CN214310655U - 多通道程控4量程电信号差分隔离变换器及数据记录仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器及数据记录仪，包括：多个输入通道、每个输入通道对应的逻辑控制回路和量程控制回路；逻辑控制回路用于将接收到的量程控制命令输出至量程控制回路，以使量程控制回路切换至量程控制命令对应的量程；每个输入通道包括2个输入端子，用于将输入信号接入对应的量程控制回路；量程控制回路用于将标准信号(基于量程控制回路中预设的信号处理算法对输入信号进行处理后得到的)输出至模数转换器，并将标准信号反馈至逻辑控制回路的过压保护回路。本实用新型可以根据实际需求将输入通道设置为电压通道或电流通道，且可以满足多种输入量程的设定，从而使仪器体积较小，同时提高仪器的适应能力。

Description

多通道程控4量程电信号差分隔离变换器及数据记录仪

技术领域

本实用新型涉及电力系统技术领域，尤其是涉及一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器及数据记录仪。

背景技术

电力系统数据记录仪是目前电力系统使用较为广泛的综合性电力测试仪器，能够记录现场电压、电流、功率等电气量，并具有分析计算、图形处理、报表生成及打印等功能。但是，目前现有的电力系统数据记录仪只考虑某些特定工况的使用，各输入通道只考虑某一种信号的处理且输入量程设定单一，因此，无法适应电流电压测量数量的变化；而且现有的记录仪基于测量现场的需要，需要配置更多的输入通道，从而导致仪器体积增大。综上所述，现有的记录仪输入量程单一、适应能力差且体积较大。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器及数据记录仪，可以根据实际需求将输入通道设置为电压通道或电流通道，且可以满足多种输入量程的设定，从而使仪器体积较小，同时提高仪器的适应能力。

为了实现上述目的，本实用新型实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本实用新型实施例提供了一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，包括：多个输入通道以及每个输入通道对应的逻辑控制回路和量程控制回路；其中，每个输入通道对应的量程控制回路与输入通道和逻辑控制回路相连；逻辑控制回路用于将接收到的量程控制命令输出至量程控制回路，以使量程控制回路切换至量程控制命令对应的量程；每个输入通道包括2个输入端子，用于将输入信号接入对应的量程控制回路；其中，输入信号包括电压信号或电流信号；量程控制回路用于将标准信号输出至模数转换器，并将标准信号反馈至逻辑控制回路的过压保护回路中；其中，标准信号是基于量程控制回路中预设的信号处理算法对输入信号进行处理后得到的。

在一种实施方式中，还包括：每个输入通道对应的过压保护回路，过压保护回路与对应通道的逻辑控制回路和量程控制回路相连；过压保护回路用于接收量程控制回路反馈的标准信号，并将过压保护信号输出至逻辑控制回路，以使逻辑控制回路进行越限报警及过压保护；其中，过压保护信号是基于接收到的标准信号确定的。

在一种实施方式中，逻辑控制回路包括：依次连接的可编程逻辑控制器、三极管阵列和至少一个继电器。

在一种实施方式中，量程控制回路包括：依次连接的差分分压电路、差分放大器、程控放大器、隔离放大器和滤波器。

在一种实施方式中，差分分压电路包括：多个分压电阻和多个继电器；分压电路通过继电器的闭合控制输入阻抗，以切换至量程控制命令对应的量程。

在一种实施方式中，过压保护回路包括：多个电阻和比较器；过压保护回路通过电阻将接收到的标准信号分压至比较器，以使比较器输出过压保护信号至逻辑控制回路。

在一种实施方式中，逻辑控制回路还包括96针欧式连接器；逻辑控制回路通过96针欧式连接器接收量程控制命令。

在一种实施方式中，分压电阻包括无感电阻；差分放大器包括INA128差分放大器；程控放大器包括OPA4227和OPA2227运算放大器；隔离放大器包括ACPL-C79B隔离放大器；滤波器包括四阶巴特沃思低通滤波器。

在一种实施方式中，上述多通道程控4量程电信号差分隔离变换器包括：输入面板、逻辑控制及过压保护板和量程控制及信号处理板；其中，输入通道设置于输入面板上，逻辑控制回路和过压保护回路设置于逻辑控制及过压保护板上，量程控制回路设置于量程控制及信号处理板上。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种数据记录仪，包括第一方面任一项提供的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，还包括与多通道程控4量程电信号差分隔离变换器相连接的模数转换器。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器及数据记录仪，包括：多个输入通道以及每个输入通道对应的逻辑控制回路和量程控制回路；其中，每个输入通道对应的量程控制回路与输入通道和逻辑控制回路相连；逻辑控制回路用于将接收到的量程控制命令输出至量程控制回路，以使量程控制回路切换至量程控制命令对应的量程；每个输入通道包括2个输入端子，用于将输入信号(电压信号或电流信号)接入对应的量程控制回路；量程控制回路用于将标准信号输出至模数转换器，并将标准信号反馈至逻辑控制回路的过压保护回路中；其中，标准信号是基于量程控制回路中预设的信号处理算法对输入信号进行处理后得到的。上述差分隔离变换器的同一输入通道既可以作为电压输入通道，也可以作为电流输入通道，从而能够使得现场需要测量的电压电流数量发生变化时，可以根据实际需求将输入通道设置为电压通道或电流通道，不需要增加输入通道的数量，提高差分隔离变换器的适应能力同时能够使安装该差分隔离变换器的数据记录仪体积较小；同时，上述差分隔离变换器可以通过逻辑控制回路和量程控制回路设定多种输入量程，进一步提高了差分隔离变换器的适应能力。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种每个输入通道的过压保护回路的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种电流差分隔离变换器的逻辑控制回路的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种电流差分隔离变换器的量程控制回路的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种电压差分隔离变换器的逻辑控制回路的结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种电压差分隔离变换器的量程控制回路的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的一种通用型差分隔离变换器的逻辑控制回路的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的一种通用型差分隔离变换器的量程控制回路的结构示意图；

