的发光二极管D1的负极与所述第二耦合光纤43发射端中的发光二极管D2的正极之间的共接点。

所述第二前级电压V3经过阻值相同的第六电阻R6和第七电阻R7，推动所述第一耦合光纤42的发射端与所述第二耦合光纤43的发射端内的发光二极管。假设经过所述第一耦合光纤42发射端的发光二极管D1的电流为ID1，管压降为VD1，那么ID1＝(V₊-VD1-V3)/R6；经过所述第二耦合光纤43发射端的发光二极管D2的电流为ID2，管压降为VD2，那么ID2＝(V3-VD2-V_-)/R7。其中电源正极V₊和电源负极V_-是一对赋值相同、极性相反的电压。本发明实施例基于所述差分光电转换电路41实现差分的光信号原理如下：

当待测信号为零时，所述第二前级电压V3为零，所述第一耦合光纤42发射端的发光二极管D1与所述第二耦合光纤43发射端的发光二极管D2的偏置电流相同，即ID1＝ID2，所述第一耦合光纤42发射端与所述第二耦合光纤43发射端的发光强度相同，两个发射端发出的光信号分别通过两个特性完全相同的光纤传输到接收端的光敏二极管，使得所述第一耦合光纤42接收端的光敏二极管与所述第二耦合光纤43接收端的光敏二极管也会产生大小相同的光电流。

当所述待测信号增大时，所述第二前级电压V3增大，流经所述第一耦合光纤42发射端的发光二极管D1的电流ID1减小，流经所述第二耦合光纤43发射端的发光二极管D2的电流ID2增大。由于所述前级差分光电转换电路41是工作在小信号范围内，因此所述第一耦合光纤42发射端的发光二极管D1与所述第二耦合光纤43发射端的光敏二极管的发光强度和电流是线性关系，所述第一耦合光纤42发射端的发光二极管D1的发光强度同比例减少，所述第二耦合光纤43发射端的发光二极管D2的发光强度同比例增大。两个发射端发出的光信号分别通过两个特性完全相同的光纤传输到接收端的光敏二极管，使得所述第一耦合光纤42接收端的光敏二极管产生的光电流同比例减小，所述第二耦合光纤43接收端的光敏二极管产生的光电流同比例增大。

当所述待测信号减小时，所述第二前级电压V3减小，流经所述第一耦合光纤42发射端的发光二极管D1的电流ID1增大，流经所述第二耦合光纤43发射端的发光二极管D2的电流ID2减小。所述第一耦合光纤42发射端的发光二极管D1的发光强度同比例增大，所述第二耦合光纤43发射端的发光二极管D2的发光强度同比例减小。两个发射端发出的光信号分别通过两个特性完全相同的光纤传输到接收端的光敏二极管，使得所述第一耦合光纤42接收端的光敏二极管产生的光电流同比例增大，所述第二耦合光纤43接收端的光敏二极管产生的光电流同比例减小。

可选地，作为本发明的一个优选示例，如图9所示，所述后级差分光电接收电路44包括：

第二放大电路91、第三放大电路92、第四运算放大器A4；

所述第二放大电路91的输入端连接所述第一耦合光纤42接收端中的光敏二极管D3的负极，所述第一耦合光纤42接收端中的光敏二极管D3的正极连接浮地输出；所述第二放大电路91的输出端连接所述第四运算放大器A4的反相输入端；

所述第三放大电路92的输入端连接所述第二耦合光纤43接收端中的光敏二极管D4的负极，所述第二耦合光纤43接收端中的光敏二极管D4的正极连接浮地输出；所述第三放大电路92的输出端连接所述第四运算放大器A4的正相输入端；

所述第四运算放大器A4的输出端作为所述后级差分光电接收电路44的输出端，与所述多芯电缆连接。

可选地，所述第二放大电路91/第三放大电路92可以为同相放大器，也可以为反向放大器，或者其他类型的放大电路。示例性地，如图10所示，当所述第二放大电路91为同相放大器时，所述第二放大电路91包括第二运算放大器A2、第十电阻R10，所述第十电阻R10的第一端与所述第二运算放大器A2的反相输入端之间的共接点，连接所述第一耦合光纤42的接收端的负极，所述第二运算放大器A2的正相输入端连接浮地输出，所述第十电阻R10的第二端与所述第二运算放大器A2的输出端之间的共接点连接所述第四运算放大器A4的反相输入端。当所述第三放大电路92为同相放大器时，所述第三放大电路92包括第三运算放大器A3、第十一电阻R11，所述第十一电阻R11的第一端与所述第三运算放大器A3的反相输入端之间的共接点，连接所述第二耦合光纤43的接收端的负极，所述第三运算放大器A3的正向输入端连接浮地输出，所述第十一电阻R11的第二端与所述第三运算放大器A3的输出端之间的共接点连接所述第四运算放大器A4的正相输入端。

