专利名称：分路线性隔离电路装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电子测量设备，更具体地说，涉及一种线性分路(或双路)隔离电路，该电路具有稳定且平坦的频率响应，可在很宽的频率范围内隔离地进行电信号电压测量。
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。
本发明的对象是宽带线性隔离电路。
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。典型电路有美国AnalogDevices公司的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。典型电路有美国Burr-Brown公司(现已并入美国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(简称光耦)。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。典型的线性光耦有美国CLARE公司的LOC110系列，美国VISHAY公司的IL300系列，此二种光耦的非线性度可达0.01％，带宽可达DC-200kHz。美国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，现成的单一方式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。
由于调制解调方法的电路复杂、时延大，所以低路一般选用线性光电隔离。而高路用变压器比用电容容易实现。
为实现分路线性隔离，首先须将输入信号分解成低路和高路两部分，然后，分别经过光电隔离通道和变压器通道进行隔离，最后将两个通道的的信号相加，得到与输入信号成线性关系的输出信号。
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。传统上使用低通滤波器和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。典型产品如美国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，再者，其光电隔离电路在高频下的共模抑制比较低。
发明内容
本发明提供一个简单的分路线性隔离电路装置，该装置可免除复杂的频率补偿调整和延迟补偿调整，具有很宽的信号测量带宽，总成本较低，并有较高的可靠性；在很宽的信号测量频率范围内都有精确和可靠的响应；该种简化的分路线性隔离电路装置，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；该种分路线性隔离电路装置，在一很宽温度范围内只有很小的幅度响应漂移。
为实现上述目的采取技术方案在本分路线性隔离电路装置中，采用了减法式分频器，将输入信号分解成低路和高路两部分。此减法式分频器，由一个低通滤波器和一个减法器构成，输入信号同时与低通滤波器的输入端及减法器的一个输入端连接，而低通滤波器的输出端与减法器的另一输入端连接。低通滤波器的输出，是直流至低频段的信号，也就是低路信号，减法器的输出信号中，直流至低频段的信号已被减去，剩下低频至高频段信号，这样就得到了高路信号。所述减法式分频器，也可以由一个高通滤波器和一个减法器构成，输入信号同时与高通滤波器的输入端及减法器的一个输入端连接，而高通滤波器的输出端与减法器的另一输入端连接。高通滤波器的输出，是低频至高频段的信号，也就是高路信号，减法器的输出信号中，低频至高频段的信号已被减去，剩下直流至低频段信号，这样就得到了低路信号。
将高路信号连接至一个宽带变压器的初级，将低路信号连接至线性光电隔离电路的输入端。将宽带变压器的次级信号与光电隔离电路的输出信号经幅度匹配调节后相加，就得到了隔离后的完整的输出信号。通过适当设定或调整光电隔离电路中的阻容回路的时间常数，将光电隔离电路的高频响应相对于低频适当提升，可补偿光电隔离电路比变压器的延迟时间长而造成的低路与高路交迭频率处的幅频响应凹陷，使整个分路线性隔离电路在宽频带内得到平坦的幅频响应、线性相频响应和精确的脉冲响应。