图9为本实用新型实施例提供的另一种量程控制回路的结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器的原理图；

图11为本实用新型实施例提供的一种数据记录仪的结构示意图。

图标：

10-输入通道；20-逻辑控制回路；30-量程控制回路；100-多通道程控4量程电信号差分隔离变换器；200-模数转换器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

目前电力系统数据记录仪受制于前端信号处理处理模式的限制，大多数产品存在只考虑某些特定工况的使用，各输入通道只考虑某一种信号的处理，如大多数产品的电压输入通道只针对PT二次电压，将输入量程设定为单一的AC150V；电流输入通道只针对CT二次电流，将输入量程设定为单一的AC5A或AC10A；这种输入模式，无法适应电流电压测量数量的变化，而且不同的测试现场，所需接入的电流、电压数量都会有所不同，为解决现场的需要，现有技术中通常是配置更多的测量通道，从而会导致仪器体积增大。综上，目前国内大多数电力系统数据记录仪器都存在输入信号范围不够，对现场信号的适应能力不够，应用场合受到极大限制的问题。

基于此，本实用新型实施例提供的一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器及数据记录仪，可以根据实际需求将输入通道设置为电压通道或电流通道，且可以满足多种输入量程的设定，从而使仪器体积较小，同时提高仪器的适应能力。

为便于对本实施例进行理解，首先对本实用新型实施例所公开的一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器进行详细介绍，参见图1所示的一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器的结构示意图，示意出该多通道程控4量程电信号差分隔离变换器100，包括：多个输入通道10以及每个输入通道对应的逻辑控制回路20和量程控制回路30；其中，每个输入通道10对应的量程控制回路30与输入通道10和逻辑控制回路20相连；逻辑控制回路20用于将接收到的量程控制命令输出至量程控制回路30，以使量程控制回路30切换至量程控制命令对应的量程；每个输入通道10包括2个输入端子，用于将输入信号接入对应的量程控制回路30；其中，输入信号包括电压信号或电流信号；量程控制回路30用于将标准信号输出至模数转换器，并将标准信号反馈至逻辑控制回路20的过压保护回路中；其中，标准信号是基于量程控制回路30中预设的信号处理算法对输入信号进行处理后得到的。

本实用新型实施例提供的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，包括：多个输入通道以及每个输入通道对应的逻辑控制回路和量程控制回路；同一输入通道既可以作为电压输入通道，也可以作为电流输入通道，从而能够使得现场需要测量的电压电流数量发生变化时，可以根据实际需求将输入通道设置为电压通道或电流通道，不需要增加输入通道的数量，提高差分隔离变换器的适应能力同时能够使安装该差分隔离变换器的数据记录仪体积较小；同时，上述差分隔离变换器可以通过逻辑控制回路和量程控制回路设定多种输入量程，进一步提高了差分隔离变换器的适应能力。

进一步，为了改善输入通道自身安全的保障不够，容易被烧毁的等安全问题，本实用新型实施例提供的上述多通道程控4量程电信号差分隔离变换器还包括：每个输入通道对应的过压保护回路，过压保护回路与对应通道的逻辑控制回路和量程控制回路相连；过压保护回路用于接收量程控制回路反馈的标准信号，并将过压保护信号输出至逻辑控制回路，以使逻辑控制回路进行越限报警及过压保护；其中，过压保护信号是基于接收到的标准信号确定的。具体的，参见图2所示的一种每个输入通道的过压保护回路的结构示意图，示意出过压保护回路包括：多个电阻和比较器；过压保护电路通过电阻将接收到的标准信号分压至比较器，以使比较器输出过压保护信号至逻辑控制回路。

如图2所示，本实用新型采用的比较器型号可以是LM339，各输入通道的信号放大回路(即量程控制回路)的额定输出(输入等于设定量程的额定值时的输出)为5V，实际输入信号对应的信号放大回路的输出信号(标准信号)经电阻R6、电阻R7分压至其自身的2/3，分压后的信号与5V进行比较，当分压后的信号小于5V时比较器输出为低，表明输入信号未超过量程额定值的1.5倍时比较器输出为低，保护不动作；当分压后的信号大于5V时比较器输出为高，表明输入信号超过了量程额定值的1.5倍，保护动作，过压保护信号输出到逻辑控制回路中，使逻辑控制回路将本输入通道的量程直接强制为最高量程，从而即使信号接错通道或者量程设置出错也不会被烧毁，保证了仪器的安全性。

