CN114598303B - 脉冲高电压或大电流探测器及其无源差分电路和工作方法 - Google Patents

脉冲高电压或大电流探测器及其无源差分电路和工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种脉冲高电压或大电流探测器及其无源差分电路和工作方法，无源差分电路包括：电阻R1、电阻R2和电阻R3；其中，依次串联的所述电阻R1与该差分电路输出端外部的负载电阻R4与依次串联的所述电阻R3与所述电阻R2并联连接；且所述电阻R1和电阻R3的并联端接该差分电路第一信号输入端；依次串联的所述电阻R2与该差分电路输出端外部的负载电阻R4与依次串联的所述电阻R3和所述电阻R1并联连接；且所述电阻R2和电阻R3的并联端接该差分电路第二信号输入端。本发明能够应用于脉冲高电压或大电流探测器，采用硬件电路实现脉冲高电压或大电流测量信号的差分。

Description

脉冲高电压或大电流探测器及其无源差分电路和工作方法
技术领域
本发明属于脉冲高电压或大电流测量技术领域，具体涉及一种脉冲高电压或大电流探测器及其无源差分电路和工作方法。
背景技术
在脉冲高电压或大电流测量中，由于地电位差或者空间电磁场等常形成干扰影响导致测量信号失真。一般情况下在设计中适当提升探测器输出信号幅值，提高信噪比，等效减小干扰的方法。在干扰信号较强的情况下，可以通过测量等效本底信号，使用探头信号与本底信号之差作为测量结果。由于脉冲高电压或大电流测量中的探测器输出信号幅值高，等效频带宽，电磁干扰强，探测器距离示波器距离较大，示波器厂商的有源差分探头以及由运算放大器构成的有源差分电路均难以适用。其中有源差分电路是模拟电子线路中的常见电路，其使用的运算放大器输入信号为V量级，因此需要将探头信号衰减至V量级，才能够正常工作。在针对脉冲高电压或大电流测量中，V量级信号的信噪比不足，有源差分电路的供电模块以及电源线也容易形成干扰。因此，有源差分电路难以适用于脉冲高电压或大电流信号测量。
目前公知的差分方法是用示波器的不同通道分别测量脉冲高电压或大电流探测器的信号与本底信号，而后用数据处理方法计算差分结果。但是，由于数字示波器记录的电压值是阶跃信号(以8位示波器为例，最小分辨力为满量程的1/256)。所以，如果信号本底幅值较大时，必须适当增大示波器通道的垂直灵敏度，以保证示波器获取的探测器信号与本底信号均为完整信号。在该情况下，2个信号差分结果的垂直精度较差。因此，数据处理的软件方法也难以适用于脉冲高电压或大电流信号测量。
因此，如何研究设计一种脉冲高电压或大电流探测器用无源差分电路，用硬件方法实现信号差分是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种无源差分电路。本发明能够应用于脉冲高电压或大电流探测器，采用硬件电路实现脉冲高电压或大电流测量信号的差分。
本发明通过下述技术方案实现：
一种无源差分电路，包括电阻R1、电阻R2和电阻R3；
其中，依次串联的所述电阻R1与该差分电路输出端外部的负载电阻R4与依次串联的所述电阻R3与所述电阻R2并联连接；且所述电阻R1和电阻R3的并联端接该差分电路第一信号输入端；
依次串联的所述电阻R2与该差分电路输出端外部的负载电阻R4与依次串联的所述电阻R3和所述电阻R1并联连接；且所述电阻R2和电阻R3的并联端接该差分电路第二信号输入端。
优选的，本发明的差分电路第一信号输入端、第二信号输入端以及输出端与该差分电路内部电阻电路之间分别设置一个地电位隔离器。
优选的，本发明的电阻R1、电阻R2、电阻R3和负载电阻R4的阻值相等。
优选的，本发明的电阻R1、电阻R2、电阻R3和负载电阻R4的阻值均为50Ω。
优选的，本发明的第一信号输入端和第二信号输入端的等效输入电阻的阻值为50Ω。
优选的，本发明的第一信号输入端和第二信号输入端均采用输入电缆；所述输出端采用输出电缆。
优选的，本发明的地电位隔离器由电缆在磁性材料上绕制而成，不同的磁性材料使地电位隔离器的共模电感不同。本发明采用地电位隔离器实现该脉冲高电压或大电流探测器中无源差分电路的第一信号输入端、第二信号输入端和输出端的地电位隔离的同时，不影响输入和输出的差模信号，同时还能实现不同带宽。
第二方面，本发明提出的上述无源差分电路的工作原理为：
