CN202693656U - 一种分路线性隔离电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电子测量设备。一种分路线性隔离电路，包括由一阶高通滤波器和变压器隔离电路构成的高路信号通路，还包括由一阶低通滤波器和光耦隔离电路构成的低路信号通路，高路信号通路和低路信号通路在输入端并联，高路信号通路的输出端和低路信号通路的输出端连接在求和电路上。本实用新型提供了一种在很宽的信号测量频率范围内都有精确和可靠的相应，幅度响应漂移小的分路线性隔离电路装置；解决现有技术中不能在宽频线路中无法实现，信号还原效果不理想，稳定性差的技术问题。

Description

一种分路线性隔离电路

技术领域

本实用新型涉及一种电子测量设备，尤其涉及一种可在很宽的频率范围内隔离地进行电信号测量线性分路隔离电路。

背景技术

隔离电路可将输入侧的电信号传递到输出侧，但输入侧和输出侧之间在电气上是隔离的，或者说是绝缘的，输入侧和输出侧之间只存在一个较小的电容。

    隔离电路可以提高测量时的共模抑制比，减少干扰，改善信号质量，也可以隔绝危险电压，保护设备和人身安全。在多通道同时测量时，隔离电路还可以防止因通道间共地造成的短路事故。

从被处理的信号看，隔离电路可以分为数字隔离电路和线性或模拟隔离电路。数字隔离电路只处理高、低电平信号，通常是0V和5V信号，属于开关信号，技术上容易实现。线性隔离电路通常称为隔离放大器，其输出信号与输入信号成线性关系，可以传递模拟信号。高带宽（数兆赫兹以上）的线性隔离电路技术上较难实现。

由于数字隔离容易实现，可将模拟输入信号先进行模/数转换，变成数字信号，然后进行数字隔离，再数/模转换，得到模拟输出信号，这样较易实现稳定的高线性度和高带宽的模拟信号隔离。但这种技术方案电路复杂，成本较高。虽然输入信号和输出信号都是模拟信号，这种方法本质上是数字隔离。

从信号传递的介质看，通常的隔离传递信号的方法有通过磁场、电场、光传递信号这三种方法。

用磁场传递信号的典型元件是变压器。对交流信号的隔离，可以直接使用变压器。但变压器不能传递直流信号，对频率很低的信号，激磁电抗变得很小，传递效果也不好。要用变压器传递直流和低频信号，须在输入端将输入信号调制成一个交流信号，用变压器传递此信号，在输出端解调，得到一个与输入信号成线性关系的输出信号。典型电路有Analog Devices 的AD215系列隔离放大器，隔离电压最高可到2500Vrms，非线性度可达0.005％，信号频带宽度最高可到DC-120kHz。加入调制与解调环节后，频带不易做高。

    用电场传递信号的典型元件是电容。电容也只能传递交流信号，无法传递直流信号，对频率较低的交流信号，容抗变得很大，也不利于传递。要用电容器传递直流和低频信号，须在输入端将输入信号调制成一个交流信号，用电容器传递此信号，在输出端解调，得到一个与输入信号成线性关系的输出信号。为了有好的隔离效果，电容值应该很低，通常在数皮法以下。典型电路有Texas Instruments公司的ISO124系列，隔离电压最高可到1500Vrms，非线性度可达0.01％，信号频带宽度最高可到DC-50kHz。加入调制与解调环节后，频带也不易做高。

    用光传递电信号的典型元件是光电耦合器（光耦）。与上述两种方法不同，用光耦可以直接传递直流和低频信号，不需要调制成交流信号。早期的光耦主要是为隔离数字信号设计的，为了隔离模拟信号，需要加上运算放大器等外围电路，使光耦中的LED和光电管工作在线性状态。此种隔离电路在结构上分为非反馈型和反馈型两种。非反馈型通常由两只运算放大器加一只光耦组成，线性度较差。反馈型通常由两只运算放大器加双光耦组成，其中一只光耦用作反馈补偿，线性度有所提高。后来出现了线性隔离专用的线性光耦，其结构是将一只LED和两只光电二极管集成在一个封装内，其中一只光电二极管用于反馈补偿，另一只光电二极管用于传递信号至输出侧。典型的线性光耦有CLARE公司的LOC110系列，VISHAY的IL300系列，此二种光耦的非线性度可达0.01％，带宽可达DC-200kHz。Agilent公司的HCNR200/201线性光耦拓展了带宽，可达DC-1MHz。