进一步，本实用新型实施例提供的逻辑控制回路包括：依次连接的可编程逻辑控制器、三极管阵列和至少一个继电器；逻辑控制回路还包括96针欧式连接器；逻辑控制回路通过96针欧式连接器接收量程控制信号。量程控制回路包括：依次连接的差分分压电路、差分放大器、程控放大器、隔离放大器和滤波器，其中，差分分压电路包括：多个分压电阻和多个继电器；分压电路通过继电器的闭合控制输入阻抗，以切换至量程控制信号对应的量程。

本实用新型实施例提供的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器可以通过对逻辑控制回路以及量程控制回路的控制实现4种量程的控制，同时，还可以适用于电压、电流、电压电流通用以及低压测试等不同场景，具体可以包括以下四种差分隔离变换器。

方式一：多通道程控4量程高精度电流差分隔离变换器

参见图3所示的一种电流差分隔离变换器的逻辑控制回路的结构示意图，示意出逻辑控制回路包括：可编程逻辑控制器GAL16V8、三极管阵列MC1314以及继电器J1和继电器J2，其中每个输入通道对应的逻辑控制回路结构相同。

参见图4所示的一种电流差分隔离变换器的量程控制回路的结构示意图，示意出量程控制回路包括：依次连接的差分分压电路、差分放大器、程控放大器、隔离放大器和滤波器；其中，差分分压电路包括多个分压电阻、继电器J1.1和继电器J1.2，差分放大器与继电器J2.1并联。其中每个输入通道对应的量程控制回路结构相同。

由图3和图4可知：图3中的CHn_H及CHn_L是输入通道n的两位量程控制输入控制字的高位及低位，S1、S0(S1＝CHn_H、S0＝CHn_L)为程控放大器的两个控制位，具体可以通过96针欧式连接器输入控制字的高位及低位。量程控制主要包括以下a1至a4四种方式：

a1：当CHn_H＝0，CHn_L＝0时为最高量程，CHn_J1、CHn_J2输出均为低，继电器J1.1、继电器J2.1接点不闭合，继电器J1.2(常闭接点)接点闭合，此时，电路的输入阻抗为25Ω，分压比为25K/5K＝5:1，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器放大倍数为1:1，当输入±20mA电流时，分压电阻R1上的电压为500mV，分压电阻R3及R3A上的电压为±100mV，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后得到±5V的标准信号，送至后级的模数转换器(AD转换器)，对应量程为±20mA。

a2：当CHn_H＝0，CHn_L＝1时为次高量程，CHn_J1输出为高、CHn_J2输出为低，继电器J1.2(常闭接点)、继电器J2.1接点不闭合，继电器J1.1接点闭合，此时，输入阻抗为25kΩ，分压比为25K/5K＝5:1，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器放大倍数为1:1，当输入±500mV(AC353.6mV)电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±0.1V(AC70.71mV)，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V(AC70.71mV)，最后经隔离放大及低通滤波后得到±5V(AC3.536V)的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±500mV(AC353.6mV)。当输入采用配套的5A钳形互感器(AC 5A/353.6mV)时，量程即为AC 5A；当输入采用配套的50A钳形互感器(AC 50A/353.6mV)时，量程即为AC 50A。

a3：当CHn_H＝1，CHn_L＝0时为次低量程，CHn_J1、CHn_J2输出均为高，继电器J1.2(常闭接点)接点不闭合，继电器J1.1、J2.1接点闭合，此时，输入阻抗为25kΩ，分压比为25K/5K＝5:1，差分放大器的放大倍数为10，后级程控放大器放大倍数为2:1，当输入±100mV(AC70.71mV)电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±20mV(AC14.142mV)，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V(AC70.71mV)，最后经隔离放大及低通滤波后得到±5V(AC3.536V)的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±100mV(AC70.71mV)。当输入采用配套的5A钳形互感器(AC 5A/353.6mV)时，量程即为AC 1A；当输入采用配套的50A钳形互感器(AC 50A/353.6mV)时，量程即为AC 10A。

a4：当CHn_H＝1，CHn_L＝1时为最低量程，CHn_J1、CHn_J2输出均为高，继电器J1.2(常闭接点)接点不闭合，继电器J1.1、J2.1接点闭合，此时，分压比为25K/5K＝5:1，差分放大器的放大倍数为10，后级程控放大器放大倍数为1:2.5，当输入±20mV(AC14.14mV)电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±4mV(AC28.28mV)，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V(AC70.71mV)，最后经隔离放大及低通滤波后得到±5V(AC3.536V)的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±20mV(AC14.14mV)。当输入采用配套的5A钳形互感器(AC 5A/353.6mV)时，量程即为AC 0.2A；当输入采用配套的50A钳形互感器(AC 50A/353.6mV)时，量程即为AC 2A。

