CN112051418A - 一种高精度信号放大系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度信号放大系统，系统包括反相放大环节、电压跟随环节、隔离环节，反馈补偿环节；将输入信号通过反相放大环节进行N₁倍升压，反相放大环节的输出信号经由电压跟随环节输入隔离环节；通过反相放大环节为反馈补偿环节提供参考信号；反相放大环节的输出信号经由电压跟随环节输入隔离环节；通过隔离环节将反相放大环节的输出信号进行1‑N₂倍升压；通过隔离环节将前端电路与后端测试设备进行电气隔离；通过反馈补偿环节提取隔离环节的1倍输出信号，比较隔离环节的1倍输出信号与标准输入信号之间的偏差信号，并将偏差信号输入反相放大环节，反相放大环节根据偏差信号对输出信号进行动态调节。

Description

一种高精度信号放大系统

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，更具体地，涉及一种高精度信号放大系统。

背景技术

现有技术的有源电子式标准设备，如有源电子式分压器等，由于内部运放等电子单元供电电压的限制，其输出均为低电压信号，如5V或10V等。而校验仪等误差测试系统以及互感器相关标准中规定的额定电压均为100V。有源电子式标准设备输出信号和传统误差测量系统和标准规程额定电压信号的不匹配，大大制约了有源电子式标准设备的应用和推广。为将有源电子式标准设备和现有的电压标准建立有机联系，将其用于后续的误差校验，需要将低压精密测量信号进行反相和一定比例的放大，相应的误差测量以及误差补偿技术都需要进一步的深入研究。

因此，需要一种技术，以实现对电压信号进行放大。

发明内容

本发明技术方案提供一种用于对电压信号进行精密放大的系统，以解决如何对电压信号进行放大的问题。

本发明提供一种高精度信号放大系统，所述系统包括反相放大环节、电压跟随环节、隔离环节、反馈补偿环节；

将输入信号通过反相放大环节进行N₁倍升压，所述反相放大环节的输出信号经由电压跟随环节输入隔离环节；通过所述反相放大环节为反馈补偿环节提供参考信号；

所述反相放大环节的输出信号经由电压跟随环节输入隔离环节；

通过所述隔离环节将所述反相放大环节的输出信号进行1-N₂倍升压；通过隔离环节将前端电路与后端测试设备进行电气隔离；

通过所述反馈补偿环节提取所述隔离环节的1倍输出信号，比较所述隔离环节的1倍输出信号与标准输入信号之间的偏差信号所述偏差信号输入所述反相放大环节，所述反相放大环节根据所述偏差信号对输出信号进行动态调节。

优选地，所述输入信号的放大倍数为N₁*(1-N₂)。

优选地，所述电压跟随环节通过第一运放及第二运放反向级联构成，所述电压跟随环节的第一反馈回路包括并联在第一运放反向输入端和第一运放反向输出端之间的并联电容C_f；第二反馈回路包括串联在第一运放输出端和第二运放正相输入端的R_iso和R_f。电压跟随环节的第一运放和第二运放的开环增益分别为A₁和A₂，则电压跟随环节输出电压和输入电压之间的误差计算公式为：

优选地，所述隔离环节有N₂组分接抽头，所述隔离环节采用双级感应原理，屏蔽电位由励磁绕组提供；所述隔离环节多组分列绕组具有相同的匝数并且和一次比例绕组分别绕在第一级铁芯和第二级铁芯上；所述隔离环节的线圈的第一级空载压降加在第二级空载压降的一次，减小第二级空载压降，整体误差可以表示为：

ε＝-Z_1eZ₁Y_m1Y_m2 (2)

其中Z_1e和Z₁分别为第一级铁芯和第二级铁芯的一次阻抗，Y_m1和Y_m2分别为第一级铁芯和第二级铁芯励磁导纳。

本发明技术方案提供一种用于对电压信号进行精密放大的系统，其中方法包括：将输入信号通过反相放大环节进行N₁倍升压，反相放大环节的输出信号经由电压跟随环节输入隔离环节；通过反相放大环节为反馈补偿环节提供参考信号；反相放大环节的输出信号经由电压跟随环节输入隔离环节；通过隔离环节将反相放大环节的输出信号进行1-N₂倍升压；通过隔离环节将前端电路与后端测试设备进行电气隔离；通过反馈补偿环节提取隔离环节的1倍输出信号，比较隔离环节的1倍输出信号与标准输入信号之间的偏差信号，并将偏差信号输入反相放大环节，反相放大环节根据偏差信号对输出信号进行动态调节。本发明提出的一种高稳定电压信号放大系统，具有高输入阻抗和高精度特性，能够实现低电压信号的比例放大，并实现输出信号和输入信号的电气隔离，保证弱输出电压传感器输出信号与标准互感器之间的匹配。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明优选实施方式的一种一种高精度信号放大系统结构；

图2为根据本发明优选实施方式的隔离环节结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明优选实施方式的一种高精度信号放大系统结构图。本发明实施方式提供了一种高稳定电压信号放大系统，具有高输入阻抗和高精度特性，可以实现低电压信号的比例放大，并实现输出信号和输入信号的电气隔离，保证弱输出电压传感器输出信号与标准互感器之间的匹配。本发明实施方式提供了一种高稳定电压信号放大系统，包含反相放大环节，电压跟随环节，隔离环节，反馈环节和增益环节。通过反相放大环节和隔离环节将输入信号放大N1*(1-N2)倍，并通过反馈环节提取输入信号与隔离电路1倍增益输出信号差值，并将其补偿至反相放大环节，保证输出信号对输出入信号的动态跟随。通过电阻电容两条反馈路径提高电压跟随环节的稳定性和带负载能力，并将输出信号引入串联电阻分压点提高电压跟随环节的输入阻抗。设计梯度屏蔽结构减小隔离环节的泄漏电流。实现电压信号的比例放大和输出输入信号间的隔离，保证传感器弱输出信号与标准信号之间的匹配。