    也有文献介绍DC-4MHz带宽的线性隔离电路。

由上述介绍可见，现成的线性隔离电路最多能工作在DC至数MHz的频带。对于更高带宽（如DC至数十兆或数百兆赫兹）的信号，上述电路无法实现线性隔离传递。

注意到上述电路可较好地实现从直流到数百千赫兹的信号的线性隔离，而用变压器或电容可直接实现从低频（数千赫兹）到高频（数十兆或数百兆赫兹）的交流信号的线性隔离，若能将两者组合，就可以实现从直流到数百兆赫兹带宽的线性隔离。这就是所谓的分路（或双路）线性隔离电路。它由直流至低频通道（简称低路）和低频至高频通道（简称高路）组成。

   这种方法存在两个难点。

第一个难点是将信号分解成低路和高路两部分。传统上使用二阶或二阶以上的低通滤波器和二阶或二阶以上的高通滤波器组成的分频器来将输入信号分解成低路和高路。但将两个滤波器的输出信号相加后并不能如实地还原输入信号，在高低通滤波器的交迭频率附近，幅频响应存在凸点或凹点，并且整个电路的相频响应不是线性的，因此输出信号方波响应差，不能用于宽带信号测量。为此，需要加入复杂的补偿和调节电路，来改善电路幅频响应和相频响应。这导致了该种宽带隔离电路成本高、调试复杂、稳定性差。典型产品如Tektronix公司早期产品A6902B。

第二个难点是低路隔离通道和高路隔离通道的延时不一致。高路通道由变压器隔离，处理低频至高频段的信号，延时小；低路通道由光电隔离，处理直流至低频段的信号，延迟长。即使第一个难点不存在，低路和高路的延时不一致仍会导致合成的输出信号不能还原输入信号，其现象是方波响应前沿附近顶部下凹。为此，需在高路加入延迟电路，如《电测与仪表》杂志2004年第6期的论文“双通道宽带隔离放大器的设计”一文所述。延时电路也使电路成本提高、稳定性变差，并且存在幅频响应不平坦和相频响应非线性等副作用。

为克服上述难点，专利ZL 96101007.X提出了一种在直流至低频段，利用光电隔离电路的输出信号对变压器进行磁通调零的宽带双路线性隔离电路。但此方法中的变压器较复杂，并且，当低路与高路信号幅度未良好匹配时，变压器磁芯中可能出现直流磁通，会导致磁芯饱和或充磁。专利CN200610154738.9采用减法式分频器来实现分路，使隔离后的和信号还能保持平坦的幅频响应和线性相位响应，但其减法式分频器较为复杂。

发明内容

本实用新型提供了一种在很宽的信号测量频率范围内都有精确和可靠的相应，幅度响应漂移小的一种分路线性隔离电路；解决现有技术中不能在宽频线路中无法实现，信号还原效果不理想，稳定性差的技术问题。

本实用新型同时还提供一种简化的分路隔离放大器，其能维持稳定的频率和脉冲响应，只需简单的频率响应补偿调整，无需在高路加入延迟电路，也无需在直流至低频段对变压器进行磁通调零的分路线性隔离电路；解决了现有技术中存在的电路结构复杂性的技术问题。

本实用新型的上述技术问题是通过下述技术方案解决的：一种分路线性隔离电路，其特征在于：包括由一阶高通滤波器和变压器隔离电路构成的高路信号通路，还包括由一阶低通滤波器和光耦隔离电路构成的低路信号通路，高路信号通路和低路信号通路在输入端并联，高路信号通路的输出端和低路信号通路的输出端连接在求和电路上；一阶高通滤波器和一阶低通滤波器的截止频率相同，输入信号经过高路信号通路和低路信号通路的分频与隔离后，再经求和电路输出求和信号还原成输入信号。

高路信号通路，可以将一阶高通滤波器连接在变压器隔离电路的输入端或者输出端；低路信号通路，可以将一阶低通滤波器连接在光耦隔离电路的输入端或者输出端。

一阶高通滤波器的-3dB截止点与一阶低通滤波器的-3dB截止点相同或几乎相同。

采用一阶高通滤波器和一阶低通滤波器实现分频，得到高路信号和低路信号，一阶高通滤波器和一阶低通滤波器的-3dB截止频率相同或几乎相同。由-3dB截止频率相同的一阶高通滤波器和一阶低通滤波器构成的分频器，将宽带输入信号分离成高路和低路两部分，若再将此两路信号求和，所得的和信号与输入信号相比，没有幅度和相位的变化，可以不失真地重现输入信号。此分频器结构简单，元件最少，性能稳定。

在高路和低路信号分别经过变压器和光耦隔离之后，若变压器和光耦隔离电路具有足够的线性度，则隔离后的信号之和仍可良好地重现输入信号，具有平坦的幅度响应和线性相位响应，具有精确的脉冲响应和阶跃响应。