由a1至a4可知，本实用新型可以通过对输入阻抗、分压电路分压比、差分放大器放大倍数及程控放大器放大倍数的综合控制，实现了±20mA(AC14mA)、±500mV(AC5A)、±100mV(AC1A)、±20mV(AC0.2A)四种量程的控制。此4种量程可以适应电力系统现场试验中的大多数电流信号。±20mA(AC14mA)量程可以方便的测量各种电流输出型变送器的输出电流；在与5A/353.6mV的钳形互感器配合的情况下：±500mV(AC5A)量程可以很好的适应二次额定电流为5A的CT二次电流；±100mV(AC1A)量程可以很好的适应二次额定电流为1A的CT二次电流；±20mV(AC0.2A)量程可以应用于负载较轻(电流较小)时CT二次电流的精确测量；同时±500mV、±100mV这两个量程也可以很好的与一些输出信号较小的传感器或分流器配合测量直流电流等其他信号。

此外，当过压保护信号TRIPn为高时，CHn_J1、CHn_J2输出被强制为低，继电器接点J1.1、J2.1均不闭合，继电器节点J1.2闭合，此时量程为被强制设为20mA量程，J1.1不闭合，自恢复二极管F1被投入，当输入的电流或电压过大时自恢复二极管F1将快速断开，从而切断异常输入信号，保证了仪器的安全性。

方式二：多通道程控4量程高精度电压差分隔离变换器

参见图5所示的一种电压差分隔离变换器的逻辑控制回路的结构示意图，示意出逻辑控制回路包括：可编程逻辑控制器GAL16V8、三极管阵列MC1314以及继电器J1。其中，每个输入通道对应的逻辑控制回路结构相同。

参见图6所示的一种电压差分隔离变换器的量程控制回路的结构示意图，示意出量程控制回路包括：依次连接的差分分压电路、差分放大器、程控放大器、隔离放大器和滤波器；其中，差分分压电路包括多个分压电阻、继电器J1.1和继电器J1.2。其中，每个输入通道对应的量程控制回路结构相同。

由图5和图6可知：图5中的CHn_H及CHn_L是输入通道n的两位量程控制输入控制字的高位及低位，S1、S0(S1＝CHn_H、S0＝CHn_L)为程控放大器的两个控制位，具体可以通过96针欧式连接器输入控制字的高位及低位。量程控制主要包括以下b1至b4四种方式：

b1：当CHn_H＝0，CHn_L＝0时为最高量程，CHn_J1输出为低，继电器J1.1、J1.2接点不闭合，此时分压比为10M/5K＝2000:1，外部输入±2000V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±1V，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器受S1、S0控制，放大倍数为10:1，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±2000V。

b2：当CHn_H＝0，CHn_L＝1时为次高量程，CHn_J1输出为低，继电器J1.1、J1.2接点不闭合，此时分压比为10M/5K＝2000:1，外部输入±1000V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±0.5V，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器受S1、S0控制，放大倍数为5:1，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±1000V。

b3：当CHn_H＝1，CHn_L＝0时为次低量程，CHn_J1输出为高，继电器J1.1、J1.2接点闭合，此时分压比为1000K/5K＝200:1，外部输入±200V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±1V，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器受S1、S0控制，放大倍数为10:1，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±200V。

b4：当CHn_H＝1，CHn_L＝1时为最低量程，CHn_J1输出为高，继电器J1.1、J1.2接点闭合，此时分压比为1000K/5K＝200:1，外部输入±20V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±0.1V，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器受S1、S0控制，放大倍数为1:1，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±20V。

此外，当过压保护信号TRIPn为高时，CHn_J1输出被强制为低，继电器J1.1、J1.2接点均不闭合，此时量程为被强制为2000V档。

综上，本实用新型可以通过对差分分压电路分压比的控制与程控放大器放大倍数的配合控制，实现±2000V(AC1400V)、±1000V(AC700V)、±200V(AC140V)、±20V(AC14V)四种交直流通用信号量程的控制。此4种量程可以适应电力系统现场试验中的大多数电压信号，其中，在现场试验中±2000V(AC1400V)量程可以适应高达1千多伏的发电机励磁电压的信号输入；±1000V(AC700V)量程可以适应风电机组AC690V的机端电压、380V系统线电压或相电压、光伏电站汇流排电压、发电厂直流220V操作电压的输入；±200V(AC140V)量程可以适应PT二次的线、相电压、发电厂直流110V操作电压的输入；±20V(AC140V)量程可以适应各种电压输出型变送器的电压、较小交流电压信号输入。因此，本实用新型有效改善了现有技术中存在的输入信号范围不够，对现场信号的适应能力不够，应用场合受到极大限制的问题。

方式三：多通道程控电压电流通用型4量程高精度差分隔离变换器

参见图7所示的一种通用型差分隔离变换器的逻辑控制回路的结构示意图，示意出逻辑控制回路包括：可编程逻辑控制器GAL16V8、三极管阵列MC1314、继电器J1以及继电器J2。每个输入通道的逻辑控制回路结构相同。