如图1所示，本发明提供一种高精度信号放大系统，系统包括反相放大环节、电压跟随环节、隔离环节、反馈补偿环节；

将输入信号通过反相放大环节进行N₁倍升压，反相放大环节的输出信号经由电压跟随环节输入隔离环节；通过反相放大环节为反馈补偿环节提供参考信号；

反相放大环节的输出信号经由电压跟随环节输入隔离环节；

通过隔离环节将反相放大环节的输出信号进行1-N₂倍升压；通过隔离环节将前端电路与后端测试设备进行电气隔离；

通过反馈补偿环节提取隔离环节的1倍输出信号，比较隔离环节的1倍输出信号与标准输入信号之间的偏差信号；偏差信号输入反相放大环节，反相放大环节根据偏差信号对输出信号进行动态调节。

优选地，输入信号的放大倍数为N₁*(1-N₂)。

优选地，电压跟随环节通过第一运放及第二运放反向级联构成，电压跟随环节的第一反馈回路包括并联在第一运放反向输入端和第一运放反向输出端之间的并联电容C_f；第二反馈回路包括串联在第一运放输出端和第二运放正相输入端的R_iso和R_f。电压跟随环节的第一运放和第二运放的开环增益分别为A₁和A₂，则电压跟随环节输出电压和输入电压之间的误差计算公式为：

优选地，隔离环节有N₂组分接抽头，隔离环节采用双级感应原理，屏蔽电位由励磁绕组提供；隔离环节二次绕组为多组分列绕组，具有相同的匝数并且和一次比例绕组分别绕在第一级铁芯和第二级铁芯上；隔离环节的线圈的第一级空载压降加在第二级空载压降的一次，减小第二级空载压降，整体误差可以表示为：

ε＝-Z_1eZ₁Y_m1Y_m2 (2)

其中Z_1e和Z₁分别为第一级铁芯和第二级铁芯的一次阻抗，Y_m1和Y_m2分别为第一级铁芯和第二级铁芯励磁导纳。

本发明的隔离环节结构如图2所示，其具有N₂组分接抽头，将反相环节输出信号进行比例升压并将其提供至反馈回路。隔离环节采用双级感应原理，一次励磁绕组和比例绕组具有相同的匝数且并联在输入电压上，设计梯度屏蔽结构减小比例绕组泄漏电流及容性误差，屏蔽电位由励磁绕组提供。二次绕组为多组分列绕组，具有相同匝数且和一次比例绕组绕在第一级和第二级铁芯上。线圈的第一级空载压降加在第二级的一次，减小第二级空载压降，整体误差可以表示为：

ε＝-Z_1eZ₁Y_m1Y_m2 (2)

其中Z_1e和Z₁分别为第一级和第二级一次阻抗，Y_m1和Y_m2分别为第一级和第二级励磁导纳。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (4)

1.一种高精度信号放大系统，所述系统包括反相放大环节、电压跟随环节、隔离环节，反馈补偿环节；

将输入信号通过反相放大环节进行N₁倍升压，所述反相放大环节的输出信号经由电压跟随环节输入隔离环节；通过所述反相放大环节为反馈补偿环节提供参考信号；

所述反相放大环节的输出信号经由电压跟随环节输入隔离环节；

通过所述隔离环节将所述反相放大环节的输出信号进行1-N₂倍升压；通过隔离环节将前端电路与后端测试设备进行电气隔离；

通过所述反馈补偿环节提取所述隔离环节的1倍输出信号，比较所述隔离环节的1倍输出信号与标准输入信号之间的偏差信号，并将所述偏差信号输入所述反相放大环节，所述反相放大环节根据所述偏差信号对输出信号进行动态调节。

2.根据权利要求1所述的系统，所述输入信号的放大倍数为N₁*(1-N₂)。

3.根据权利要求1所述的系统，所述电压跟随环节通过第一运放及第二运放反向级联构成，所述电压跟随环节的第一反馈回路包括并联在第一运放反向输入端和第一运放反向输出端之间的并联电容C_f；第二反馈回路包括串联在第一运放输出端和第二运放正相输入端的R_iso和R_f；所述电压跟随环节的第一运放和第二运放的开环增益分别为A₁和A₂，则电压跟随环节输出电压和输入电压之间的误差计算公式为：

4.根据权利要求1所述的系统，所述隔离环节有N₂组分接抽头，所述隔离环节采用双级感应原理，屏蔽电位由励磁绕组提供；所述隔离环节多组分列绕组具有相同的匝数并且和一次比例绕组分别绕在第一级铁芯和第二级铁芯上；所述隔离环节的线圈的第一级空载压降加在第二级空载压降的一次，减小第二级空载压降，整体误差可以表示为：

ε＝-Z_1eZ₁Y_m1Y_m2 (2)

其中Z_1e和Z₁分别为第一级铁芯和第二级铁芯的一次阻抗，Y_m1和Y_m2分别为第一级铁芯和第二级铁芯励磁导纳。

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