一阶高通滤波器和一阶低通滤波器实现了对输入信号从DC到数百兆赫兹的信号的分频，因为采用了一阶的分频电路与隔离电路的有效连接，实现了线性的隔离传递和信号的有效还原。

作为优选，所述的一阶高通滤波器连接在变压器隔离电路的输入端，一阶低通滤波器连接在光耦隔离电路的输出端。一阶高通滤波器连接在变压器隔离电路的输入端具有隔直效果。光耦隔离电路内含微弱光电流放大，易引入噪音和干扰，将低通滤波器装在光耦隔离电路输出端，可以滤除或降低光耦隔离电路引入的噪音和干扰，改善输出信号质量，故将一阶低通滤波器连接在光耦隔离电路的输出端。

作为优选，所述的一阶高通滤波器由电容C₁和电阻R₁构成，输入信号连接到一阶高通滤波器，一阶高通滤波器的输出接第一运算放大器的同相输入端，第一运算放大器的输出与变压器隔离电路内的变压器的初级绕组的一端连接，变压器的初级绕组的另一端接输入端参考地，变压器的次级绕组的一端的输出信号为隔离后的高通信号，高通信号连接到求和电路的第一输入端，变压器的次级绕组的另一端接输出端参考地；输入信号同时连接到第二运算放大器的同相输入端，第二运算放大器的输出通过电阻R₂连接到光耦隔离电路内的光电耦合器的发光二极管，发光二极管的另一端接输入端参考地，光电耦合器的第一光电二极管一端接电源+V1，第一光电二极管的另一端通过电阻R₃与第二运算放大器的反相输入端相连，电阻R₃的另一端接参考电压-Vref1，光电耦合器内的第二光电二极管一端接电源+V2，另一端接到可调电阻R₄和第三运算放大器的同相输入端，可调电阻R4的另一端接参考电压-Vref2；可调电阻R₅和电容C2构成一阶低通滤波器，第三运算放大器的输出端接一阶低通滤波器，一阶低通滤波器的输出即为隔离后的低路信号，低路信号连接到求和电路的第二输入端。通过可调电阻R4对高路和低路信号的幅度进行调节使之匹配，通过可调电阻R5对高通滤波器和低通滤波器频率调节，使其一致。光耦隔离通道增益可调，使之与变压器隔离通道匹配。一阶低通滤波器-3dB截止频点可调，使之与一阶高通滤波器的-3dB截止频点相同或几乎相同。或者，变压器隔离通道增益可调，使之与光耦隔离通道匹配。一阶高通滤波器-3dB截止频点可调，使之与一阶低通滤波器的-3dB截止频点相同或几乎相同。

作为优选，所述的光耦隔离电路的高频截止频率高于一阶低通滤波器的截止频率100倍，一阶高通滤波器的-3dB截止频率为10kHz-30kHz。使接在光耦隔离电路之后的一阶低通滤波器的输出的信号，与当将此一阶低通滤波器直接接到输入信号时输出的信号相比，是线性的。

作为优选，所述的变压器隔离电路的低频截止频率低于一阶高通滤波器的截止频率的1/100，一阶高通滤波器的-3dB截止频率为10kHz-30kHz。使一阶高通滤波器输出的信号可以线性地被变压器从初级耦合到次级。

本实用新型的一种分路线性隔离电路具备下述优点：经过一阶的高通和低通滤波器后，在高路和低路信号经过变压器和光耦隔离电路隔离后，再经过求和电路，能很好的重现输入信号，具有平坦的幅度响应和线性相位响应，具有精确的脉冲响应和阶跃相应，提高整体的隔离电路共模抑制比，减少干扰，改善信号质量。