参见图8所示的一种通用型差分隔离变换器的量程控制回路的结构示意图，示意出量程控制回路包括：依次连接的差分分压电路、差分放大器、程控放大器、隔离放大器和滤波器；其中，差分分压电路包括多个分压电阻、继电器J1.1和继电器J1.2，差分放大器与继电器J2.1并联。每个输入通道的量程控制回路结构相同。

由图7和图8可知：图7中的CHn_H及CHn_L是输入通道n的两位量程控制输入控制字的高位及低位，S1、S0(S1＝CHn_H、S0＝CHn_L)为程控放大器的两个控制位，具体可以通过96针欧式连接器输入控制字的高位及低位。量程控制主要包括以下c1至c4四种方式：

c1：当CHn_H＝0，CHn_L＝0时为最高量程，CHn_J1输出为低，继电器J1.1、J1.2、J2.1接点不闭合，分压比为1M/5K＝200:1，此时输入±200V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±1V，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器放大倍数为10:1，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±200V。

c2：当CHn_H＝0，CHn_L＝1时为次高量程，CHn_J1输出为低，继电器J1.1、J1.2、J2.1接点不闭合，分压比为1000K/5K＝200:1，此时输入±20V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±0.1V，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器放大倍数为1:1，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±20V。

c3：当CHn_H＝1，CHn_L＝0时为次低量程，CHn_J1输出为高，继电器J1.1、J1.2、J2.1接点闭合，分压比为25K/5K＝5:1，此时输入±500V(AC353.6mV)电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±0.1V(AC70.71mV)，差分放大器的放大倍数为10，后级程控放大器放大倍数为10:1，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V(AC70.71mV)，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V(AC3.536V)的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±500mV(AC353.6mV)。当输入采用配套的5A钳形互感器(AC 5A/353.6mV)时，量程即为AC 5A；当输入采用配套的50A钳形互感器(AC 50A/353.6mV)时，量程即为AC 50A。

c4：当CHn_H＝1，CHn_L＝1时为最低量程，CHn_J1输出为高，继电器J1.1、J1.2、J2.1接点闭合，分压比为25K/5K＝5:1，此时输入±100V(AC70.71mV)电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±20mV(AC14.142mV)，差分放大器的放大倍数为10，后级程控放大器放大倍数为2:1，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V(AC70.71mV)，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V(AC3.536V)的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±100mV(AC70.71mV)。当输入采用配套的5A钳形互感器(AC 5A/353.6mV)时，量程即为AC 1A；当输入采用配套的50A钳形互感器(AC 50A/353.6mV)时，量程即为AC 10A。

此外，当过压保护信号TRIPn为高时，CHn_J1输出被强制为低，继电器J1.1、J1.2、J2.1接点均不闭合，此时量程为被强制为200V档。

本实用新型实施例可以通过对差分分压电路分压比、程控仪用差分放大器放大倍数及程控放大器放大倍数的综合控制，实现±200V(AC140V)、±20V(AC14V)、±500mV(AC5A)、±100mV(AC1A)四种量程的控制。此4种量程可以适应电力系统现场试验中的大多数信号，而且可以根据现场所需电压电流数量的变化，将四种通道对应设置为电压输入型或交流电流输入型。具体的，在现场试验中±200V(AC140V)量程可以适应PT二次的线、相电压、发电厂直流110V操作电压的输入；±20V(AC140V)量程可以适应各种电压输出型变送器的电压、较小交流电压信号输入；±500mV(AC5A)量程在与5A/353.6mV的钳形互感器配合的情况下可以适应二次额定电流为5A的CT二次电流；±100mV(AC1A)量程在与5A/353.6mV的钳形互感器配合的情况下可以适应二次额定电流为1A的CT二次电流；同时±500mV、±100mV这两个量程也可以与一些输出信号较小的传感器或分流器配合测量直流电流等其他信号。因此，本实用新型有效改善了现有技术中存在的输入信号范围不够，对现场信号的适应能力不够，应用场合受到极大限制的问题。

方式四：适用于励磁系统及常用低压测试的4量程高精度电压差分隔离变换器

本实施例中，每个输入通道的逻辑控制回路参见图3所示，输入通道1和输入通道2对应的量程控制回路参见图9所示的另一种量程控制回路的结构示意图，输入通道3和输入通道4对应的量程控制回路参见图8所示。

对于输入通道1和输入通道2，由图3和图9可知，量程控制主要包括以下d1至d4四种方式：

d1：当CHn_H＝0，CHn_L＝0时为最高量程，CHn_J1输出为低，继电器J1.1、J1.2接点不闭合，此时分压比为10M/5K＝2000:1，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器受S1、S0控制，放大倍数为10:1，外部输入±2000V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±1V，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±2000V。

d2：当CHn_H＝0，CHn_L＝1时为次高量程，CHn_J1输出为低，继电器J1.1、J1.2接点不闭合，此时分压比为10M/5K＝2000:1，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器受S1、S0控制，放大倍数为5:1，外部输入±1000V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±0.5V，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±1000V。

d3：当CHn_H＝1，CHn_L＝0时为次低量程，CHn_J1输出为高，继电器J1.1、J1.2接点闭合，此时分压比为1000K/5K＝200:1，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器受S1、S0控制，放大倍数为10:1，外部输入±200V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±1V，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±200V。

d4：当CHn_H＝1，CHn_L＝1时为最低量程，CHn_J1输出为高，继电器J1.1、J1.2接点闭合，此合时分压比为1000K/5K＝200:1，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器受S1、S0控制，放大倍数为1:1，外部输入±20V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±0.1V，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±20V。

