CN201607475U - 高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，所述装置包括：对高压端信号进行传输的高压端模块和对低压端信号进行传输的低压端模块，所述高压端模块和低压端模块通过光纤连接；其中，所述高压端模块和低压端模块的壳体上设置有直插管脚。本实用新型采用光纤材料进行高速多路数据信号的传输处理，使用一根光纤构造光通道即可传输多路混合信号。利用光纤优良的电绝缘性，可以很好的实现高电压的隔离，且传输通道不受电磁干扰，如需要加大电压隔离性能，只需加长光纤长度即可实现，简单方便。

Description

高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置

技术领域

本实用新型涉及电学及光学领域，特别是涉及一种在高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置。

背景技术

在光纤技术出现以前，高压及高隔离电位测量一直是个难题。对于高压测量，由于无法采用合适的技术手段实现电压隔离，人们只能使用一些简单的方法。最常用的方法就是使用高压棒进行测量。但高压棒只适合在设备的调试过程中使用，一旦调试完毕，设备投入运行，出于安装、结构、使用、安全等各方面因素的考虑，通常无法在设备运行时用高压棒测试，这就给高压的实时测量造成困难。另外，高压棒不能实现高压与地电位的完全隔离，给操作人员带来安全隐患，也限制了这种手段的使用。

另外，人们也使用隔离放大器进行隔离电压的测量。但由于材料、工艺的限制，隔离放大器在高压测量中面临的最主要的问题就是隔离电压偏低，不能在更高电压的场合应用，这也限制了它的应用领域。一般隔离电压只有数千伏，显然不能满足高隔离电位测量的需求。

而现代化的雷达，特别是军事用途雷达，由于探测距离和探测精度的不断提高，需要有越来越大的发射功率，行波管的工作电位也较高，达数十千伏，由于高电位的特殊性，在雷达发射机中，行波管工作时的各种电参数的实时、在线检测一直是个难题。一方面，在大功率的雷达发射机中，必须使用行波管产生足够的功率输出，行波管作为最重要的部件发挥着不可替代的作用；另一方面，由于行波管工作时所处的高电位，对它的工作状态和工作参数的检测和传输难以实现，也就缺乏了对其进行实时监测和控制的手段，使雷达发射机在工作时不能处于完全受控状态，降低了设备的可靠性，增加了设备发生故障的风险。因此，如何实现雷达发射机中行波管工作时参数的实时检测、传输成为亟待解决的问题。

在高压隔离电源中，有利用光纤实现电源模拟电压检测、传输的应用。主要原理是在高压端采用压频变换原理将电压信号转换为频率信号，并对频率信号进行电光转换转换为光信号传输。在低压端，再将光信号转换为电信号，将频率信号恢复为电压信号，从而实现检测、传输。如果采用压频变换原理实现上述功能，采用压频变换原理制成的压频转换装置体积一般都较大，每一路输入信号均需采用一根光纤传输，共需10路传输通道。

对于触发脉冲信号的传输，在目前的雷达发射机中，均采用隔离变压器实现触发脉冲信号的传输，隔离变压器的结构图如图1。

隔离变压器是将触发脉冲信号送入一个带有磁芯和线圈的隔离变压器的初级线圈输入端子，利用磁芯和线圈的电信号耦合作用，将电脉冲信号耦合到隔离变压器的次级线圈输出端子。通过增加初级线圈与次级线圈之间的距离实现初级与次级之间的电压隔离，从而实现脉冲信号的传输。

利用压频变换原理实现模拟电压信号检测和传输的方法存在以下几个缺点：

由于对需要传输的模拟电压信号采取了压频变换，而频率信号不能直接叠加传输，使得对每一个要传输的模拟电压信号都需要一个独立的信号通道和光通道来实现信号的传输，使得在传输多路信号的情况下，需要多个独立的信号通道和多根光纤，造成系统体积庞大，结构复杂，成本增加很多，而可靠性下降很多；

采用压频变换方式，其壳体上开口比较多，每一个开孔都可能成为电磁干扰的路径，而且高电压的打火现象可能会通过孔槽进入到系统内部，造成系统内部器件损坏，无法正常工作或误触发现象，造成整机系统的工作失灵或失效。