第一信号输入端馈入的信号Vin1形成的电流i1流过(电阻R1+电阻R4)与(电阻R3+电阻R2)的并联电路；
第二信号输入端馈入的信号Vin2形成的电流i2流过(电阻R2+电阻R4)与(电阻R3+电阻R1)的并联电路；
电流i1和电流i2在负载电阻R4上形成的电流方向相反，设电阻R1、电阻R2、电阻R3和负载电阻R4的阻值为R，则负载电阻R4上的电压为(i1-i2)R。其中，R优选为50Ω。
第三方面，本发明提出的上述无源差分电路可应用于脉冲高电压或大电流探测器，以实现脉冲高电压或大电流测量信号的差分处理。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的无源差分电路，具备较宽的带宽，较强的抗干扰能力，且与信号电缆匹配，能够直接获得脉冲高电压或大电流探测器与本底信号的差分结果，减少了示波器测量通道数量，提高了测量精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例的无源差分电路原理图。
图2为本发明实施例的无源差分电路对方波信号的响应结果波形图。
具体实施方式
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一信号输入端和第二信号输入端指示不同输入端口，尽管二者都是信号输入端口。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
现有采用示波器的不同通道分别测量脉冲高电压或大电流探测器的信号与本底信号，之后用数据处理方法计算差分结果的方式，存在垂直精度较差等问题。基于此，本实施例提供了一种无源差分电路，本实施例通过硬件电路实现脉冲高电压或大电流测量信号的差分。
具体如图1所示，本实施例的无源差分电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3。
其中，依次串联连接的该电阻R1与该差分电路输出端外部的负载电阻R4与依次串联连接的该电阻R3与所述电阻R2并联连接，且该电阻R1和电阻R3的并联端接该差分电路第一信号输入端；依次串联连接的电阻R2和该差分电路输出端外部的负载电阻R4与依次串联连接的该电阻R3和电阻R1并联连接，且该电阻R2和电阻R3的并联端接该差分电路第二信号输入端；第一信号输入端输入的信号和第二信号输入端输入的信号在负载电阻R4上形成的电流方向相反。
该差分电路的第一信号输入端、第二信号输入端和输出端分别连接输入电缆和输出电缆，输入电缆(T1和T2)和输出电缆(T3)均设置在该差分电路外部。
本实施例中的电阻R1-R3以及负载电阻R4的阻值相同。由于目前脉冲高电压或大电流测量线路中普遍使用阻抗为50Ω的射频电缆，为实现电缆阻抗匹配，因此本实施例中的电阻R1、电阻R2和电阻R3的阻值优选为50Ω。
当负载电阻R4的电阻值也为50Ω时，根据图1所示的电路，可知第一信号输入端及第二信号输入端的等效输入电阻也均为50Ω，以保证该电路对输入信号电缆的匹配。
根据电路回路方程可知：Vout＝(Vin1-Vin2)/2。因此等效实现了Vin1与Vin1信号的差分。其具体原理为：
第一信号输入端馈入的信号Vin1形成的电流i1流过(R1+R4)与(R3+R2)的并联电路；第二信号输入端馈入的信号Vin2形成的电流i2流过(R2+R4)与(R3+R1)的并联电路；且i1与i2在电阻R4上形成的电流方向相反，由于R1～R4电阻相等，因此R4上的电压为(i1-i2)R。
本实施例还包括地电位隔离器M1、地电位隔离器M2和地电位隔离器M3；其中，地电位隔离器M1用于实现该差分电路的第一信号输入端与电路内部电阻电路的地电位隔离，即实现如图1所示的a、b的地电位隔离；地电位隔离器M2用于实现该差分电路的第二信号输入端与电路内部电阻电路的地电位隔离，即实现如图1所示的c、d的地电位隔离；地电位隔离器M3用于实现该差分电路的输出端与电路内部电阻电路的地电位隔离，即实现如图1所示的e、f的地电位隔离。
本实施例采用地电位隔离器实现该差分电路的第一信号输入端、第二信号输入端和输出端的地电位隔离，且不影响输入和输出的差模信号。本实施例的地电位隔离器由电缆在磁性材料上绕制而成，不同的磁性材料可以使隔离器的共模电感不同，因此对应不同的带宽。本实施例采用的地电位隔离器可优选为本发明人的专利技术“脉冲测量信号地电位隔离器，ZL201020682167.8”，此处不再赘述，具体参见该专利技术公告文本。