对于输入通道3和输入通道4，由图3和图8可知，量程控制主要包括以下d5至d8四种方式：

d5：当CHn_H＝0，CHn_L＝0时为最高量程，CHn_J1、CHn_J2输出均为低，继电器J1.1、J1.2、J2.1接点都闭合，分压比为1M/5K＝200:1，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器放大倍数为10:1，此时输入±200V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±1V，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±200V。

d6：当CHn_H＝0，CHn_L＝1时为次高量程，CHn_J1输出为低，CHn_J2输出为高，继电器J1.1、J1.2接点不闭合、继电器J2.1接点闭合，此时分压比为1000K/5K＝200:1，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器放大倍数为1:1，外部输入±20V电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±0.1V，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±20V。

d7：当CHn_H＝1，CHn_L＝0时为次低量程，CHn_J1输出为高，CHn_J2输出为低，继电器J1.1、J1.2接点闭合、继电器J2.1接点不闭合，此时分压比为25K/5K＝5:1，差分放大器的放大倍数为1，后级程控放大器放大倍数为2.5:10，外部输入±2V(AC1.4mV)电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±0.4V(AC282.8mV)，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V(AC70.71mV)，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V(AC3.536V)的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±2V(AC1.414V)。

d8：当CHn_H＝1，CHn_L＝1时为最低量程，CHn_J1、CHn_J2输出均为高，继电器J1.1、J1.2、J2.1接点都闭合，此时分压比为25K/5K＝5:1，差分放大器的放大倍数为10，后级程控放大器放大倍数为2.5:10，外部输入±200mV(AC140mV)电压时，分压电阻R3及R3A上的电压为±40mV(AC28.28mV)，最终输入隔离放大器的标称电压为±0.1V(AC70.71mV)，最后经隔离放大及低通滤波后处理成±5V(AC3.536V)的标准信号，送至后级的AD转换器，对应量程为±200mV(AC140mV)。

此外，当过压保护信号TRIPn为高时，CHn_J1输出被强制为低，继电器J1.1、J1.2、J2.1接点均不闭合，量程被强制为最高档，以交直流2000V、1000V、200V、20V的通道为例，此时为被强制为2000V档。

本实用新型实施例可以通过对差分分压电路分压比的控制与程控放大器放大倍数的配合控制，输入通道1和输入通道2通道可以实现±2000V(AC1400V)、±1000V(AC700V)、±200V(AC140V)、±20V(AC14V)四种交直流通用信号量程的控制；输入通道3和输入通道4可以实现±200V(AC140V)、±20V(AC14V)、±2V(AC.14V)、±200mV(AC140mV)四种交直流通用信号量程的控制。此4通道的6种量程可以适应电力系统现场试验中的大多数电压信号，具体的，在现场试验中±2000V(AC1400V)量程可以适应高达1千多伏的发电机励磁电压的信号输入；±1000V(AC700V)量程可以适应风电机组AC690V的机端电压、380V系统线电压或相电压、光伏电站汇流排电压、发电厂直流220V操作电压的输入；±200V(AC140V)量程可以适应PT二次的线、相电压、发电厂直流110V操作电压的输入；±20V(AC140V)量程可以适应各种电压输出型变送器的电压、较小交流电压信号输入；±2V(AC1.4V)量程可以用于测量较小交直流电压信号输入；±200mV(AC140mV)量程特别适合测量幅值在75mV以下的发电机励磁电流分流器电压。因此，本实用新型有效改善了现有技术中存在的输入信号范围不够，对现场信号的适应能力不够，应用场合受到极大限制的问题。

进一步，对于上述四种差分隔离变换器，为了改善现有的电力系统数据记录仪器电压信号转换回路精度不足的问题，提高信号转换回路的转换精度，从而提高电力系统数据记录仪器的采集记录精度，确保数据记录仪器在较宽的信号范围内有较好的采集精度，提高数据记录仪对现场信号的适应能力，本实用新型从元器件的选择上极好的保证了信号转换的精度及稳定度：前级输入接口(量程控制回路)可以采用极低零飘及温漂的仪用差分放大器INA128；后级所有信号放大回路及程控放大器回路均可以采用极低零飘及温漂的运算放大器OPA4227、OPA2227；隔离放大器可以采用高精度的ACPL-C79B；前级分压电阻(差分分压电路的分压电阻)可以采用精度优于0.05％、温度系数优于25PPM的高精度、高稳定度EE电阻(贴片电阻)和/或HPVR网路电阻；程控放大器回路中的电阻均可以采用精度优于0.05％、温度系数优于25PPM的高精度、高稳定度贴片电阻；后级信号放大回路中的电阻均可以采用精度优于0.1％、温度系数优于25PPM的高精度、高稳定度贴片电阻。基于上述元器件的优异性能，再配以小范围(调节范围小于1％)的调零及放大倍数调整电路，可以保证了本实用新型整体的转换精度优于0.1％，线性度优于0.05％，温度系数优于30PPM。