在这里，所述后级差分光电接收电路44与第一耦合光纤42、第二耦合光纤43的接收端连接，通过所述第一耦合光纤42接收端的光敏二极管D3接收光信号并产生第一光电流ID3，通过所述第二耦合光纤43接收端的光敏二极管D4接收光信号并产生第二光电流ID4。其中所述第二放大电路91，用于对所述第一耦合光纤42接收端产生的第一光电流ID3进行转换、放大为第一电压信号U1；所述第三放大电路92，用于对所述第二耦合光纤43接收端产生的第二光电流ID4进行转换、放大为第二电压信号U2。所述第四运算放大器A4用于对所述第一电压信号U1和第二电压信号U2进行差分运算，得到输出电压Uo，其中Uo＝U2-U1。

如前所述，当所述待测信号为零时，所述第一耦合光纤42接收端产生的第一光电流ID3与所述第二耦合光纤43接收端产生的第二光电流ID4相同，所述第一光电流ID3经过第二放大电路91后得到的第一电压信号U1与所述第二光电流ID4经过第三放大电路92后得到的第二电压信号U2也相同，因此第四运算放大器A4的输出电压Uo为零。

当所述待测信号增大时，所述第一耦合光纤42接收端产生的第一光电流ID3同比例减小，所述第二耦合光纤43接收端产生的第二光电流ID4同比例增大；所述第一光电流ID3经过第二放大电路91后得到的第一电压信号U1同比例减小，所述第二光电流ID4经过第三放大电路92后得到的第二电压信号U2同比例增大，因此所述第四运算放大器A4的输出电压Uo也会增大。

当所述待测信号减小时，所述第一耦合光纤42接收端产生的第一光电流ID3同比例增大，所述第二耦合光纤43接收端产生的第二光电流ID4同比例减小，所述第一光电流ID3经过第二放大电路91后得到的第一电压信号U1同比例增大，所述第二光电流ID4经过第三放大电路92后得到的第二电压信号U2同比例减小，因此所述第四运算放大器A4的输出电压Uo也会减小。

可见，本发明实施例采用前级差分光电转换电路41产生差分的光信号，经由两个特性完全相同的光纤传输光信号，再采用所述后级差分光电接收电路44对光信号进行转换、放大以及相减运算，得到输出电压Uo，实现了双通道相减的光电隔离电路。由于发光二极管的电光转换是非线性的，且发光二极管的管压降与温度有关，经过单通道光电隔离电路时输出的光信号是非线性的、有温漂的，本发明实施例采用双通道相减的光电隔离电路，有效地减少了发光二极管在电光转换过程中光信号的非线性，并且减少了发光二极管的温漂，同时抵消了单通道光电隔离电路中无法避免的共模干扰，大大地提高了光纤差分探头的共模抑制比，保证探头具有较高的共模抑制比，以提高探头测量结果的准确性。

可选地，在本发明实施例中，所述前级差分光电转换电路41还包括：

用于连接所述衰减器30的插座P2，所述插座P2具有若干个电接点，其中一个电接点与所述第五电阻R5的第一端连接。

在这里，本发明实施例通过在前级差分光电转换电路41中加入插座P2，极大地方便了所述差分光电隔离器40和所述衰减器30之间的连接操作，有利于实现所述衰减器可插拔的功能。

如前所述，所述衰减器内置于包括插头P1的屏蔽盒S1内，所述插头P1为MICRO USB插头，包括五个电接点，其中第四电接点P14与所述衰减器30的输出端连接。与此对应，所述插座P2优选为MICRO USB插座。作为本发明的一个优选示例，如图11所示，所述MICRO USB插座P2包括五个电接点，其中第四电接点P24与所述第五电阻R5的第一端连接，第五电接点P25接地，以使得所述前级差分光电转换电路41能够从所述衰减器30的输出端接收到调整后的待测信号。