采用隔离变压器实现脉冲信号的传输方法存在以下缺点：

隔离变压器的磁芯为铜质材料，其重量大，随线圈匝数的增长成倍数增加，达kg级。

隔离变压器能够隔离的高压有限，一般为数千伏，如果隔离电压过大，隔离变压器的尺寸随之增大，造成结构庞大，可靠性降低。

隔离变压器具有分布参数，信号之间有串扰，结构上不合理，不能实现高压端与低压端间的完全隔离，给使用带来安全隐患。

当传输脉冲脉宽过大，在几十毫秒时，触发脉冲变压器容易饱和；当传输脉冲频率过大时，数千赫兹以上时，触发脉冲变压器损耗变大，发热严重，会导致内部热量集中，如果散热不及时的话，会使传输特性发生偏移，严重的可能会危及发射机的寿命。

实用新型内容

本实用新型提供一种在高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，用以解决现有技术中存在安全性低、精度差问题。

为达上述目的，本实用新型提供一种高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，所述装置包括：对高压端信号进行传输的高压端模块和对低压端信号进行传输的低压端模块，所述高压端模块和低压端模块通过光纤连接；

其中，所述高压端模块和低压端模块的壳体上设置有直插管脚。

进一步，所述高压端模块包括：高压端电压信号输入输出单元、高压端信号处理单元、高压端光电转换单元和高压端电光转换单元；所述低压端模块包括低压端电压信号输入输出单元、低压端信号处理单元、低压端光电转换单元和低压端电光转换单元；

其中，所述高压端信号处理单元分别与所述高压端电压信号输入输出单元、高压端光电转换单元和高压端电光转换单元连接；所述低压端信号处理单元分别与所述低压端电压信号输入输出单元、低压端光电转换单元和低压端电光转换单元连接；所述高压端光电转换单元通过所述光纤与所述低压端电光转换单元连接；所述高压端电光转换单元通过所述光纤与所述低压端光电转换单元连接。

进一步，所述高压端模块还包括与所述高压端光电转换单元连接的高压端脉冲信号输出单元；

所述低压端模块还包括与所述低压端电光转换单元连接的低压端脉冲信号输入单元。

进一步，所述高压端信号处理单元包括：

模数转换子单元，与所述高压端电压信号输入输出单元连接；

高压端处理器，与所述模数转换子单元连接；

数模转换子单元，与所述高压端处理器连接。

进一步，所述低压端信号处理单元包括：

数模转换子单元，与所述低压端电压信号输入输出单元连接；

低压端处理器，与所述数模转换子单元连接；

模数转换子单元，与低压端处理器连接。

进一步，所述高压端电压信号输入输出单元设置有运算放大器。

进一步，所述低压端电压信号输入输出单元设置有运算放大器。

进一步，所述高压端模块或低压端模块的壳体由经导电氧化处理的铝材制成。

进一步，所述高压端模块或低压端模块的壳体由经镀金处理的铜料制成。

进一步，所述光纤与所述高压端模块和低压端模块通过ST/PC或FC/PC光接口形式连接。

本实用新型有益效果如下：

本实用新型采用光纤材料进行高速多路数据信号的传输处理，使用一根光纤构造光通道即可传输多路混合信号。利用光纤优良的电绝缘性，可以很好的实现高电压的隔离，且传输通道不受电磁干扰，如需要加大电压隔离性能，只需加长光纤长度即可实现，简单方便。另外，该装置具有体积小，重量轻，可安装在印制板上的优点。

附图说明

图1为现有技术在高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的原理示意图；

图2为本实用新型实施例一种高电位差环境下进行信号传输及高压隔离装置的整体结构示意图；

图3为本实用新型实施例一种高电位差环境下进行信号传输及高压隔离装置的详细结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图以及实施例，对本实用新型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实用新型，并不限定本实用新型。

下面以本实用新型的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置应用于雷达行波管为例，进行详细说明。

如图2、图3所示，本实用新型实施例涉及的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置主要包括高压端模块、低压端模块和传输光纤三大部分。高压端模块位于行波管负高压端一侧，用以与行波管电源部件交换参数。低压端模块位于低压端地电位一侧，用以与雷达发射机监控系统交换参数。高压端模块、低压端模块之间用四根传输光纤连接，进行两个相反方向的光信号传输，传输光纤既起到传输信号的作用，也起到隔离高压的作用。

高压端模块和低压端模块的壳体结构相同，壳体使用铝材经导电氧化，或铜料经镀金处理，具有很宽广的环境适应性能，铝导电氧化壳体适用于对重量要求比较严格的场合，采用铝制材料制作金属外壳可以很好的屏蔽外界电磁干扰和静电的影响，本身重量只有几百克，仅相当于传统的隔离变压器的十分之一左右，节约了内部空间，具有体积小、重量轻的优点。铜镀金壳体适用于对盐雾性能要求比较苛刻的场合。为便于安装和使用，产品采用模块化设计，产品的安装方式为印制板安装，在盒体底部留有两排引脚，使用时可将产品置于印制板上方，并将引脚放入印制板焊盘孔内，进行焊接，就可将产品牢牢地焊接在印制板上，不仅节省了接插件和需要的空间，也方便了安装和调试。

