CN212872606U - 一种光纤隔离多通道录波仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤隔离多通道录波仪，包括录波仪主机和N个浮动测量单元，每个浮动单元结构相同均包括依次连接的模拟调理电路、ADC模块、数字信号采集模块、第一光电转换模块；还包括锂电池和电源管理电路，锂电池与电源管理电路连接，电源管理电路与模拟调理电路、ADC模块、数字信号采集模块和第一光电转换模块连接；录波仪主机中光电转换模块连接SFP‑FPGA模块，一个SFP‑FPGA模块连接m根内存条，且每个SFP‑FPGA模块均与测量显示模块连接，测量显示模块与触摸屏和主控模块连接；本实用新型具备极佳的宽带共模抑制能力和极高的性价比，给大功率电力电子设备调试带来极大便利。

Description

一种光纤隔离多通道录波仪

技术领域

本实用新型属于示波器领域，尤其涉及一种录波仪。

背景技术

近年来电力电子变换器技术日新月异，特别是宽禁带器件极大的推进了电力电子变换器的发展，电力电子变换器朝着高效率和高功率密度发展，宽禁带器件即将代替传统的硅基IGBT/MOSFET。但是宽禁带器件由于开关速度非常快，对于测量设备也提出了更高的要求，而且因为开关速度快，导致共模干扰电压频谱较传统的IGBT/MOSFET大为扩展，使得现有的高压差分探头的共模抑制能力接近失效。市面上的高压差分探头共模抑制比(CMRR)虽然低频可以达到80dB，但是当频率在1MHz以上时，CMRR就会迅速下降到50dB。市面上CMRR参数最佳的是美国LeCroy公司的DA1855A型差分探头，该探头的CMRR在低频可以达到120dB，但是在100Hz时，共模抑制比会衰减到20dB。宽禁带器件的开关速度可以达到10ns以下，这种快速变化的边沿会对高压差分探头产生极宽范围的共模干扰电压，该干扰电压的带宽为35MHz，即使非常昂贵的DA1855A差分探头在35MHz时，其CMRR也只有40dB左右。而在一般的半桥应用中，直流母线电压为800V，经过40dB衰减后电压为8V，但是一般的栅极电压Vgs幅度一般在20V以下，8V的共模干扰对于Vgs测量几乎不可接受。为了达到勉强可用的状态，需要在35MHz频率处CMRR依然大于60dB。现有的高压差分探头基本无法实现这一指标。

针对桥臂上管测量共模干扰问题，很多产品试图用浮地的示波器配合无源单端探头直接测量。采用这种方式的示波器虽然不接地，但是示波器内部的电源和大地之间通过传统的开关电源变压器隔离，会产生很大的寄生电容；而针对宽禁带器件，要求和大地之间的寄生电容在10pF以下，以减少共模电流对被测电路的干扰。该方式还会因为示波器的电源变压器隔离程度不够，导致出现多谐振尖峰问题。而且示波器还是需要人工来操作的，示波器和上管一起浮动时会造成潜在人身伤亡危害。即使有非常理想的隔离电源，也会影响测量精度，因为示波器内部电源变压器隔离电容非常低，但是示波器及其探头本身体积很大，依然和大地形成了很大的寄生电容，仍然会影响测量效果。

泰克公司最新推出的IsoVu系列光纤隔离探头利用光纤实现测量电路和示波器之间的隔离。IsoVu系列探头首先用电池供电的测量电路，将被测信号经过处理后，将信号调制在光信号中，然后在另一端接收光信号并重建模拟信号，然后输入示波器完成信号的隔离测量。这种方式具有极佳的共模抑制能力，但是这种方式最大的问题是在示波器处需要重建信号，实际上光纤内传输的一般为数字信号，如果有适合的设备配合，完全可以直接将数字信号接收并直接显示即可，无需将数字光信号转换为模拟信号再用示波器采集显示，从而节省成本。泰克的 IsoVu系列探头即使最便宜的一根也要大约15万人民币左右，价格太过昂贵，且无法大面积使用。

业界还有人提出用无线WiFi示波器的概念来解决浮动电压测量的问题，如果用无线示波器，那么至少需要三个示波器来分别测三个上管的信号，但是目前并没有人能解决这三个示波器之间如何利用WiFi实现ns级别同步的问题，而且常用的WiFi最高也才1000Mbps，对于实时录波仪来说存在带宽不够的问题。

如今的电力电子设备拓扑越来越复杂，即使最简单的三相半桥也有6只管子，如果每只管子分别测量Vgs和Vds，那么至少需要12通道才能覆盖测量。另外，非常常用的PSFB/DAB等拓扑一般有8只管子，那么至少需要16通道。更不用说更加复杂的多电平拓扑了。但是现有的示波器并没有因为这些趋势而有多少变化，一般的示波器大都有4通道，极少部分有8通道。即使4通道的示波器都不是太便宜，8通道示波器就更加昂贵了。现有示波器另外一个问题是目前的示波器为了应对通用信号测量，内置了大量复杂的触发、测量和计算功能，这些复杂的功能导致示波器响应慢，给使用带来一定的不便。还有一个问题是存储深度的问题，虽然很多示波器有所谓的深存储，但是根本无法实现分钟级别的存储。虽然现在有8通道示波器可以实现秒级的深存储，但是这个示波器非常昂贵的，同时这款示波器也是普通示波器，无法解决宽禁带器件隔离测量的问题。业界急需一种能实现十分钟以上的超深存储高带宽录波仪，同时能实现16通道以上的隔离测量通道，同时要求成本尽量低，以应对越来越复杂的电力电子设备调试带来的挑战。