在本发明实施例中，所述差分光电隔离器40的共模抑制比取决于前级差分光电转换电路41和后级差分光电转换电路44在高频下的隔离度，不但不能共地，而且两个隔离部分的地线之间的耦合电容要非常小，接近于零。现有技术主要采用干电池或者充电电池，向所述前级差分光电转换电路41提供电能。然而这种供电方式的缺点是需要经常更换干电池或者对充电电池充电，使用非常不方便。为了解决上述问题，本发明实施例在所述差分光电隔离器40中加入电压传输电路45。

如图12所示，所述电压传输电路45的第一端与所述后级差分光电接收电路44连接，第二端与所述前级差分光电转换电路41连接；

所述电压传输电路45用于获取所述后级差分光电接收电路44的输入电压，并通过电磁感应的方式将所述输入电压传输到所述前级差分光电转换电路41，向所述前级差分光电转换电路41提供电源电压。

在这里，所述后级差分光电接收电路44的输入电压是指所述第二放大电路91、第三放大电路92以及所述第四运算放大器A4的输入电压。可选地，在本发明实施例中，所述后级差分光电接收电路44通过多芯电缆、控制器50以及电源适配器接入所述输入电压。电源适配器接收外界的交流输入，对所述交流输入进行转换后传输到所述控制器50，再通过控制器50、多芯电缆调整为合适的电压信号提供给所述后级差分光电接收电路44。

所述电压传输电路45获取所述后级差分光电接收电路44的输入电压，通过电磁感应将所述输入电压转换为电磁能量进行传输，然后再将所述电磁能量转换为适合所述前级差分光电转换电路41的电压信号。

具体地，作为本发明的一个优选示例，如图13所示，所述电压传输电路45包括：

振荡器451、第五放大电路452、变压器453、桥式整流电路454、第二电容C2、第三电容C3；

所述振荡器451的第一端与所述第五放大电路452的输入端连接，所述第五放大电路452的输出端与所述变压器453原边绕组的第一端连接，所述变压器453原边绕组的第二端、所述振荡器451的第二端分别连接浮地输出；

所述变压器453副边绕组的第一端连接所述桥式整流电路454中第一整流二极管D11的正极与第四整流二极管D14的负极之间的共接点，所述变压器453副边绕组的第二端连接所述桥式整流电路454中第二整流二极管D12的正极与第三整流二极管D13的负极之间的共接点，所述变压器453副边绕组的第三端接地；

所述桥式整流电路454中第一整流二极管D11的负极、第二整流二极管D12的负极、第二电容C2的正极之间的共接点作为电源正极V+，连接所述前级差分光电转换电路41；

所述桥式整流电路454中第三整流二极管D13的正极、第四整流二极管D14的正极、第三电容C3的负极之间的共接点作为电源负极V-，连接所述前级差分光电转换电路41；

所述第二电容C2的负极与所述第三电容C3的正极共接于地。

在这里，所述振荡器451表示所述后级差分光电接收电路44的输入电压，所述输入电压经过所述第五放大电路452放大后，作为所述变压器453原边绕组的输入信号，所述变压器453的磁芯将所述输入信号转换为电磁能量进行传输，并通过副边绕组将所述电磁能量转换为电压信号，再通过所述桥式整流电路454对所述电压信号进行整流、滤波，将所述电压信号转换为适合所述前级差分光电转换电路41的电压信号。

可选地，作为本发明的一个优选示例，所述变压器453包括至少一个磁芯。

在本发明实施例中，所述磁芯优选采用导磁不导电的材料，如镍锌铁氧体。当所述变压器453包括一个磁芯时，原边绕组和副边绕组分别绕在磁芯相对的两侧上，如图14(a)所示；当所述变压器453包括多个磁芯时，所述多个磁芯之间以级联的方式连接，原边绕组和副边绕组分别绕在距离最远的两个磁芯上，如图14(b)所示。从而使得变压器的原边绕组和副边绕组的耦合电容几乎为零，进而大大地提高了差分光电隔离器40的共模抑制比。需要说明的是，图14(a)包括一个长方形的磁芯，图14(b)包括两个圆形的磁芯，图示中的磁芯形状和数目并不用于限制本发明，本发明还可以采用其他形状以及数据的磁芯组成变压器。

本发明实施例通过增设所述电压传输电路45来将所述后级差分光电接收电路44的输入电压转换为电磁能量进行传输，以及转换为适合所述前级差分光电转换电路41的电压信号向所述前级差分光电转换电路41提供电能，替代现有技术采用干电池或者充电电池向所述前级差分光电转换电路41提供电能，用户无需经常更换干电池或者对充电电池充电，极大地提高了用户的体验感；且磁芯采用导磁不导电的材料，可有效较低原边和副边之间的耦合电容，进而提高了所述差分光电隔离器的共模抑制比。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种光纤差分探头，其特征在于，所述光纤差分探头包括：第一信号夹、第二信号夹、衰减器、差分光电隔离器、控制器；

