CN201449401U - 示波器垂直输入通道保护器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种示波器垂直输入通道保护器，包括可向示波器垂直输入通道保护器提供直流电源的直流电源模块、放大电路；固定衰减器、保护管、阻抗匹配网络和偏置调节电路；本实用新型目的是提供一种可根据实际需要设定保护阈值、不改变原有电路的特性阻抗以及对输入信号不产生畸变的示波器垂直输入通道保护器，其解决了现有示波器垂直输入通道保护电路存在的保护阈值高、改变了原电路的特性阻抗以及对输入信号产生畸变的技术问题。本实用新型示波器垂直输入通道保护器不会对被测信号的幅度和前、后沿产生影响，也解决了当输入信号较小而保护器不发生保护作用时阻抗匹配与信号衰减的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电路保护器，尤其涉及一种用于测量快速大幅度信号的示波器垂直输入通道保护器。
背景技术
快脉冲射线物理测量中，一个信号的幅度往往从mV级到几kV。很多情况下，除需要测量这种大幅度信号的全波形外，还特别需要对其mV量级的起始段进行测量。而对信号起始段的测量是不能使用衰减器的。这种情况下，示波器的垂直灵敏度需要设置得较高，因而示波器垂直输入通道就特别容易损坏。
目前，电学测量中常采用二类保护电路：一类是如图1所示的保险管加电阻衰减网络。在此电路中，保险管是热熔性器件，能承受较大冲击电流，但反应速度较慢，因而经常损坏电阻衰减网络。另一类是如图2所示的瞬变电压抑制二极管TVS(Transient Voltage Suppressor)保护电路。在此电路中，TVS管两端受瞬间大电流冲击时能以快达10-12秒的速度使其阻抗骤然降低，吸收流过的大电流，并将其两端间的电压箝位在一个较低值，从而使后面电路的元件免受瞬态大电流的冲击而损坏，被广泛应用于对电路元件进行快速过电压保护。但通过实际电路实验可知，TVS适合于防止雷击、电力设备起停等大浪涌电流的瞬间干扰，却不适合于快脉冲大幅度信号测量时用于对示波器垂直输入通道的保护。
《仪器仪表学报》2008年第29卷第4期公开了一种利用二极管的开关特性的示波器垂直输入通道保护电路。在二极管两端，当信号大于二极管的正向导通电压时，二极管起开关作用，泄放电流，从而保护后面的元器件。开关二极管正向导通时，存在一个几欧姆到几十欧姆的微变电阻。该微变电阻值与原电路的特性阻抗不一致，信号在此产生负反射，使输入信号畸变，影响测量结果，因此该保护电路设置了阻抗匹配网络。但当二极管两端信号较小而保护电路不发生作用时，该匹配网络却使原电路的阻抗增加，改变了原电路的特性阻抗，信号在此产生正反射，同样使输入信号畸变，影响测量结果。经实验证明，在输入信号较小而不发生保护作用时，整个保护电路对被测信号有约8％的正反射。同时，由于串联在电路中，不论是否发生保护作用，该阻抗匹配网络都提高了整个保护电路的保护阈值。
发明内容
本实用新型目的是提供一种可根据实际需要设定保护阈值、不改变原有电路的特性阻抗以及对输入信号不产生畸变的示波器垂直输入通道保护器，其解决了现有示波器垂直输入通道保护电路存在的保护阈值高、改变了原电路的特性阻抗以及对输入信号产生畸变的技术问题。
本实用新型的技术解决方案为：
一种示波器垂直输入通道保护器，包括可向示波器垂直输入通道保护器提供直流电源的直流电源模块U5、放大电路U4；其特殊之处在于：其还包括固定衰减器U1、保护管D、阻抗匹配网络U2和偏置调节电路U3；
所述固定衰减器U1的一端作为示波器垂直输入通道保护器的正向输入端，另一端接放大电路U4的正向输入端，其用于衰减因输入信号较大而保护管D导通时微变电阻产生的负反射；