本发明的显著效果由减法式分频器将输入信号分解成高路和低路后，若将此二路信号再直接相加，可如实还原输入信号。减法式分频器的输出信号之和与输入信号之间具有平坦的幅频响应、线性的相频响应及精确的脉冲响应。其中的低通滤波器(或高通滤波器)的参数有误差或参数随温度漂移时，上述特性仍然保持。此分频器无需调节，性能稳定。在高路和低路信号分别经过变压器和光电隔离之后，若变压器和光电隔离电路具有足够的线性度，并且克服变压器和光电隔离电路间的延迟时间差，则隔离后的信号之和仍具有上述特性。除需要对隔离后的高路和低路信号的幅度进行调节使之匹配外，无需其他调节，无需变压器磁通调零电路。通过所述的减法式分频器，克服了前文所述的第一个难点。
通过合理设定或调整光电隔离电路中的阻容回路的时间常数，可将光电隔离电路的高频响应相对于低频适当提升，可补偿光电隔离电路比变压器的延迟时间长而造成的低路和高路的和信号的幅频响应不平坦。此方法无需在高路加入延迟电路，无需复杂调节，性能稳定。通过此法，克服了前文所述的第二个难点。
图1是本发明的电路示意图，示出一个优选分路隔离放大器；图2是图1中减法式分频器的低路、高路及二者的和信号的幅频响应曲线；图3是图1中减法式分频器的低路和高路的方波响应波形；图4是图1中的信号组合电路输入端和输出端的波形；图5是图1电路的阶跃响应波形；
图6是图1中光电隔离电路的100kHz方波响应波形；图7A、7B和7C是图1中时间常数调节电路的电阻在不同数值时，图1电路的10kHz方波响应波形；图8是本发明的另一实施例电路图，示出一个差分方式的分路隔离放大器。
具体实施例方式
实施例1如图1所示，图中各部件均由虚线框内电子元器件连接而成。本发明的装置即为分路线性隔离电路装置200(以下简称装置200)由低通滤波器100(以下简称滤波器100)、减法器101、变压器26、线性光电隔离电路102(以下简称光耦电路102)、时间常数调节电路103(以下简称电路103)、低路增益调节电路104(以下简称电路104)和信号组合电路105(以下简称组合器105)组成。被测信号70连接到装置200的输入端71。装置200的输入端71连接到滤波器100的输入端72和减法器101的正输入端74。滤波器100的输出端73既连接到减法器101的负输入端75，同时又连接到光耦电路102的输入端77。光耦电路102的输出端78连接电路103，电路103的输出端82连接电路104的输入端，电路104的输出端83连接组合器105的负输入端79。组合器105的输出端也就是装置200的输出端81。减法器101的输出端76连接变压器26的初级，变压器26的次级连接组合器105的正输入端80。变压器26初级连接减法器101的输出端76的端子与次级连接组合器105正输入端80的端子是同名端。
图1中，绝缘隔离层204将装置200分隔成输入侧202和输出侧203。输入侧202和输出侧203间是绝缘的，两者之间只有数值较小的电容。输入侧有接地点65，输出侧有接地点66。接地电65和接地点66之间是绝缘的，两者之间只有数值较小的电容。输入侧202的电路和输出侧203的电路应由相互隔离的电源供电。绝缘隔离层204可由空气隙、真空层、或其他一些形式的电绝缘体形成。本实施例中，绝缘隔离层204是由变压器26绕组间的绝缘、光耦电路102的绝缘及输入侧、输出侧电源间的绝缘层等组成的。
变压器26、光耦电路102、供电电源中的变压器、以及其他寄生电容合在一起造成跨隔离层204的总电容约50微微法，此电容大小足以使外来的地电流减至最小。
滤波器100中，输入端72与电阻11连接，电阻11与电阻12及电容15连接，电阻12又与电容16及运算放大器19正输入端连接，电容15又与运算放大器19输出端连接，电容16又与接地点65连接。运算放大器19的负输入端连接到其输出端。运算放大器19的输出端与电阻13连接，电阻13与电阻14及电容17连接，电阻14又与电容18及运算放大器20正输入端连接，电容17又与运算放大器20输出端连接，电容18又与接地点65连接。运算放大器20的负输入端连接到其输出端。运算放大器20的输出端也就是滤波器100的输出端73。低通滤波器100最好采用Sallen-Key电路拓扑，逼近算法最好是四阶Bessel逼近，其-3dB截止频率最好在30kHz。其他类型的低通滤波器，如MFB拓扑，Butterworth逼近，其他数值的截止频率，如30kHz到200kHz之间的数值，也可以。运算放大器19及20最好选用AnalogDevices的AD8039。
减法器101中，其正输入端74与电阻1连接，其负输入端75与电阻3连接，电阻1又与电阻2及运算放大器5的正输入端连接，电阻3又与电阻4及运算放大器5的负输入端连接，电阻2另一端连接接地点65，电阻4又与运算放大器5的输出端连接，运算放大器5的输出端也就是减法器101的输出端76。减法器101实际是一个放大倍数为1∶1的差分放大器，在此做为减法器。运算放大器5最好选用Analog Devices的AD8055。