考虑到，现有的电力系统数据记录仪器电压信号转换回路信号带宽不够，高频或陡变信号衰减严重造成最终记录失真严重的问题，为了提高数据记录仪器的信号带宽，减少现场高频或陡变信号的记录失真，提高数据记录的真实性，本实用新型实施例提供的差分隔离变换器可以通过元器件的选择及电路设计较好的保证信号转换的带宽，实现15kHz的相互转换带宽，具体的，前级输入接口可以采用带宽达1.3MHz(放大倍数为1时)的仪用差分放大器INA128；后级所有信号放大回路及程控放大器回路均可以采用带宽达8MHz的运算放大器OPA4227、OPA2227；隔离放大器可以采用带宽为200kHz的ACPL-C79B；所有信号回路的电阻均可以采用无感电阻。基于上述元器件的优异性能，可以保证本实用新型整体的转换带宽达到100kHz以上，同时为了减少信号转换出现的高频毛刺，在最后输出级增设了一级截止频率为20kHz的四阶巴特沃思低通滤波器，以使最终的转换带宽为15kHz。

此外，为了改善现有的电力系统数据记录仪器电压信号转换回路抗共模干扰能力不足，小信号容易受干扰出现波形失真，工频信号受现场空间工频干扰测量值出现小波动的问题，从而提高数据记录仪的抗共模干扰能力，最终提高数据记录的精度。本实用新型实施例提供的差分隔离变换器可以通过元器件的选择及输入接口电路的设计极好的保证信号转换器的抗共模干扰能力，使得共模干扰抑制比达到65dB。具体的，前级分压电路可以采用对称平衡的差分分压电路，且分压电阻采用精度优于0.05％的无感电阻；前级输入接口可以采用共模干扰抑制比达到80dB的仪用差分放大器INA128。

进一步，对于方式二至方式四提供的差分隔离变换器，还可以改善现有的电力系统数据记录仪器电压信号转换回路输入阻抗不足的问题，从而提高电力系统数据记录仪器的输入阻抗，减少仪器对被测信号的影响，从而提高电力系统数据记录仪器的整体性能。举例说明，参见图6所示，在量程为±2000V(AC1400V)及±1000V(AC700V)时的输入阻抗为10MΩ,量程为±200V(AC140V)、±20V(AC14V)时的输入阻抗为1MΩ,由此可见本实用新型提供的差分隔离变换器的输入阻抗最小为1MΩ，输入电流最大为0.2mA，从而极大的减少了仪器对被测信号的影响，提高了利用本实用新型作为信号输入接口的电力系统数据记录仪器的整体性能。再比如，参见图8所示，在量程为±200V(AC140V)、±20V(AC14V)时的输入阻抗为1MΩ，量程为±500mV(AC5A)、±100mV(AC1A)时的输入阻抗为25kΩ，由此可见本实用新型提供的差分隔离变换器作为电压测量通道时的输入阻抗为1MΩ，输入电流最大为0.2mA；本实用新型提供的差分隔离变换器作为电流测量通道时与成套的钳形CT配合，不存在对外的输入阻抗问题；总之本实用新型提供的差分隔离变换器输入电流最大为0.2mA；这极大的减少了仪器对被测信号的影响，从而提高了利用本实用新型提供的差分隔离变换器作为信号输入接口的电力系统数据记录仪器的整体性能。

为了便于理解，本实用新型实施例还提供了另一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，包括：输入面板、逻辑控制及过压保护板和量程控制及信号处理板；其中，输入通道设置于输入面板上，逻辑控制回路和过压保护回路设置于逻辑控制及过压保护板上，量程控制回路设置于量程控制及信号处理板上。

在一种实施方式中，输入面板可以由8个(4组)标准的安全型4mm插孔面板安装型接线端子、助拔器、安装螺钉组成，其中黄、绿、红、黑4个端子分别与其同一水平线的蓝色端子组成一对输入端，黄、绿、红、黑4个端子为正极性输入端、对应的蓝色端子为负极性输入端。各通道具有1对输入端子，外部信号经输入端子直接引入到各通道分压电阻及量程控制回路输入端。

逻辑控制及过压保护板可以通过96针欧式连接器作为信号总线接口与外界连接；具体的可以接收总线的对各通道的量程控制命令，并将量程控制命令转换成具体的量程控制信号实现对各通道的量程控制；还可以接收总线的保护信号复归等命令并复归保护告警信号；还可以向总线输出各通道的信号转换后的模拟信号、插件ID号、各通道保护告警状态。