附图说明

图1 本实用新型的一种分路线性隔离电路的一种结构框图。

图2本实用新型的一种分路线性隔离电路的另一种结构框图。

图3 图2的具体实施电路。

图4是图3电路中高路、低路和输出信号的幅频响应。

图5是图3电路中高路、低路和输出信号的相频响应。

具体实施方式

 下面通过实施例，并结合附图，对实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

 实施例1：

如图1所示，一种一种分路线性隔离电路，包括高路信号通路和低路信号通路，输入信号经过高路信号通路和低路信号通路分频隔离后，再经过求和电路输出。高路信号通路包括一阶高通滤波器和变压器隔离电路，变压器的低频截止频率应远低于一阶高通滤波器的截止频率，一阶高通滤波器的-3dB截止频率通常取10kHz-30kHz为宜，变压器隔离电路的低频-3dB截止频率小于一阶高通滤波器的截止频率的1/100，即对应小于100Hz-300Hz，变压器隔离的电路的高频截止频率取决于实际中对隔离电路的高频响应需求，通常在2MHz-500MHz。一阶高通滤波器连接在变压器隔离电路的输入端，一阶高通滤波器的输入端连接有输入信号，变压器隔离电路的输出端连接在求和电路的输入端。低路信号通路包括一阶低通滤波器和光耦隔离电路，光耦隔离电路的高频截止频率应远高于一阶低通滤波器的截止频率，一阶低通滤波器的-3dB截止频率与一阶高通滤波器的-3dB截止频率相同，即通常取10kHz-30kHz，光耦隔离电路的高频-3dB截止频率应大于一阶低通滤波器的截止频率的100倍为宜，即对应大于1000kHz-3000kHz，光耦隔离的电路的低频端通常能工作在0Hz即直流信号下。一阶低通滤波器连接在光耦隔离电路的输入端，一阶低通滤波器的输入端连接有输入信号，光耦隔离电路的输出端连接在求和电路的输入端。一阶高通滤波器的-3dB截止点与一阶低通滤波器的-3dB截止点相同或几乎相同。

实施例2：

如图2所示，一种一种分路线性隔离电路，一阶高通滤波器安装在变压器通道的输入侧，由于光耦隔离电路内含微弱光电流放大，易引入噪音和干扰，故将低通滤波器装在光耦隔离电路输出端，可以滤除或降低光耦隔离电路引入的噪音和干扰，改善输出信号质量。

如图3所示，输入信号1连接到一阶高通滤波器2。电容C₁3和电阻R₁4构成一阶高通滤波器2，其输出接第一运算放大器5的输入端，第一运算放大器5输出与变压器6初级绕组一端连接，变压器6初级绕组另一端接输入侧参考地7。变压器6次级绕组一端的输出信号即为隔离后的高路信号8，高路信号8连接到求和电路9的一个输入端。变压器6次级绕组另一端接输出侧参考地10。

输入信号1同时也连接到光耦隔离电路的输入端，即第二运算放大器11的同相输入端。第二运算放大器11的输出通过电阻R₂12连接到光电耦合器13内的发光二级管14，发光二极管14另一端接输入侧参考地7。光电耦合器13内的第一光电二极管15一端接电源+V1，另一端接到电阻R₃16和第二运算放大器11的反相输入端。电阻R₃16另一端接参考电压-Vref1。光电耦合器13内的第二光电二极管17一端接电源+V2，另一端接到第一可调电阻R₄18和第三运算放大器19的同相输入端。第一可调电阻R₄18另一端接参考电压-Vref2. 可调电阻R₅20和电容C₂21构成一阶低通滤波器22，第三运算放大器19的输出端接一阶低通滤波器22，一阶低通滤波器22的输出即为隔离后的低路信号23，此信号连接到求和电路9的另一个输入端。

发光二级管14的光同时等量地照射到第一光电二极管15和第二光电二极管17。第一光电二极管15产生的光电流在电阻R₃16上产生电压，在第二运算放大器11的反馈控制下，使节点24电压等于输入信号1的低频段部分。第二光电二极管17中产生的光电流与第一光电二极管15产生的光电流基本相等，仅差一个较小的系数。调节可调电阻R₄18可以使节点25电压与节点24电压相等或成线性关系，也就与输入信号1的低频段部分信号电压相等或成线性关系。于是输入信号1的低频段部分被线性地隔离传输到第三运算放大器19，并且延时极小，无需延时补偿。第三运算放大器19输出接有一阶低通滤波器22，对隔离后的输入信号1的低频段部分进行一阶低通滤波。

变压器6的低频截止频率应远低于一阶高通滤波器2的截止频率，使一阶高通滤波器2输出的信号可以线性地被变压器6从初级耦合到次级。

光耦隔离电路的高频截止频率应远高于一阶低通滤波器22的截止频率，使接在光耦隔离电路之后的一阶低通滤波器22的输出的信号，与当将此一阶低通滤波器直接接到输入信号1时输出的信号相比，是线性的。

图4中曲线26是高路信号8与输入信号1相比的幅频响应曲线；曲线27是低路信号23与输入信号1相比的幅频响应曲线。线迹28是求和电路9的输出信号29与输入信号1相比的幅频响应曲线，线迹28为一条水平直线，与频率无关，可见输出信号29在幅度上与输入信号1是线性关系。