输入信号70经过低通滤波器100后，在低通滤波器100输出端73得到直流和低频成分，也就是低路信号。输入信号70和低路信号又被送往减法器101做减法运算，在减法器101的输出端76的信号中，完整的输入信号70被减去了其直流和低频成分，只剩下了低频至高频的成分，这就是高路信号。这样就将输入信号70分解成了低路信号和高路信号两部分。当电路延时足够短时，如果在减法器101的输出端76的信号中再加上低通滤波器100输出端73的信号，就可以恢复输入信号70，不会有畸变。也即经减法式分频器所得的低路与高路信号，两者之和可如实还原输入信号70，或者说，此减法式分频器，其低路与高路信号之和与输入信号70之间具有平坦的幅频响应和线性相频响应，及精确的脉冲响应。此特性，基本不受环境温度、元器件参数误差的影响。
图2中，曲线150是低通滤波器100的幅频响应，也即低路信号幅频响应；曲线151是减法器101的输出端76的信号相对于输入信号70的幅频响应，也即高路信号幅频响应；而曲线152是低路和高路信号之和相对于输入信号70的幅频响应。曲线150的频率滚降最快处为-24dB/倍频程，而曲线151的频率滚降最快处为-6dB/倍频程。减法所得的高路信号幅频响应曲线在交迭频率处有一凸起，在低通滤波器100是-3dB截止频率为30kHz的四阶Bessel滤波器时，突起的峰值出现在35kHz处，其值为输入信号的1.52倍。尽管如此，因为低路信号与高路信号相加是矢量相加，其和信号曲线152仍旧接近于一条直线。
图3中，波形153是输入信号70的波形，为一10kHz方波，波形154是滤波器100的输出端73的波形，波形155是减法器101的输出端76的波形。此图直观地显示了减法式分频器如何将一个方波脉冲分离成低路和高路两部分。
光耦电路102中，在输入侧，其输入端77与运算放大器21的正输入端连接，运算放大器21的负输入端与电阻22、电容24及光电耦合器25内的光电二极管62连接，运算放大器21的输出端与电阻23及电容24连接，电阻23又与光电耦合器25内的发光二极管64连接，电阻22又与偏置电压-Vref1连接。在输出侧，运算放大器28的负输入端与电阻29、电容30及光电耦合器25内的光电二极管63连接，其正输入端接偏置电压+Vref2，其输出端与电阻29、电容30连接，运算放大器28的输出端也就是光耦电路102的输出端78。
光电耦合器25是线性隔离专用光耦，其内部封装有一个发光二极管64和两个匹配的光电二极管62及63，光电二极管62用于反馈，光电二极管63用于隔离耦合信号。此光电耦合器最好选用Agilent的HCNR201。偏置电压-Vref1使得光耦电路102可传输双极性信号，若光耦选用HCNR201，并且电阻22取15kΩ时，-Vref1可取-0.4V，-Vref1可由电压基准电路产生。在-Vref1确定后，调节+Vref2使得在输入端77电压为0时，输出端78电压也为0，+Vref2可由电压基准电路调节电压后产生。运算放大器21及28最好选用Analog Devices的AD8038。电阻23为150Ω。电阻22的选择由输入端77的信号幅值和光电二极管62的最大光电流共同决定，推荐值是15kΩ。此时电容24的推荐值是4.7pF。电阻29的值等于电阻22的值乘以光耦电路102期望的增益，在此光耦电路102的增益取0.5，所以电阻29的值是7.5kΩ。电容30可取10pF。在上述元件参数下，光耦电路102的幅频响应中，高频相对于低频被提升。
电路104中，运算放大器35的负输入端与电阻33、可调电阻34连接，可调电阻34又与运算放大器35的输出端连接。其增益约在2倍左右。此部分电路是用来调节低路信号的幅值，使之与高路信号匹配。运算放大器35最好选用Analog Devices的AD8038。
变压器26是一个宽带变压器，其工作频率应满足能有效通过全部高路信号，由图2曲线151可知其最低工作频率需延伸至1kHz以下，而其最高工作频率需在整个分路线性隔离电路装置200期望的最高工作频率之上。并且此变压器的初级和次级间的绝缘耐压应满足整个分路线性隔离电路装置200期望的绝缘耐压要求。初级和次级间的电容应尽量小，以减小装置200输入侧202和输出侧203间的交流漏电流。本实施例中，变压器26采用了传输线变压器以获得较好的频率响应。其他形式的变压器也可用。此变压器磁芯最好采用中国越峰电子(昆山)有限公司(ACME Electronics)的A10-T12×6×4C环形磁芯。线材最好采用日本古河电气工业朱式会社的TEX-E 0.2mm的三层绝缘线。用此线材做成约每厘米1绞的双绞线，在磁芯上均匀平绕22匝，引出四个导线头即可。初级和次级间可通过9kV一分钟耐压试验。其工作频率可在100MHz以上。初级和次级间的电容约25pF。电阻27是作为终端电阻，当采用上述变压器时，其值为136Ω。