量程控制及信号处理板为各通道信号处理的核心板，可以根据量程控制命令实现具体量程的控制，并高精度的将输入信号转换成标准的AD转换器可以接受的模拟信号。

对于上述差分隔离变换器，本实用新型实施例还提供了一种差分隔离变换器的具体实现方式，参见图10所示的一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器的原理图，示意出，每个输入通道包括1对输入端子，外部信号经输入端子直接引入到各通道分压电阻及量程控制回路输入端，即进行差分放大及量程控制；量程控制回路接收来自逻辑控制回路的量程控制命令，并将量程切换至对应的量程，如果本通道的过压保护回路动作，则逻辑控制回路的输出被强制为最高档，从而将量程强制为最高量程；然后对输入信号进行分压、差分放大、程控放大、隔离、放大、低通滤波、跟随处理，将输入信号变换成模拟电路能处理的小信号(0～±5V)，经96引脚总线输出至AD转换器。同时，经过处理后的输入信号被输出至过压保护回路，输入过压保护回路的信号先缩小到本身的2/3后再与输入A/D标准信号的额定值做比较(等同于输入信号与1.5倍的额定值比较)，当输入信号小于额定值的1.5倍时保护回路输出为低，当输入信号大于额定值的1.5倍时保护回路输出为高。过压保护回路的过压保护信号发送给逻辑控制回路，保护报警信号经96引脚总线输出。

对于上述多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，本实用新型实施例还提供了一种数据记录仪，参见图11所示的一种数据记录仪的结构示意图，示意出该数据记录仪包括多通道程控4量程电信号差分隔离变换器100，还包括与多通道程控4量程电信号差分隔离变换器100相连接的模数转换器200。

本实用新型实施例提供的数据记录仪，同一输入通道既可以作为电压输入通道，也可以作为电流输入通道，从而能够使得现场需要测量的电压电流数量发生变化时，可以根据实际需求将输入通道设置为电压通道或电流通道，不需要增加输入通道的数量，提高数据记录仪的适应能力同时能够使数据记录仪体积较小；同时，上述数据记录仪可以通过逻辑控制回路和量程控制回路设定多种输入量程，进一步提高了数据记录仪的适应能力。

本实用新型实施例所提供的数据记录仪，其实现原理及产生的技术效果和前述多通道程控4量程电信号差分隔离变换器实施例相同，为简要描述，数据记录仪实施例部分未提及之处，可参考前述实施例中相应内容。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，其特征在于，包括：多个输入通道以及每个所述输入通道对应的逻辑控制回路和量程控制回路；其中，每个所述输入通道对应的所述量程控制回路与所述输入通道和所述逻辑控制回路相连；

所述逻辑控制回路用于将接收到的量程控制命令输出至所述量程控制回路，以使所述量程控制回路切换至所述量程控制命令对应的量程；

每个所述输入通道包括2个输入端子，用于将输入信号接入对应的所述量程控制回路；其中，所述输入信号包括电压信号或电流信号；

所述量程控制回路用于将标准信号输出至模数转换器，并将所述标准信号反馈至所述逻辑控制回路的过压保护回路中；其中，所述标准信号是基于所述量程控制回路中预设的信号处理算法对所述输入信号进行处理后得到的。

2.根据权利要求1所述的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，其特征在于，还包括：每个所述输入通道对应的过压保护回路，所述过压保护回路与对应通道的所述逻辑控制回路和所述量程控制回路相连；

所述过压保护回路用于接收所述量程控制回路反馈的所述标准信号，并将过压保护信号输出至所述逻辑控制回路，以使所述逻辑控制回路进行越限报警及过压保护；其中，所述过压保护信号是基于接收到的所述标准信号确定的。

3.根据权利要求1所述的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，其特征在于，所述逻辑控制回路包括：依次连接的可编程逻辑控制器、三极管阵列和至少一个继电器。

4.根据权利要求1所述的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，其特征在于，所述量程控制回路包括：依次连接的差分分压电路、差分放大器、程控放大器、隔离放大器和滤波器。

5.根据权利要求4所述的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，其特征在于，所述差分分压电路包括：多个分压电阻和多个继电器；所述分压电路通过所述继电器的闭合控制输入阻抗，以切换至所述量程控制命令对应的量程。

6.根据权利要求2所述的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，其特征在于，所述过压保护回路包括：多个电阻和比较器；

所述过压保护回路通过所述电阻将接收到的所述标准信号分压至所述比较器，以使所述比较器输出所述过压保护信号至所述逻辑控制回路。

7.根据权利要求3所述的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，其特征在于，所述逻辑控制回路还包括96针欧式连接器；所述逻辑控制回路通过所述96针欧式连接器接收所述量程控制命令。

8.根据权利要求5所述的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，其特征在于，所述分压电阻包括无感电阻；所述差分放大器包括INA128差分放大器；所述程控放大器包括OPA4227运算放大器和OPA2227运算放大器；所述隔离放大器包括ACPL-C79B隔离放大器；所述滤波器包括四阶巴特沃思低通滤波器。

9.根据权利要求2所述的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，其特征在于，包括：输入面板、逻辑控制及过压保护板和量程控制及信号处理板；其中，所述输入通道设置于所述输入面板上，所述逻辑控制回路和过压保护回路设置于所述逻辑控制及过压保护板上，所述量程控制回路设置于所述量程控制及信号处理板上。

10.一种数据记录仪，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的多通道程控4量程电信号差分隔离变换器，还包括与所述多通道程控4量程电信号差分隔离变换器相连接的模数转换器。

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