专利申请文件CN201711387184公布了一种基于光纤传输的多通道隔离数字示波器实现方法，该文件中提出利用FPGA实现数据压缩，以便能用低速的2.5Gbps的光电转换芯片完成信号收发。但是这种数据压缩会带来一定的延迟，而且这种延迟是随着数据的变化而变化的，会给后续的多通道同步带来一定的难度。此文件中需要利用SI8660隔离芯片完成对浮动测量模块的控制，那么必然需要一根电缆完成对SI8660供电和信号传输。在多通道的应用场景下，本已有很多根光纤，再增加一倍数量的电缆给应用带来一定的不便。而且，此专利并没有考虑到16通道实时采集数据产生的至少16Gbyte/s数据带来的显示问题。

实用新型内容

实用新型的目的：为解决现有的录波仪存在测量效率低、成本高和通道少等一系列问题，本实用新型提供了一种光纤隔离多通道录波仪。

实用新型的技术方案：本实用新型提供了一种光纤隔离多通道录波仪，包括录波仪主机和N个浮动测量单元；

所述录波仪主机包括N个光电转换模块、第

个SFP-FPGA模块、内存条、测量显示模块、触摸屏和主控模块，其中

为向上取整；前

个SFP-FPGA模块中每一个SFP-FPGA模块连接4个光电转换模块，第

个 SFP-FPGA模块与剩余的

个光电转换模块连接，一个SFP-FPGA 模块连接m根内存条，且每个SFP-FPGA模块均与测量显示模块连接；所述测量显示模块与触摸屏和主控模块连接；

所述每个浮动测量单元结构相同，均包括依次连接的模拟调理电路、ADC模块、数字信号采集模块、第一光电转换模块；所述每个浮动测量单元还包括锂电池和电源管理电路，所述锂电池与电源管理电路连接，所述电源管理电路与模拟调理电路、ADC模块、数字信号采集模块和第一光电转换模块连接；

第n个浮动测量单元中的第一光电转换模块连接录波仪主机中的第n个光电转换模块，其中n＝1,2,…,N。

进一步的，所述测量显示模块和数字信号采集模块均采用FPGA芯片，所述主控模块采用STM32芯片。

进一步的，所述N个光电转换模块和第一光电转换模块均采用10Gbps-SFP 芯片。

进一步的，所述ADC模块采用高速8位、10位、12位或16位ADC模块。

进一步的，所述每个浮动测量单元还包括相互连接的温度调理电路和低速 24位ADC模块，所述低速24位ADC模块还与该浮动测量单元中的数字信号采集模块连接。

进一步的，温度调理电路采用热敏电阻或热电偶。

进一步的，第n个浮动测量单元的第一光电转换模块通过万兆光纤与录波仪主机中的第n个光电转换模块连接。

进一步的，所述每个SFP-FPGA模块通过板间并行总线与测量显示模块连接。

进一步的，所述内存条采用DDR、DDR2、DDR3或DDR4内存条。

进一步的，所述SFP-FPGA模块采用具有GTP收发器的SFP-FPGA芯片。

有益效果：本实用新型具备200MHz模拟信号带宽，极佳的宽带共模抑制能力，10Gbps光纤同时完成信号传输、双向控制和多通道ns级精确同步三种功能。通道模块化设计，可以非常方便的扩展到16通道，甚至到32通道，可满足10 分钟实时波形存储的需要。可以非常全面的评估器件开关状态，即使炸机后也可以非常从容地回放波形，给大功率电力电子设备调试带来极大便利，具有极高性价比。

附图说明

图1是本实施例的浮动测量单元结构示意图；

图2是本实施例的整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

光纤隔离多通道录波仪由N个浮动测量单元和一个录波仪主机组成，本实施例中N＝16。如图1所示，浮动测量单元主要由模拟调理电路，ADC模块(模拟数字转换器)，数字信号采集模块，第一光电转换模块，锂电池及其电源管理电路组成。