组合器105中，其正输入端80与电阻6连接，其负输入端79与电阻8连接，电阻6又与电阻7及运算放大器10的正输入端连接，电阻8又与电阻9及运算放大器10的负输入端连接，电阻7另一端连接接地点66，电阻9又与运算放大器10的输出端连接，运算放大器10的输出端也就是装置200的输出端81。组合器105实际是一个放大倍数为1∶1的差分放大器，在此用来完成低路信号与高路信号的相加。光耦电路102的输出端78的信号与输入端77的信号是反相的，于是电路104的输出端83的信号与光耦电路102的输入端77的信号也是反相的，将其连接到组合器105的负输入端，就实现了低路信号与高路信号的加法。运算放大器10最好选用Analog Devices的AD8055。
调节电路104的增益可改变低路信号的幅值使之与高路信号匹配，并且调节电路103使低路信号高频响应提升适当，就可在组合器105的输出端也就是装置200的输出端81得到与输入信号70成严格线性关系的信号。图4中给出了组合器105各点的波形。波形156是将组合器105负输入端79的信号反相后的波形，波形157是组合器105正输入端80的波形，波形158是组合器输出的波形，也是装置200的输出波形。与图3中的输入波形153相比，可见输出波形158如实还原了输入波形153。良好的方波响应说明了装置200具有平坦的幅频响应、线性的相频响应及精确的脉冲响应。图5中的波形是在输入信号70本身的上升时间约1.5ns的情况下，在装置200的输出端81测得的方波上升沿波形，此波形的上升时间约为3.5ns，这说明了装置200有超过100MHz的-3dB带宽。
显然，也可以固定低路信号的增益，而在高路加入增益调节电路，通过调节高路信号的增益来使之与低路信号匹配。
电路103是由可调电阻31和电容32连接而成。加入电路103的目的是要调节光电隔离电路的时间常数，使电阻22乘以电容24、电阻29乘以电容30、电阻31乘以电容32这三个乘积值之和(称为光电隔离电路时间常数)约在220kΩ·pF左右，而最终目的是要使光电隔离电路的高频响应相对于低频被适当提升，用来补偿光电隔离电路比变压器的延迟时间长造成的低路与高路交迭频率处的幅频响应凹陷。调节的结果要使光电隔离电路具有如图6形状的方波响应。图6的波形是在光耦电路102的输入端77输入频率为100kHz、幅值为360mV的平顶方波后，在电路103输出端82得到的波形，可见方波前沿有过冲，这是高频相对于低频被提升后的结果。通过这种方法，就可以补偿因光电隔离电路的延迟时间比变压器通道长而导致的最后的高路与低路信号之和出现的交迭频率处幅频响应凹陷。图7A、7B和7C显示了在输入信号70是频率为10kHz的平顶方波时，调节电阻31、改变光电隔离电路时间常数时，装置200的方波响应。当电阻31偏小，光电隔离电路时间常数偏小，高频被提升过多时，输出波形如图7A所示，方波顶部凸起；当电阻31偏大，光电隔离电路时间常数偏大，高频提升不足时，输出波形如图7B所示，方波顶部下凹；而当电阻31合适，光电隔离电路时间常数合适，高频提升合适时，输出波形如图7C所示，方波顶部平坦。
通过这种方法，有效地克服了光电隔离电路的延迟时间比变压器通道长带来的低路与高路的和信号频响不平坦问题，免去了复杂的补偿电路和繁琐的调整，也无需在变压器通道加入延迟电路，得到了良好的频率响应。
在其他电路元件参数确定后，所需的光电隔离电路时间常数最佳值也是确定的，所以电阻31的值也确定，实际生产中只需在第一个样品上调出电阻31的最佳值，后续产品便可直接使用与此最佳值相近的固定电阻代替电阻31，无需对每个产品进行时间常数调整，使得生产效率提高。
电路103也可以设在光电隔离电路的输入端77。
低路信号增益的调节和光电隔离电路时间常数的调节也可以由调节电阻22、电阻29、电容24及电容30来实现。例如，可通过调节电阻22、电阻29的值来调节低路信号幅值使之与高路信号匹配，再调节电容24、电容30的值使光电隔离电路时间常数合适从而得到如图7C所示的方波响应。这样，电路103和电路104就可以省去了。这种方法的缺点是调增益时光电隔离电路时间常数也会改变。另一种方法是，将增益调节电路设在高路，调节电阻22、电阻29、电容24及电容30来达到合适的光电隔离电路时间常数，再通过调节高路信号的幅度来与低路匹配。