所述第一信号夹和第二信号夹通过屏蔽线与所述衰减器的输入端连接；

所述衰减器的输出端与所述差分光电隔离器的输入端连接，所述差分光电隔离器的输出端通过多芯电缆与所述控制器连接；

所述第一信号夹用于连接待测信号的正极，所述第二信号夹用于连接待测信号的负极，所述衰减器用于通过所述第一信号夹和第二信号夹获取待测信号，调整所述待测信号，并将调整后的所述待测信号发送至所述差分光电隔离器；

所述差分光电隔离器用于接收调整后的所述待测信号，采用基于光纤的光电隔离方式将调整后的所述待测信号转换为两路光信号进行传输，以及将所述两路光信号转换为两路电压信号，根据所述两路电压信号之差还原出与所述待测信号成比例的输出电压，并将所述输出电压通过所述多芯电缆输出至所述控制器；

所述控制器用于接收所述多芯电缆传输过来的所述输出电压，对所述输出电压进行调零，并将调零后的输出电压进行输出。

2.如权利要求1所述的光纤差分探头，其特征在于，所述衰减器包括第一电阻、共模电感、第一电容、第二电阻、第三电阻；

所述第一电阻的第一端连接所述屏蔽线，所述第一电阻的第二端与所述共模电感中第一电感的输入端连接，所述共模电感中第一电感的输出端连接所述第一电容的第一端和所述第二电阻的第一端之间的共接点，所述第一电容的第二端、第二电阻的第二端和所述第三电阻的第一端之间的共接点作为所述衰减器的输出端，所述第三电阻的第二端接地；

所述共模电感中第二电感的输入端连接所述屏蔽线的屏蔽层，所述共模电感中第二电感的输出端接地。

3.如权利要求2所述的光纤差分探头，其特征在于，所述衰减器内置于一屏蔽盒内，所述屏蔽盒包括一插头，所述插头包括若干个电接点，其中一个电接点与所述衰减器的输出端连接。

4.如权利要求3所述的光纤差分探头，其特征在于，所述插头为MICRO USB插头，包括五个电接点；

其中第一电接点通过第四电阻接地；第四电接点与所述衰减器的输出端连接；

第二电接点、第三电接点、第五电接点分别接地。

5.如权利要求3或4任一项所述的光纤差分探头，其特征在于，所述光纤差分探头还包括第三信号夹，所述第三信号夹的第一端连接所述待测信号的负极，第二端连接所述屏蔽盒的外壳。

6.如权利要求1至4任一项所述的光纤差分探头，其特征在于，所述光纤差分探头还包括一磁珠；所述屏蔽线穿过所述磁珠。

7.如权利要求1所述的光纤差分探头，其特征在于，所述差分光电隔离器包括前级差分光电转换电路、第一耦合光纤、第二耦合光纤、后级差分光电接收电路；

所述前级差分光电转换电路的输入端与所述衰减器连接，第一输出端与所述第一耦合光纤的发射端连接，第二输出端与所述第二耦合光纤的发射端连接；

所述第一耦合光纤的接收端与所述后级差分光电接收电路的第一输入端连接，所述第二耦合光纤的接收端与所述后级差分光电接收电路的第二输入端连接；所述后级差分光电接收电路的输出端与所述多芯电缆连接；

所述前级差分光电转换电路接收调整后的所述待测信号，将所述待测信号转换为第一光信号和第二光信号，所述第一光信号、第二光信号分别通过所述第一耦合光纤、第二耦合光纤传输到所述后级差分光电接收电路，所述后级差分光电接收电路将所述第一光信号转换、放大为第一电压信号，以及将所述第二光信号转换、放大为第二电压信号，然后根据所述第一电压信号和第二电压信号之差还原出与所述待测信号成比例的输出电压，并将所述输出电压通过所述多芯电缆输出至所述控制器。

