一种大动态范围示波器输入信道有源保护电路的制作方法

本发明属于电子信息工程领域，尤其涉及一种大动态范围示波器输入信道有源保护电路。

背景技术：

快脉冲射线信号测量中，信号幅度的动态范围达到8个量级以上。在使用示波器测量时，需要采用量程搭接的方法来实现信号完整测量。

在进行大动态范围脉冲信号测量时，当示波器量程远小于输入信号幅度,对于示波器未加保护的情况，极易损害示波器信道。为保护示波器信道，需要1:1的示波器信道保护器。

示波器信道保护器需要满足以下条件：输入带宽高、输入直流耦合、输入阻抗50Ω、输出动态范围大、噪声小等。对于大动态范围脉冲信号，还应具有输出饱和能力，即在输入信号超过一定幅度时，输出保持在一稳定幅度值，且该稳定幅度值处于示波器信道的输入信号范围之内，以达到保护示波器信道的目的。

现有技术公开了一种示波器垂直输入通道保护电路，该电路采用无源器件--钳位二极管作为核心保护器件。输入信号经过功率衰减、阻抗匹配、偏置调节、保护、放大电路等，实现1:1信号输出，该电路存在以下几个问题：(1)、采用无源器件—钳位二极管，作为保护的核心器件，在保护瞬间，二极管导通，其导通阻抗明显降低，影响整个系统的阻抗匹配情况，需要同时采用功率衰减和阻抗匹配以降低信号反射，并未在根本上解决该问题；(2)、二极管为单向导通器件，只对正向输入大幅度信号具有保护作用，对负向输入信号没有保护作用；(3)、功率衰减采用固定衰减器，衰减倍数大，为实现1:1信号输出，放大电路放大倍数大，其输入带宽亦同时降低；(4)、放大电路采用单个放大器，输出驱动能力弱，针对50Ω输入阻抗，能输出最大±3V的信号。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种大动态范围示波器输入信道有源保护电路，用以解决现有技术中无源器件(二极管)在保护瞬间，因阻抗不匹配导致的信号反射，对负向输入信号不能保护，驱动能力弱等缺陷。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种大动态范围示波器输入信道有源保护电路，其特殊之处在于：包括输入阻抗匹配模块或输入阻抗匹配及功率衰减模块、偏置调节模块、多个运算放大模块、负载共享模块；输入阻抗匹配模块或输入阻抗匹配及功率衰减模块的输入端接输入信号，多个运算放大模块的输入端分别与输入阻抗匹配模块或输入阻抗匹配及功率衰减模块的输出端连接，多个运算放大模块的输出端分别与负载共享模块的输入端连接，负载共享模块输出端接输出信号；偏置调节模块设置在多个运算放大模块之前；

偏置调节模块包括依次串联的可调电阻、限流电阻和输入阻抗电阻，可调电阻另一端接正电压或负电压，输入阻抗电阻另一端接地。

进一步的，偏置调节模块设置在输入阻抗匹配模块或输入阻抗匹配及功率衰减模块之前。

进一步的，偏置调节模块设置在输入阻抗匹配模块或输入阻抗匹配及功率衰减模块之后。

进一步的，输入阻抗匹配及功率衰减模块包括电阻R1以及分别在电阻R1两端下拉接地的电阻R2和电阻R3。

本发明的有益效果是：

1、本电路采用有源保护、负载共享等技术，解决了无源器件保护瞬间信号反射的问题，增强输出信号驱动能力，有效提高了信号的输入带宽；

2、本电路输出信号动态范围大，输入输出信号比例为1:1，输出动态范围±(2mV-10V)；

3、当输入信号幅度大于±10V时，输出信号稳定在±10V，且信号顶部平坦性好，输出信号上冲、下冲小；

4、在信号功率衰减之后加入偏置调节模块，在实际应用中可以快速调节信号偏置。

附图说明

图1是本发明实施例电路原理框图；

图2是实施例输入阻抗匹配及功率衰减模块电路图；

图3是实施例偏置调节模块电路图；

图4是实施例运算放大模块电路图；

图5是实施例负载共享模块电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明加以详细说明。

本实施例提供了一种大动态范围示波器输入信道有源保护电路，尤其涉及一种输入阻抗50Ω、测量大动态范围、快脉冲信号的示波器信道保护。

实施例电路原理如图1所示，主要包括输入阻抗匹配及功率衰减模块U1、偏置调节模块U2、运算放大模块U3、负载共享模块U4。

输入阻抗匹配及功率衰减模块U1对输入信号进行阻抗匹配和功率衰减；偏置调节模块U2对功率衰减后的信号偏置调节；偏置调节后的信号至运算放大模块U3，分配给两个运算放大电路，运算放大器可以选择低噪声高带宽电压反馈集成运算放大器或者低噪声高带宽电流反馈集成运算放大器；两个运算放大电路的输出信号进入负载共享模块U4，通过调节功率衰减、负载电阻、反馈电阻、增益电阻和接收端输入阻抗，保证输入信号和输出信号之间的幅度线性；

输入阻抗匹配及功率衰减模块U1如图2所示，包括电阻R1以及分别在电阻R1两端下拉接地的电阻R2和电阻R3，将输入信号进行阻抗匹配，功率衰减2倍，对于输入阻抗50Ω、功率衰减2倍的情况，R1＝37Ω，R2＝R3＝150Ω；

偏置调节模块U2如图3所示，包括依次串联的可调电阻、限流电阻和输入阻抗电阻，可调电阻另一端接正电压或负电压，输入阻抗电阻另一端接地。偏置调节模块U2可以对信号偏置电压进行正负调节，调节范围由正负电压、Radj可调电阻、R0限流电阻和50Ω输入阻抗电阻共同决定，调节Radj可以调节进入到功率衰减信号的偏置电压，当Radj电阻过小时，R0限流电阻可以限制进入到功率衰减信号的偏置电压，防止偏置电压过大，烧坏运算放大电路部分；

运算放大模块U3如图4所示，由两个运算放大电路组成，其放大增益通过RF、RG调节，所采用的运算放大器为THS3001或者THS3091；

负载共享模块U4如图5所示，由串联电阻RS1、RS2和负载电阻RL等组成，通过调节RS1、RS2阻值调节输出信号Uout1、Uout2在Uout处的分压；

当输入信号功率衰减为2、两个同类型运算放大电路输出负载共享、RT1＝RT2＝RT、RF1＝RF2＝RF、RG1＝RG2＝RG、RS1＝RS2＝RS时，得到如下关系：Uout1＝Uout2＝1/2×Uin×(1+RF/RG)；

Uout＝2×Uout1×{(RS//RL)/[(RS//RL)+RS]}

＝Uin×(1+RF/RG)×{(RS//RL)/[(RS//RL)+RS]}

为保证运算放大电路的带宽和保证低噪声，使用运算放大器器件手册推荐的RF值，RL值已知，通过调节RS和RG的值，使Uin＝Uout；RS、RG的取值综合决定，包括运放的输入带宽、运放的放大倍数、运放输出驱动能力等因素综合限制；

同样的，对于其它输入阻抗匹配和功率衰减、N个同类型运算放大电路输出负载共享等情况，首先确定RF、RL值，根据以上公式类推，得出RS、RG值。

另外，为了增加保护电路的输入带宽，也可以对输入信号只进行阻抗匹配，不进行功率衰减，输入阻抗匹配模块采用现有公知电路即可。