实施例2图1中的电路对直流和低频共模干扰有很高的共模抑制比，但对高频共模信号的共模抑制比较小。为进一步提高分路线性隔离电路装置的高频共模抑制比，可将图1电路改成差分形式。图8给出了差分形式的实施例。在图8中，低通滤波器100、减法器101、变压器26、光耦电路102、时间常数调节电路103、低路增益调节电路104和信号组合电路105与图1所示的实施例是一样的，在此不在赘述。所不同的是，变压器的驱动和接收改成了差分驱动和差分接收，光电隔离电路增加了一套与光耦电路102完全一样的电路，即光耦电路108，也采用差分驱动和差分接收，以此提高共模抑制比，尤其是高频下的共模抑制比。
低通滤波器100输出端73的低路信号，除送到减法器101，也送到单端到双端转换电路106，将信号转换成大小相等、极性相反的一对差分信号，然后，把其中正极性的信号送到光耦电路102，把其中负极性的信号送到光耦电路108。在光耦电路的输出端，差分放大器110将这对大小相等、极性相反的差分信号转换成单端信号，然后送到电路103。
减法器101输出端76的高路信号，是先送到单端到双端转换电路107，将信号转换成大小相等、极性相反的一对差分信号，然后分别接到变压器26初级的两个端子。变压器的次级两个端子，分别接到了差分放大器109的两个输入端，将变压器输出的差分信号转换成单端信号，然后送到信号组合器105的正输入端。
光耦电路102和108的输出端不再需要直流偏置电路。光耦电路102和108的输出端的直流偏移电压在差分放大器110中被相互抵消了，差分放大器110的输出端没有大的直流偏移电压，只有因电路参数不对称导致的微小直流偏移，可先固定-Vref1，再微调-Vref2来消除此直流偏移。差分形式的光电隔离电路在提高共模抑制比的同时，也减小了直流偏移及温度飘移。
单端到双端转换电路106中，滤波器100的输出端73与运算放大器40的正输入端及电阻43连接，运算放大器40的负输入端与其输出端连接，电阻43又与运算放大器41的负输入端及电阻42连接，电阻42又与运算放大器41的输出端连接，运算放大器41的正输入端与接地点65连接。运算放大器40的输出端与光耦电路102的输入端77连接；运算放大器41的输出端与光耦电路108的输入端84连接。运算放大器40、41最好选用Analog Devices的AD8039。
单端到双端转换电路107的内部电路与单端到双端转换电路106完全一样。减法器101的输出端76与运算放大器36的正输入端及电阻39连接。运算放大器36的输出端与变压器26初级的一个端子连接，运算放大器37的输出端与变压器26初级的另一个端子连接。
差分放大器109和110与减法器101、组合器105的内部电路可以是相同的。
变压器26次级接差分放大器109的正输入端的端子与其初级接运算放大器36输出端的端子是同名端。
在光耦电路108中，电阻46可以是可调的，调节电阻46的值，可以使光耦电路108与光耦电路102匹配，提高整个电路的共模抑制比。显然，也可以调节电阻23，使光耦电路102与光耦电路108匹配，提高整个电路的共模抑制比。
本领域技术人员当了解，本发明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，以上描述的本发明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、光耦通道时间常数合适、两路光耦电路匹配，但是手动或自动、模拟或数字参数调节亦可用到本发明中任何有效电路组件上。
本领域的技术人员都明白，对于本发明上述实施例的许多细节方面都可做出各种修改，但这不脱离本发明的构思。本发明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，本发明的范围应只有所附的权利要求书确定。
权利要求
1.一种分路线性隔离电路装置，将宽带输入信号电压经精确放大后，成与其成线性关系的宽带输出信号电压，它包括变压器电路、光电隔离电路及信号组合电路，其特征是还含有以下电路(1)一个减法式分频器电路，将所述宽带输入信号电压分解成直流至低频部分和低频至高频部分两部分；(2)一个时间常数调节电路(103)，是要调节光电隔离电路的时间常数，使光电隔离电路的高频响应相对于低频被适当提升，以补偿光电隔离电路比变压器的延迟时间长造成的低路与高路交迭频率处的幅频响应不平坦；或仅由光电隔离电路内部的电阻22、电阻29、电容24及电容30来设定光电隔离电路的时间常数。