所述阻抗匹配网络U2的两端与放大电路U4的两个输入端并联，用于消除当输入信号较小而保护管D不起作用时因放大电路U4和保护管D引入的阻抗增加而产生的正反射；
所述偏置调节电路U3的一端接直流电源电路U5，另一端接放大电路U4的正向输入端，用于使示波器垂直输入通道保护器在无信号输入时输出为零；
所述保护管D为高频开关二极管，其两端与放大电路U4的两个输入端并联，用于在示波器垂直输入通道保护器在输入信号较大时使放大器的输入箝位在该高频开关二极管的正向导通电压；
所述放大电路U4的反向输入端接地，其输出端作为示波器垂直输入通道保护器的输出端，用于放大被固定衰减器U1衰减后的输入信号，其放大倍数与衰减倍数相同。
上述直流电源模块U5包括双极性开关直流电源(+VCC/-VCC)和电源极性选择开关。
上述阻抗匹配网络U2为匹配电阻R3；所述偏置调节电路U3包括串联的调节电阻R4和微调电阻Rw；所述放大电路U4包括集成运算放大器A、放大电阻R1和反馈电阻R2，所述放大电阻R1连接在集成运算放大器A的正向输入端，所述反馈电阻R2连接在集成运算放大器A的输出端和正向输入端之间。
上述固定衰减器U1为贴片式衰减器。
上述保护管D为高频开关二极管MIMA141KT1-D，所述集成运算放大器A为集成运算放大器THS3201。
本实用新型的技术效果为：
1、本实用新型在保护器输入端使用固定衰减器，保护管导通时微变电阻产生的负反射信号被固定衰减器衰减，从而使保护器不会对被测信号的幅度和前、后沿产生影响。
2、信号不产生正反射。本实用新型加入了阻抗匹配网络和使用了由集成运算放大器构成的放大电路，有效解决了当输入信号较小而保护器不发生保护作用时阻抗匹配与信号衰减的问题。
3、由于所选器件带宽较高，本实用新型保护器可在DC～200MHz的频带内可靠工作。
4、只要输入信号大于所设定的保护阈值，本实用新型保护器都能正常工作，因而可对示波器垂直输入通道进行有效保护。
5、降低成本。由于现有高端示波器因垂直输入通道损坏的维修费用均在上万元，所以本实用新型可节省大量经费，降低使用成本。
附图说明
图1为现有保险管加电阻衰减网络原理框图；
图2为现有TVS管保护电路原理框图；
图3为本实用新型示波器垂直输入通道保护器原理框图；
图4为本实用新型示波器垂直输入通道保护器实施例电路图；
附图标记：R1-放大电阻，R2-反馈电阻，R3-匹配电阻，R4-调节电阻，Rw-微调电阻，U1-固定衰减器，U2-阻抗匹配网络，U3-偏置调节电路，U4-放大电路，U5-直流电源模块，D-保护管，A-集成运算放大器，+VCC/-VCC-双极性开关直流电源。
具体实施方式
本实用新型示波器垂直输入通道保护器，参见图3，包括固定衰减器U1、阻抗匹配网络U2、偏置调节电路U3、保护管D、放大电路U4和向保护器提供直流电源的直流电源模块U5。
参见图4，固定衰减器U1作为示波器垂直输入通道保护器的正向输入端，用于衰减因输入信号较大而保护管D导通时微变电阻产生的负反射。考虑到保护器的体积大小，固定衰减器U1可采用贴片式器件。因为保护管采用开关二极管，其正向导通时存在的几欧姆到几十欧姆的微变电阻与原电路的特性阻抗不一致，被测信号在此产生负反射，使输入信号畸变，所以衰减器用来将该负反射进行衰减，消除负反射对输入的被测信号的影响。衰减器的衰减倍数可按实际需要的保护阈值进行设定。保护阈值为衰减倍数与二极管导通电压的乘积。
阻抗匹配网络U2为一个纯电阻，即匹配电阻R3，设置在固定衰减器U1之后，与保护管D及放大电路U4的输入端并联，用于消除当输入信号较小而保护管D不起作用时放大电路U4和保护管D引入的阻抗增加而产生的正反射，使整个保护器的输入阻抗与测量电路的阻抗相匹配。同轴电缆测量线的特性阻抗有50Ω和75Ω之分，通常为50Ω，匹配电阻R3通常也选用50Ω。