本实施例中ADC模块采用高速8位、10位、12位或16位ADC模块、数字信号采集模块采用FPGA芯片、第一光电转换模块采用10Gbps-SFP。

如图2所示，录波仪主机内部具有N只光电转换模块，

个SFP-FPGA 模块(本实施例中采用带GTP收发器的SFP-FPGA芯片)、内存条、测量显示模块、触摸屏和主控模块，其中

为向上取整；N只光电转换模块通过N根光纤分别连接N个浮动测量单元，前

个SFP-FPGA模块中每一个SFP-FPGA模块连接4个光电转换模块，第

个SFP-FPGA模块与剩余的

个光电转换模块连接，同时一个SFP-FPGA模块连接m根内存条，则有

根内存条，本实施例中m＝4；每个SFP-FPGA模块通过板间并行总线和测量显示模块相连接，所述测量显示模块与主控模块和触摸屏连接，本实施例中N只光电转换模块均采用10Gbps-SFP芯片，测量显示模块采用FPGA芯片，主控模块采用STM32芯片，内存条采用8GB-DDR3。

优选的，浮动测量单元内部还可以加装测温单元，所述测温单元包括相互连接的温度调理电路和低速24位ADC模块，所述低速24位ADC模块与该浮动测量单元中的数字信号采集模块连接，温度数据可以利用光纤汇总到主机上存储显示，可选的温度采集功能极大简化电力电子调试，不需要额外的昂贵的多通道温度记录仪，节省调试设备成本。浮动测量单元只需一根万兆光纤和主机相连接。所述温度调理电路包括热敏电阻NTC(负温度系数可变电阻)、PTC(正温度系数可变电阻)或热电偶。

数字信号采集模块根据主控模块的设定，控制模拟调理电路的放大倍数以及 ADC模块的开启和关闭时间，所述模拟调理电路将采集到的模拟信号进行放大滤波后传送至高速ADC模块，所述高速ADC模块将收到的模拟信号转换成数字信号；所述温度调理电路将采集到的温度信号进行放大滤波后传送至低速24 位ADC模块，所述低速24位ADC模块将收到的模拟信号转换成数字信号；所述数字信号采集模块根据主控模块的要求在规定时刻开始采集高速ADC模块、低速24位ADC模块上的数字信号，所述电池调理电路将锂电池转换成数字信号采集模块和其他电路所需要的电压，为数字信号采集模块和其他电路供电；将数字信号采集模块将采集到的数字信号依次经过第一光电转换模块、录波仪主机中的光电转换模块和SFP-FPGA模块后(SFP-FPGA模块先将光信号转换为差分信号，再将差分信号转换为数字信号)，将最后的电信号存储至内存条中，同时内存条内的数据可以根据需求实时传送给显示测量模块，并由显示测量模块完成波形生成，并将波形显示在触摸屏上。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种光纤隔离多通道录波仪，其特征在于,包括录波仪主机和N个浮动测量单元；

所述录波仪主机包括N个光电转换模块、第

个SFP-FPGA模块、内存条、测量显示模块、触摸屏和主控模块，其中

为向上取整；前

个SFP-FPGA模块中每一个SFP-FPGA模块连接4个光电转换模块，第

个SFP-FPGA模块与剩余的

个光电转换模块连接，一个SFP-FPGA模块连接m根内存条，且每个SFP-FPGA模块均与测量显示模块连接；所述测量显示模块与触摸屏和主控模块连接；

所述每个浮动测量单元结构相同，均包括依次连接的模拟调理电路、ADC模块、数字信号采集模块、第一光电转换模块；所述每个浮动测量单元还包括锂电池和电源管理电路，所述锂电池与电源管理电路连接，所述电源管理电路与模拟调理电路、ADC模块、数字信号采集模块和第一光电转换模块连接；

第n个浮动测量单元中的第一光电转换模块连接录波仪主机中的第n个光电转换模块，其中n＝1,2,…,N。

2.根据权利要求1所述的一种光纤隔离多通道录波仪，其特征在于，所述测量显示模块和数字信号采集模块均采用FPGA芯片，所述主控模块采用STM32芯片。

3.根据权利要求1所述的一种光纤隔离多通道录波仪，其特征在于，所述N个光电转换模块和第一光电转换模块均采用10Gbps-SFP芯片。

4.根据权利要求1所述的一种光纤隔离多通道录波仪，其特征在于，所述ADC模块采用高速8位、10位、12位或16位ADC模块。

5.根据权利要求1所述的一种光纤隔离多通道录波仪，其特征在于，所述每个浮动测量单元还包括相互连接的温度调理电路和低速24位ADC模块，所述低速24位ADC模块还与该浮动测量单元中的数字信号采集模块连接。

6.根据权利要求5所述的一种光纤隔离多通道录波仪，其特征在于，所述温度调理电路采用热敏电阻或热电偶。

7.根据权利要求1所述的一种光纤隔离多通道录波仪，其特征在于，所述第n个浮动测量单元的第一光电转换模块通过万兆光纤与录波仪主机中的第n个光电转换模块连接。

8.根据权利要求1所述的一种光纤隔离多通道录波仪，其特征在于，所述每个SFP-FPGA模块通过板间并行总线与测量显示模块连接。

9.根据权利要求1所述的一种光纤隔离多通道录波仪，其特征在于，所述内存条采用DDR、DDR2、DDR3或DDR4内存条。

10.根据权利要求1所述的一种光纤隔离多通道录波仪，其特征在于，所述SFP-FPGA模块采用具有GTP收发器的SFP-FPGA芯片。

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