2.按权利要求1所述分路线性隔离电路装置，其特征是所述减法式分频器电路，由一个低通滤波器(100)和一个减法器(101)构成，所述宽带输入信号电压同时与低通滤波器的输入端及减法器的一个输入端连接，而低通滤波器的输出端与减法器的另一个输入端连接；或者，所述减法式分频器，由一个高通滤波器和一个减法器构成，所述宽带输入信号电压同时与高通滤波器的输入端及减法器的一个输入端连接，而高通滤波器的输出端与减法器的另一输入端连接。
3.按权利要求2所述分路线性隔离电路装置，其特征是滤波器(100)中，输入端(72)与电阻(11)连接，电阻(11)与电阻(12)及电容(15)连接，电阻(12)又与电容(16)及运算放大器(19)正输入端连接，电容(15)又与运算放大器(19)输出端连接，电容(16)又与接地点(65)连接；所述低通滤波器采用Sallen-Key电路拓扑，逼近算法是四阶Bessel逼近，其-3dB截止频率在30kHz到200kHz之间。
4.按权利要求2所述分路线性隔离电路装置，其特征是减法器(101)中，其正输入端(74)与电阻(1)连接，其负输入端(75)与电阻(3)连接，电阻(1)又与电阻(2)及运算放大器(5)的正输入端连接，电阻(3)又与电阻4及运算放大器(5)的负输入端连接，电阻(2)另一端连接接地点(65)，电阻(4)又与运算放大器(5)的输出端连接，运算放大器(5)的输出端也就是减法器(101)的输出端(76)。
5.按权利要求1或2或3所述分路线性隔离电路装置，其特征是输入信号(70)经过低通滤波器(100)后，在低通滤波器(100)输出端(73)得到直流和低频成分，输入信号(70)和低路信号又被送往减法器(101)做减法运算，在减法器(101)的输出端(76)的信号中，完整的输入信号(70)被减去了其直流和低频成分，只剩下了低频至高频的成分。
6.按权利要求1所述分路线性隔离电路装置，其特征是时间常数调节电路(103)是由可调电阻(31)和电容(32)连接而成，该电路是要调节光电隔离电路的时间常数，使电阻(22)乘以电容(24)、电阻(29)乘以电容(30)、电阻(31)乘以电容(32)这三个乘积值之和约220kΩ·pF。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电隔离电路，还包含有幅频响应设定或调节装置，用于设定或调节光电隔离电路的幅频响应使其高频响应相对于低频被提升，从而补偿光电隔离电路比变压器的延迟时间长造成的低路与高路交迭频率处的幅频响应不平坦；该光电隔离电路，在输入频率为100kHz的平顶方波时，其输出波形前沿有过冲。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光电隔离电路，是由两套光电隔离电路构成的一个差分形式的光电隔离电路。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述由两套的光电隔离电路构成的差分形式的光电隔离电路，可通过调节其中的一套光电隔离电路的光电耦合器的发光二极管的限流电阻，使之与另一套匹配，以提高所述差分形式的光电隔离电路在高频下的共模抑制比。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变压器，由差分输出的电路驱动，其次级信号，由差分放大器接收。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变压器，是一个传输线变压器。
全文摘要
一种分路线性隔离电路装置，涉及电子测量设备。是将输入信号电压精确放大后成输出信号电压，输入输出二接地点相互隔离。该装置是包括变压器、光电隔离放大器和信号组合器，技术特征是还包含一个减法式分频器和一个时间常数调节电路。减法式分频器由低通滤波器或高通滤波器和一个减法器构成，输入信号同时与低通滤波器或高通滤波器输入端及减法器一个输入端连接，低通滤波器或高通滤波器的输出端与减法器的另一个输入端连接；时间常数调节电路由可调电阻和一个电容连接而成，该电路可调节光电隔离电路时间常数，用来补偿光电隔离电路比变压器的延迟时间长造成的交迭频率处的幅频响应凹陷。本发明装置主要是用于高带宽的线性隔离电路。
文档编号G01R15/18GK1963538SQ200610154738
公开日2007年5月16日 申请日期2006年11月21日 优先权日2006年11月21日
发明者李君 申请人:李君