装置表面为全金属表面，除光、电接口外，壳体表面无其他任何开孔或者沟槽，一方面是为了防止高压端的电磁干扰通过高压端壳体的孔槽窃入到装置内部，会对内部的低压芯片和电源电路造成损坏，使系统无法正常工作或彻底报废；另一方面还可以通过优良的电磁屏蔽手段来作为备用的功能扩展口，一旦需要，可以在不进行较大改动的情况下，实现功能的扩展。

装置采用双列直插20管脚结构，与外部设备进行通讯。使用时可直接将管脚插入预留的印制板孔槽并焊接即可，操作简单方便，牢固可靠。在壳体底部留有约1mm的方形台阶，这样设计是为了在安装在印制板的时候，在金属壳体和印制板之间留有一定的缝隙，设计者进行印制板设计时可以在壳体的下方位置进行电气走线，装配时不会使印制板上的电气走线与组件壳体发生短路现象，提高设计的灵活性。

壳体底部开有四个螺丝定位孔，不仅可以固定底板和外壳，而且还可以在印制板焊接的时候从印制板下方直接穿上来，将底板，外壳和印制板固定在一起，加强接触的可靠性，提高组件耐振动、冲击等机械性能；底部的双列直插20管脚设计，每个管脚间距为标准间距，在设计时无需重新制作元件封装；同时由于内部具有电源保护电路，可支持热插拔功能。

在光信号接口上采用ST(卡接式圆型)/PC(微球面研磨抛光)或FC(圆型带螺纹)/PC(微球面研磨抛光)光接口形式，符合力学设计理念。不仅方便模块的安装、调试，而且对模块有非常好的夹紧作用，可以保障光通道不会因为外力或其他因素发生不必要的通讯中断，降低故障发生的概率。

在高压端模块，设置高压端电压信号输入输出单元接收外部输入的四路电压信号，经高压端信号处理单元信号处理后，高压端电光转换单元进行电光转换转换为光信号，经光纤传输。同时，高压端模块设置高压端光电转换单元，接收低压端模块送来的传输电压光信号，并将其转换为电信号，经高压端信号处理单元信号处理后，恢复为电压信号，由高压端电压信号输入输出单元输出。并且，高压端模块设置两路光电转换电路，接收低压端模块送来的触发脉冲光信号，恢复为触发脉冲电信号由高压端脉冲信号输出单元输出。

在低压端模块，设置低压端光电转换单元，接收高压端模块送来的传输电压光信号，转换为电信号，经低压端信号处理单元信号处理后恢复为电压信号，由低压端电压信号输入输出单元输出。同时，低压端模块由低压端电压信号输入输出单元接收外部输入的四路电压信号，经低压端信号处理单元信号处理后，低压端电光转换单元进行电光转换，转换为光信号，经光纤传输至高压端模块。并且，低压端模块包括低压端脉冲信号输入单元，接收两路触发脉冲电信号，进行电光转换，转换为光信号，经光纤传输至高压端模块。

高压端模块、低压端模块之间用四根光纤跳线连接，分别进行两个相反方向的光信号传输。其中两根光纤用以在高压端模块、低压端模块之间传输双向的电压数据信号，两根光纤用以从低压端模块向高压端模块传输两路触发脉冲信号。光纤跳线既起到传输信号的作用，也起到隔离高压的作用。

高压端电压信号输入输出单元的电压信号输入电路用以实现外部输入电压信号与装置内部采样电路的电气连接。输入电路设置运算放大器，对输入电压信号进行缓冲，以实现阻抗匹配，增强驱动能力，并实现输入端与采样电路的隔离。因为采样电路为低压供电的器件，如果输入电压过高，或管脚上有打火现象，很容易将内部电路芯片损坏。并且外部输入的电压信号是由电阻分压得到，驱动能力较弱，如果将此信号直接接到采样电路，由于输出阻抗的影响，在进行信号采样时会产生误差，使测量精度降低。设置输入运放以后，可以很好的解决这一问题。运放具有较高的输入阻抗，对输入电路不会产生影响，而输出阻抗又很低，对采样电路不会产生影响，因而，输入运放的使用，对实现信号的隔离和保证测量精度具有重要的意义。