图5中曲线30是高路信号8与输入信号1相比的相频响应曲线；曲线31是低路信号23与输入信号1相比的相频响应曲线。线迹32是求和电路9的输出信号29与输入信号1相比的相频响应曲线，线迹32为一条水平直线，是线性相位响应。

这样，输入信号1被线性地隔离传输到输出端。

实际中，输入参考地7与输出参考地10通常不是等电位，可能会有高压电位差，由变压器6、光电耦合器13构成的隔离壁垒，可以耐受此电位差。

-Vref1使光电耦合器13产生一个偏置电流，使光耦隔离电路可以接受负极性输入电压。-Vref2将节点25初始电位调节到0.通常取-Vref2等于-Vref1。

调节可调电阻18可以使低路信号23的幅度与高路信号8匹配；调节可调电阻R₅20可以使一阶低通滤波器22的截止频率与一阶高通滤波器2的截止频率相同或几乎相同，从而得到如图4和图5中的响应特性。也可调节高路的增益与低路匹配，调节高通滤波器的截止频点与低通滤波器相同或几乎相同。

    本领域技术人员当了解，本实用新型的某些部分可以有其他的实施方式。

    上述最佳实施例列出了一些优选的元件类型和数值，但是显然，可以改变、添加、或去掉一些放大器、变压器、光电耦合器，以及有关型号和数值的元件，以适应各种特定用途的需要。

    同样，以上描述的本实用新型是以离散元件实施的，然而，其中一些放大器、部件、和子系统也可以做成集成电路的组件、混合电路、或多芯片模块。

    另外，虽然最佳实施例中描述的是以手动方式调节相关的元件以使低路增益与高路匹配、高通滤波器截止频率与低通滤波器匹配，但是手动或自动参数调节亦可用到本实用新型中任何有效电路组件上。

    本领域的技术人员都明白，对于本实用新型上述实施例的许多细节方面都可做出各种修改，但这不脱离本实用新型的构思。本实用新型也可用于有关信号隔离方面，而不仅仅是电信号测量设备上。因此，本实用新型的范围应只有所附的权利要求书确定。

Claims (5)

1.一种分路线性隔离电路，其特征在于：包括由一阶高通滤波器和变压器隔离电路构成的高路信号通路，还包括由一阶低通滤波器和光耦隔离电路构成的低路信号通路，高路信号通路和低路信号通路在输入端并联，高路信号通路的输出端和低路信号通路的输出端连接在求和电路上；一阶高通滤波器和一阶低通滤波器的截止频率相同，输入信号经过高路信号通路和低路信号通路的分频与隔离后，再经求和电路输出求和信号还原成输入信号。

2.根据权利要求1所述的一种分路线性隔离电路，其特征在于：所述的一阶高通滤波器连接在变压器隔离电路的输入端，一阶低通滤波器连接在光耦隔离电路的输出端。

3.根据权利要求2所述的一种分路线性隔离电路，其特征在于：所述的一阶高通滤波器由电容C₁和电阻R₁构成，输入信号连接到一阶高通滤波器，一阶高通滤波器的输出接第一运算放大器的同相输入端，第一运算放大器的输出与变压器隔离电路内的变压器的初级绕组的一端连接，变压器的初级绕组的另一端接输入端参考地，变压器的次级绕组的一端的输出信号为隔离后的高通信号，高通信号连接到求和电路的第一输入端，变压器的次级绕组的另一端接输出端参考地；输入信号同时连接到第二运算放大器的同相输入端，第二运算放大器的输出通过电阻R₂连接到光耦隔离电路内的光电耦合器的发光二极管，发光二极管的另一端接输入端参考地，光电耦合器的第一光电二极管一端接电源+V1，第一光电二极管的另一端通过电阻R₃与第二运算放大器的反相输入端相连，电阻R₃的另一端接参考电压-Vref1，光电耦合器内的第二光电二极管一端接电源+V2，另一端接到可调电阻R₄和第三运算放大器的同相输入端，可调电阻R4的另一端接参考电压-Vref2；可调电阻R₅和电容C2构成一阶低通滤波器，第三运算放大器的输出端接一阶低通滤波器，一阶低通滤波器的输出即为隔离后的低路信号，低路信号连接到求和电路的第二输入端。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种分路线性隔离电路，其特征在于：所述的光耦隔离电路的高频截止频率高于一阶低通滤波器的截止频率100倍，一阶高通滤波器的-3dB截止频率为10kHz-30kHz。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种分路线性隔离电路，其特征在于：所述的变压器隔离电路的低频截止频率低于一阶高通滤波器的截止频率的1/100，一阶高通滤波器的-3dB截止频率为10kHz-30kHz。

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