8.如权利要求7所述的光纤差分探头，其特征在于，所述第一耦合光纤/第二耦合光纤包括：

外壳；

设置在所述外壳两端的发射端和接收端；

设置在所述外壳内部并连接所述发射端和接收端的光纤，设置在所述光纤和所述外壳之间的灌胶层；

所述发射端内嵌一发光二极管，且所述发光二极管的正极管脚、负极管脚从所述发射端的另一端延伸出所述外壳；

所述接收端内嵌一光敏二极管，且所述光敏二极管的正极管脚、负极管脚从所述接收端的另一端延伸出所述外壳。

9.如权利要求8所述的光纤差分探头，其特征在于，所述前级差分光电转换电路包括：

第五电阻、补偿电容、第一放大电路、第六电阻、第七电阻；

所述第五电阻的第一端与所述衰减器之间的共接点连接所述补偿电容的第一端、所述第一放大电路的输入端，所述第五电阻的第二端、补偿电容的第二端分别接地；

所述第一放大电路的输出端连接所述第一耦合光纤发射端中的发光二极管的负极与所述第二耦合光纤发射端中的发光二极管的正极之间的共接点；

所述第六电阻的第一端与所述第一耦合光纤发射端中的发光二极管的正极连接，所述第六电阻的第二端连接电源正极；

所述第七电阻的第一端与所述第二耦合光纤发射端中的发光二极管的负极连接，所述第七电阻的第二端连接电源负极；

所述第六电阻与所述第七电阻的阻值相同。

10.如权利要求9所述的光纤差分探头，其特征在于，所述前级差分光电转换电路还包括：

用于连接所述衰减器的插座，所述插座具有若干个电接点，其中一个电接点与所述第五电阻的第一端连接。

11.如权利要求10所述的光纤差分探头，其特征在于，所述插座为MICRO USB插座，包括五个电接点；

其中第四电接点与所述第五电阻的第一端连接，第五电接点接地。

12.如权利要求8所述的光纤差分探头，其特征在于，所述后级差分光电接收电路包括：

第二放大电路、第三放大电路、第四运算放大器；

所述第二放大电路的输入端连接所述第一耦合光纤接收端中的光敏二极管的负极，所述第一耦合光纤接收端中的光敏二极管的正极连接浮地输出；所述第二放大电路的输出端连接所述第四运算放大器的反相输入端；

所述第三放大电路的输入端连接所述第二耦合光纤接收端中的光敏二极管的负极，所述第二耦合光纤接收端中的光敏二极管的正极连接浮地输出；所述第三放大电路的输出端连接所述第四运算放大器的正相输入端；

所述第四运算放大器的输出端作为所述后级差分光电接收电路的输出端，与所述多芯电缆连接。

13.如权利要求7至12任一项所述的光纤差分探头，其特征在于，所述差分光电隔离器还包括电压传输电路；

所述电压传输电路的第一端与所述后级差分光电接收电路连接，第二端与所述前级差分光电转换电路连接；

所述电压传输电路用于获取所述后级差分光电接收电路的输入电压，并通过电磁感应的方式将所述输入电压传输到所述前级差分光电转换电路，向所述前级差分光电转换电路提供电源电压。

14.如权利要求13所述的光纤差分探头，其特征在于，所述电压传输电路包括：

振荡器、第五放大电路、变压器、桥式整流电路、第二电容、第三电容；

所述振荡器的第一端与所述第五放大电路的输入端连接，所述第五放大电路的输出端与所述变压器原边绕组的第一端连接，所述变压器原边绕组的第二端、所述振荡器的第二端分别连接浮地输出；

所述变压器副边绕组的第一端连接所述桥式整流电路中第一整流二极管的正极与第四整流二极管的负极之间的共接点，所述变压器副边绕组的第二端连接所述桥式整流电路中第二整流二极管的正极与第三整流二极管的负极之间的共接点，所述变压器副边绕组的第三端接地；

所述桥式整流电路中第一整流二极管的负极、第二整流二极管的负极、第二电容的正极之间的共接点作为电源正极，连接所述前级差分光电转换电路；

所述桥式整流电路中第三整流二极管的正极、第四整流二极管的正极、第三电容的负极之间的共接点作为电源负极，连接所述前级差分光电转换电路；

所述第二电容的负极与所述第三电容的正极共接于地。

15.如权利要求14所述的光纤差分探头，其特征在于，所述变压器包括至少一个磁芯；

当所述变压器包括一个磁芯时，原边绕组和副边绕组分别绕在磁芯相对的两侧上；

当所述变压器包括多个磁芯时，所述多个磁芯之间以级联的方式连接，原边绕组和副边绕组分别绕在距离最远的两个磁芯上。

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