低压端电压信号输入输出单元的电压信号输出电路用以实现向装置外部输出电压信号。由于接收端电压信号由数模转换器产生，有较高的精度和线性度，但是驱动能力不强。如果用该信号直接向外输出，对外部电路负载有较高的要求，要求外部电路负载不能太大，必须使负载阻抗高于一定的数值，才能保证电压信号的性能不受影响。为降低对外部电路负载的要求，在信号输出前设置输出电路，由运算放大器构成的电压跟随器组成，运算放大器要求具有较强的驱动能力。这样，不仅能保证输出电压信号的精度、线性度等技术性能指标，并提高了组件的信号输出能力，便于外部电路的设计和使用。

高压端电光转换单元和低压端电光转换单元结构相同，包括CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)信号驱动电路和光发射子单元。CMOS信号驱动电路接收单片机(高压端信号处理单元或低压端信号处理单元)输出的CMOS电平的数据信号，驱动至一个较大的电流信号，该电流信号驱动光发射模块，将电信号转换为光信号，经光纤传输。

高压端光电转换单元和低压端光电转换单元结构相同，包括光接收子单元。光接收子单元接收光信号，并将其转换为电信号输出，经过放大处理和整形后，形成CMOS电平的信号，送入单片机(高压端信号处理单元或低压端信号处理单元)处理。

高压端信号处理单元和低压端信号处理单元结构相同，包括处理器(高压端处理器和低压端处理器相同，通常为单片机)和模数转换子单元、数模转换子单元，完成输入电压信号的参数采集、输入电压信号的模数转换、输出电压信号的数模转换、以及电压数据数字信号的处理。

参数采集是利用采样电路对输入的多路电压信号进行模数转换，转换为数字信号，以利于后面的信号处理和数据传输。参数采集由单片机控制器件内相应功能部件完成，包括多路模拟开关、模数转换器、电压基准和适当的时序控制。在时序控制下，多路转换器在每个采样周期接通一路输入电压信号至模数转换器的输入端，并控制模数转换器开始转换，将模拟电压信号转换为量化的数字信号。参数采集的性能主要由转换时间和量化精度决定。转换时间指一个采样周期从信号跟踪到转换完成所需要的时间。转换时间越短，在单位时间内能够完成的采样周期越多，对输入的多路信号采集的次数也越多。这样一方面能够保证快的响应时间，使输入信号的变化很快传输到输出端表现出来，使整机系统能够及时掌握工作参数的变化，及时进行相应的控制，保证了整机的性能和安全性。另一方面，同样的时间内更多的采样次数，可以通过对数据进行累加平均获得更高的采样精度。

数模转换由专用数模转换芯片在单片机的时序控制下完成。单片机通过管脚接口与数模转换芯片连接，产生一定的时序，将数据送入数模转换芯片，将数字数据转换为电压信号输出。

电压数据信号处理对信号采集得到的数据进行有效的处理，包括数字滤波、错误数据识别、数据编码、数据打包、数据传输和采样系统自检程序。信号处理主要由单片机完成。在单片机将各路信号的数据采集以后，首先根据采集通道的顺序将各路信号的数据放入固定的内存地址中，各数据按顺序存放，以此确定每一路信号的数据与内存地址的对应关系。另外，在内存地址中存放与组件发射端自检有关的信息，将自检的结果信息编码后放入内存。将包含有信号转换数据和自检信息的内存地址作为一组整体数据，对该组数据从首字节开始进行循环冗余校验编码，直至末字节。编码后的两字节附加信息放入紧随存放信号数据的内存地址后，作为校验数据。

在编码完成后，单片机即开始发送数据。发送数据通过单片机内置的串行口进行。首先，发射端单片机先向串行口发送一个含有地址标识的特定字节数据，标识传输过程的开始。然后，单片机依次读取内存中包含数据信息和校验字节的字节数据，从首字节开始依次发送。在所有数据发送完毕以后，一次完整的信号检测和发送即告完成。然后组件的发射端去开始新一轮的信号采集、编码、发送，如此周而复始，实现了对被测信号的实时检测和传输。

接收端单片机接收光接收部分送出的串行数据，在内部恢复成字节数据，并对发送端经过校验编码的数据进行解码处理，恢复成原始信号数据。如果在解码过程中校验结果有错，则接收端单片机丢弃这一组数据，并输出错误标志信息。如果校验结果无错，则单片机将信号数据按各自的信号类型和端口送到不同的后续部分。通过片内PLL(Phase Locked Loop，锁相环)，单片机可实现最大为60MHz的CPU操作频率，程序执行速度快，有效提高数据传输效率。

