[发明专利]一种具有霍尔元件的隔离电路及其示波器

说明书

技术领域

本发明涉及电子测量设备，特别是一种具有霍尔元件的隔离电路及其示波器。

背景技术

隔离电路可以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，也可以绝缘危险电压，保护设备和人身安全。在多通道示波器同时测量时，通道隔离还可以测量多个不同共模电压的信号，防止因通道间共地造成短路事故。

从被处理的信号和隔离电路的频率响应看，隔离电路可以分为数字隔离电路和线性或模拟隔离电路。数字隔离电路只能隔离高、低电平信号，即数字信号，属于开关信号，技术上容易实现。线性隔离电路有时也称为隔离放大器，其输出信号和输入信号成线性关系，可以传递模拟信号，电路的频率响应可以从直流至很高的频率。高带宽（数百MHz以上）的线性隔离电路技术上较难实现。而实现具有很高DC精度的线性隔离电路，可以在示波器上实现电压表或万用表功能，具有很好的应用价值，但是在技术上具有更高的难度。

线性隔离电路，常用的有以下几种方式：

线性光耦隔离电路，线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的。这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。线性光耦能够实现非常高的线性度，能够对直流信号进行隔离，但是信号带宽最大只能到几MHz。

变压器隔离电路，利用电磁感应原理，使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，使回路隔离。变压器根据磁芯材料的不同和绕制方式的不同，可以实现对非常高的频率进行隔离。但是由于电磁感应的特点，变压器不能对直流和低频信号进行隔离，一般变压器能够隔离的最低能够到kHz级别。

隔离放大器器件，目前市面上有一些集成的隔离放大器芯片，如ADI公司的AD203、AD215。该类器件利用变压器进行隔离，将输入进行线性调制成数字信号，然后利用变压器对数字信号进行隔离，隔离后的信号再经过解调，生成隔离后的模拟信号。这类具有较高的线性度，但是带宽一般很低，最大的目前只有几百kHz。

为解决上述器件的缺点，现有技术也给出了多种解决方案，下面就对其中几种解决方案进行介绍：

A、专利号为CN96101007.X的专利，提供了一种解决方案，实现框图如图1所示。

其使用两个不同带宽的放大器，将输入信号分成高频路径和低频路径，低频路径使用线性光耦进行隔离，高频路径使用变压器进行隔离。变压器次边使用两个绕组，产生相位相反的差分信号+Vout和-Vout。隔离后的低频信号经过增益调整和单端转差分放大器，输出的信号作为变压器次边的偏置。低频通路由于线性光耦的延时，导致叠加后的信号，在高、低频结合处幅频响应塌陷，采用电路48、52、50、54进行补偿，使幅频响应在高、低频结合处，适当的提升，实现了幅频响应的平坦性。

此专利能够实现大带宽的线性隔离电路，但是有以下缺点：

1、由于变压器次边采用了两个绕组，作为输出差分信号的正负极，较难保证正负极的相同相位，增加了变压器绕制的难度。

2、采用线性光耦作为低频路径的隔离，低频路径的延时导致频响不平坦，采用了电路48、52、50、54进行补偿，由于电容器件离散，较难保证差分信号正负极完全一致。

3、由于变压器既要满足最低频率和低频路径能够叠加，又要满足最高频率尽量大，由于变压器的限制，能够实现的带宽不大，最大能够到100MHz左右。

B、专利号为US5834973的专利，没有专利CN96101007.X的缺点，其实现框图如图2所示。

此专利使用两个不同带宽的放大器，低带宽放大器实现低频路径，低频路径使用线性光耦进行隔离。低带宽放大器的输出经过124、126的分压，连接到高带宽放大器构成的减法电路一端，减法电路将输入信号减去低频路径的信号，输出的高频信号连接到变压器的原边，该高频信号和低频路径的信号相加即为输入信号。低频路径的线性光耦电路具有一定的增益，以抵消减法电路输入的低频信号的衰减量。高频信号使用变压器进行隔离，变压器次边输出和线性光耦的输出经过加法电路，产生隔离后的信号，从而实现对信号的线性隔离。

此专利较好的解决了变压器绕制的问题，但有如下缺点：