本实施例还提出了一种脉冲高电压或大电流探测器，包括上述无源差分电路，用于实现脉冲高电压或大电流测量信号的差分处理。
实施例2
本实施例对上述实施例提出无源差分电路进行测试，其测试结果具体如图2所示。
第一信号输入端馈入一个方波信号(Vin1)，第二信号输入端馈入一个延迟约15ns的相同幅值的方波信号(Vin2)，则上述实施例1提出的脉冲高电压或大电流探测器及其无源差分电路和工作方法的输出信号Vout如图2所示，由图2可以看出，Vout＝(Vin1-Vin2)/2。即可验证上述实施例1提出的无源差分电路能够很好的实现脉冲高电压或大电流测量信号的差分处理。
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，以上所述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 (6)

1.一种无源差分电路，其特征在于，包括电阻R1、电阻R2和电阻R3；
其中，依次串联的所述电阻R1和该差分电路输出端外部的负载电阻R4与依次串联的所述电阻R3和所述电阻R2并联连接；且所述电阻R1和电阻R3的并联端接该差分电路第一信号输入端；
依次串联的所述电阻R2和该差分电路输出端外部的负载电阻R4与依次串联的所述电阻R3和所述电阻R1并联连接；且所述电阻R2和电阻R3的并联端接该差分电路第二信号输入端；
所述第一信号输入端和第二信号输入端分别连接一个输入电缆；所述输出端连接输出电缆，且所述输入电缆和输出电缆均设置在该差分电路外部；
所述差分电路第一信号输入端与差分电路内部电阻电路之间设置有地电位隔离器M1，所述差分电路第二信号输入端与差分电路内部电阻电路之间设置有地电位隔离器M2，所述差分电路输出端与差分电路内部电阻电路之间设置有地电位隔离器M3，所述地电位隔离器M1的输入端连接第一信号输入端的输入电缆，所述地电位隔离器M1的输出端电缆内导体连接电阻R1和电阻R3的并联端，所述地电位隔离器M2的输入端连接第二信号输入端的输入电缆，所述地电位隔离器M2的输出端电缆内导体连接电阻R2和电阻R3的并联端，所述地电位隔离器M3的输入端电缆内导体连接电阻R1的非并联端和所述地电位隔离器M2的输出端电缆外导体，所述地电位隔离器M3的输入端电缆外导体连接电阻R2的非并联端和所述地电位隔离器M1的输出端电缆外导体，所述地电位隔离器M3的输出端连接所述输出电缆的输入端，所述输出电缆外接负载电阻R4；
所述电阻R1、电阻R2、电阻R3和负载电阻R4的阻值相等；
所述地电位隔离器由电缆在磁性材料上绕制而成，不同的磁性材料使地电位隔离器的共模电感不同。
2.根据权利要求1所述的一种无源差分电路，其特征在于，所述电阻R1、电阻R2、电阻R3和负载电阻R4的阻值均为50Ω。
3.根据权利要求2所述的一种无源差分电路，其特征在于，所述第一信号输入端和第二信号输入端的等效输入电阻的阻值为50Ω。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种无源差分电路的工作方法，其特征在于，包括：
第一信号输入端馈入的信号V in1形成的电流i1流过依次串联的电阻R1和电阻R4与依次串联的电阻R3和电阻R2的并联电路；
第二信号输入端馈入的信号V in2形成的电流i2流过依次串联的电阻R2和电阻R4与依次串联的电阻R3和电阻R1的并联电路；
电流i1和电流i2在负载电阻R4上形成的电流方向相反，设电阻R1、电阻R2、电阻R3和负载电阻R4的阻值为R，则负载电阻R4上的电压为（i1-i2）R。
5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，R为50Ω。
6.一种脉冲高电压或大电流探测器，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的一种无源差分电路实现脉冲高电压或大电流测量信号的差分处理。
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