偏置调节电路U3包括串联的固定电阻R4和微调电阻Rw；其设置在直流电源电路U5和阻抗匹配网络U2之间，用于使保护器在无信号输入时输出为零，即基线保持平衡；调节电阻R4用于粗调，其值为100kΩ左右；微调电阻Rw用于微调，其值为10kΩ左右。
保护管D为高频开关二极管MIMA141KT1-D，其两端与放大电路U4的两个输入端并联，用于使保护器在输入信号较大时使放大器的输入箝位在该二极管的正向导通电压，从而保护后端的示波器垂直输入通道。
放大电路U4用于放大被固定衰减器U1衰减了的输入信号。为了使输入测信号不被衰减，放大电路的放大倍数与衰减器的衰减倍数相同。放大电路U4包括集成运算放大器THS3201、放大电阻R1和反馈电阻R2，放大电阻R1连接在集成运算放大器A的正向输入端，反馈电阻R2连接在集成运算放大器A的输出端和正向输入端之间。
直流电源模块U5具体采用±5V、100mA高精度双极性开关直流电源供电，并设计了电源极性选择开关；调试时，如果保护器输出信号发生正向偏置时，偏置电源接双极性开关直流电源的负电源-VCC；如果保护器输出信号发生负向偏置时，偏置电源接双极性开关直流电源的正电源VCC。
当衰减倍数为5时，R1取100Ω，R2取399Ω，R3取50Ω，R4取100kΩ，Rw取10kΩ可组成一个保护阈值为3.5V的示波器垂直输入通道保护器。
Claims (5)
1.一种示波器垂直输入通道保护器，包括可向示波器垂直输入通道保护器提供直流电源的直流电源模块(U5)、放大电路(U4)；其特征在于：其还包括固定衰减器(U1)、保护管(D)、阻抗匹配网络(U2)和偏置调节电路(U3)；
所述固定衰减器(U1)的一端作为示波器垂直输入通道保护器的正向输入端，另一端接放大电路(U4)的正向输入端，其用于衰减因输入信号较大而保护管(D)导通时微变电阻产生的负反射；
所述阻抗匹配网络(U2)的两端与放大电路(U4)的两个输入端并联，用于消除当输入信号较小而保护管(D)不起作用时因放大电路(U4)和保护管(D)引入的阻抗增加而产生的正反射；
所述偏置调节电路(U3)的一端接直流电源电路(U5)，另一端接放大电路(U4)的正向输入端，用于使示波器垂直输入通道保护器在无信号输入时输出为零；
所述保护管(D)为高频开关二极管，其两端与放大电路(U4)的两个输入端并联，用于在示波器垂直输入通道保护器在输入信号较大时使放大器的输入箝位在该高频开关二极管的正向导通电压；
所述放大电路(U4)的反向输入端接地，其输出端作为示波器垂直输入通道保护器的输出端，用于放大被固定衰减器U1衰减后的输入信号，其放大倍数与衰减倍数相同。
2.根据权利要求1所述的示波器垂直输入通道保护器，其特征在于：所述直流电源模块(U5)包括双极性开关直流电源(+VCC/-VCC)和电源极性选择开关。
3.据权利要求1或2所述的示波器垂直输入通道保护器，其特征在于：所述阻抗匹配网络(U2)为匹配电阻(R3)；所述偏置调节电路(U3)包括串联的调节电阻(R4)和微调电阻(Rw)；所述放大电路(U4)包括集成运算放大器(A)、放大电阻(R1)和反馈电阻(R2)，所述放大电阻(R1)连接在集成运算放大器(A)的正向输入端，所述反馈电阻(R2)连接在集成运算放大器(A)的输出端和正向输入端之间。
4.根据权利要求3所述的示波器垂直输入通道保护器，其特征在于：所述固定衰减器(U1)为贴片式衰减器。
5.根据权利要求3所述的示波器垂直输入通道保护器，其特征在于：所述保护管(D)为高频开关二极管MIMA141KT1-D，所述集成运算放大器(A)为集成运算放大器THS3201。
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