由于单片机的数据处理能力和串行传输功能，使四路电压信号数据能以时分复用的方式经过一个信道传输，也即通过一根光纤传输。这大大简化了传输系统的复杂性，降低了器件使用数量，更减少了光纤使用的数量。

低压端脉冲信号输入单元接收外部输入的脉冲信号，经高速驱动器驱动后驱动低压端电光转换单元，将脉冲电信号转换为脉冲光信号，经光纤传输。所选用的高速驱动器具备两个特点，一是工作速度极快，可传输脉冲频率达百兆以上；二是驱动能力较强，输出电流达数十毫安。具备了以上两个特点，可保证传输脉冲信号的频率、响应时间等技术性能指标的实现。

高压端光电转换单元接收脉冲光信号，将其转换为电信号输出至高速比较器。高速比较器对输入的脉冲信号与固定的电平信号进行比较，产生CMOS或TTL(Transistor-Transistor Logic，逻辑门电路)电平形式的输出信号，从而恢复为脉冲电信号，由高压端脉冲信号输出单元输出。

由上述实施例可以看出，本实用新型实施例具有以下优点：

采用光纤材料进行高速多路数据信号的传输处理，使用一根光纤构造光通道即可传输多路混合信号。

利用光纤优良的电绝缘性，可以很好的实现高电压的隔离，且传输通道不受电磁干扰，如需要加大电压隔离性能，只需加长光纤长度即可实现，简单方便。

壳体使用轻质铝材经导电氧化或优质铜料经镀金处理，具有很宽广的环境适应性能，铝导电氧化壳体适用于对重量要求比较严格的场合，铜镀金壳体适用于对盐雾性能要求比较苛刻的场合。

采用拱形卡口式夹紧装置保障光通道的传输稳定性，符合力学设计理念。

电信号接口采用双列直插20针管脚封装形式，可直接焊接于印制板。

底部设计四个深孔定位螺丝，不仅可以紧固底板与上壳体，还可以从印制板下方直接穿深孔螺丝将底板、上壳体与印制板加固在一起，加强系统的连接可靠性，提高系统的耐机械性能。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，其特征在于，所述装置包括：对高压端信号进行传输的高压端模块和对低压端信号进行传输的低压端模块，所述高压端模块和低压端模块通过光纤连接；

其中，所述高压端模块和低压端模块的壳体上设置有直插管脚。

2.如权利要求1所述的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，其特征在于，所述高压端模块包括：高压端电压信号输入输出单元、高压端信号处理单元、高压端光电转换单元和高压端电光转换单元；所述低压端模块包括低压端电压信号输入输出单元、低压端信号处理单元、低压端光电转换单元和低压端电光转换单元；

其中，所述高压端信号处理单元分别与所述高压端电压信号输入输出单元、高压端光电转换单元和高压端电光转换单元连接；所述低压端信号处理单元分别与所述低压端电压信号输入输出单元、低压端光电转换单元和低压端电光转换单元连接；所述高压端光电转换单元通过所述光纤与所述低压端电光转换单元连接；所述高压端电光转换单元通过所述光纤与所述低压端光电转换单元连接。

3.如权利要求2所述的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，其特征在于，

所述高压端模块还包括与所述高压端光电转换单元连接的高压端脉冲信号输出单元；

所述低压端模块还包括与所述低压端电光转换单元连接的低压端脉冲信号输入单元。

4.如权利要求2所述的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，其特征在于，所述高压端信号处理单元包括：

模数转换子单元，与所述高压端电压信号输入输出单元连接；

高压端处理器，与所述模数转换子单元连接；

数模转换子单元，与所述高压端处理器连接。

5.如权利要求4所述的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，其特征在于，所述低压端信号处理单元包括：

数模转换子单元，与所述低压端电压信号输入输出单元连接；

低压端处理器，与所述数模转换子单元连接；

模数转换子单元，与低压端处理器连接。

6.如权利要求2所述的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，其特征在于，所述高压端电压信号输入输出单元设置有运算放大器。

7.如权利要求2所述的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，其特征在于，所述低压端电压信号输入输出单元设置有运算放大器。

8.如权利要求1所述的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，其特征在于，所述高压端模块或低压端模块的壳体由经导电氧化处理的铝材制成。

9.如权利要求1所述的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，其特征在于，所述高压端模块或低压端模块的壳体由经镀金处理的铜料制成。

10.如权利要求1所述的高电位差环境下进行信号传输及高压隔离的装置，其特征在于，所述光纤与所述高压端模块和低压端模块通过ST/PC或FC/PC光接口形式连接。

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