本发明专利技术公开了一种适用于雷电过电压环境的高速光隔离电压传感器，本发明专利技术拥有极快的转换速率，其典型值在1us以内；极低的非线性度，其典型值在0.01%以下；以及较高的精度，其典型值在1%以内，较高的1KV隔离电压。通过以下过程实现从模拟信号衰减，（一）通过电压衰减单元（采用电阻网络实现，最高前级电压±400V），大幅降低前级输入电压峰值。该网络衰减系数可微调，典型值为200:1。（二）通过光电转换隔离系统，将前级输入与后级信号采集、AD转换、数据存储等过程隔离开。该系统通过两个光电转换单元传递模拟信号。（三）通过信号调理单元对光电转换隔离系统的输出模拟信号进行放大和滤波，便于后级系统采集。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开了一种适用于雷电过电压环境的高速光隔离电压传感器，涉及电压信号衰减、基于高精度线性光耦的隔离传输以及信号调理等单元。
技术介绍
在数据采集及控制系统中，经常处于及其恶劣的实验环境条件下运作。部分控制系统还要求必须长期不间断地运行。为提高采集系统的抗干扰性能及可靠性，一个有效的方法是采用模拟信号隔离技术，也就是设法将被测系统与测量系统隔离，仅允许被测量信号进入测量系统。这种技术已经在行业内被普遍运用，通常的隔离方法有隔离放大器法和光电隔离法。隔离放大器通常采用磁耦合方法使放大器的输入和输出之间没有电气联系，但此类隔离设计复杂，带宽较窄，体积大，成本昂贵。光电隔离是常用且方便有效的隔离方法，它是通过获取光信号来提取其它信号，由于它响应速度快、灵敏度高、后续电路简单、价格便宜等特点现已在许多科学领域中被广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高速光隔离电压传感器，适用于诸如雷电过电压采集场合等，能够高速衰减输入信号送入后级系统，保证后级系统的安全，并且能够自动优化信号波形，进行信号放大、滤波等处理。为了实现上述目的本专利技术采用以下技术方案: 高速光隔离电压传感器，其主要运用于雷电过电压领域，通过以下过程实现从模拟信号衰减、光电转换、光信号传输、信号调理至后级采集系统的整个功能: (一)通过电压衰减单元(采用电阻网络实现，最高前级电压±400V)，大幅降低前级输入电压峰值。该网络衰减系数可微调，典型值为200:1。(二)为满足雷电高达0~1ΜΗζ的高频信号的测量，在本设计中，加入了缓冲器和正向偏置单元，通过光电转换隔离系统，完成电信号的隔离传输，隔离电压可达ΙΚν。有效的将高压信号及采集系统隔离开，使采集测量通道避免高压信号的危害。(三)通过信号调理单元将光电转换隔离系统的输出模拟信号放大、滤波，便于后级系统米集。其拥有极高转换速度，在IKV隔离电压和1%的精度条件下其电压转换速度在Ius以内，信号带宽在IMHz以上，能够捕捉到雷电过电压的信号，并将-400V到+ 400V的原始模拟电压信号隔离衰减40倍。其拥有超低非线性度，其典型值为0.01%。其传输误差小于1%。基于电阻网络实现，前级输入信号可高达±400V，衰减系数可微调，典型值为200:1ο该系统由两个光电转换单元组成，即前级光电转换单元与后级光电转换单元。其中，前级光电转换单元集成一个基于负反馈技术的自动非线性补偿电路；后级光电转换单元包括一个电路/电压转换电路。信号在通入该系统前将加入直流偏置，经该系统耦合后，即去掉直流偏置。此外该光电转换隔离系统，拥有一个旁路隔离开关实现直通功能，以便在某些特定场合下，不使用光隔离直接输送模拟信号。该调理模块针对专用后级系统进行信号调理，满足信号输出范围在±10V之内。集成有5X信号放大电路(该增益可手动调节)及1ΜΗζ4阶低通滤波器。所述电压衰减单元的衰减器包括串联的电阻Rl和电阻R3，衰减系数微调单元包括与R3并联的和滑动电阻VRl，滑动电阻VRl与电阻Rl的连接段引出输出。为满足雷电高频信号(O?IMHz)的测量，本设计采用运算放大器做缓冲器，再由另一个运算放大器及R2、R6、R7构成反向加法器，为+/_模拟信号加入偏置电压，以便光耦将+/_模拟信号做光电转换。其光电转换隔离单元包括前级光电转换模块和后级光电转换模块，前级光电转换模块包括三极管Ql (2N3906)、三极管Q2 (2N3904)、AlGaAs LED以及输入光电二极管PDl以及一个上拉电阻网络， 三极管Ql (2N3906)基极一端与输入光电二极管TOl阴极连接，另一端接地，三极管Ql的发射机通过电阻R3接电源VCC，三极管Ql的集电极接地， 三极管Q2的基极接三极管Ql的发射极，集电极通过AlGaAs LED接电源VCC，发射极通过电阻R4接地； AlGaAs LED与输入光电二极管HH进行光电耦合，对三极管Ql的基极电流进行负反馈补偿。其后级光电转换模块包括输入光电二极管TO2、三极管Q3、三极管Q4、电阻R2、电阻R5、电阻R7，三极管Q3的基极通过输入光电二极管PD2接地，三极管Q3发射极通过电阻R5接电源VCC，集电极接地，三极管Q4的集电极通过电阻R7接电源VCC，发射极通过电阻R6接地，三极管Q4的集电极引出输出。还包括一个替代光电转换隔离单元的旁路隔离开关。具体实现过程是，通过电压衰减单元的电阻网络，对电压值在±400V的前级输入电压进行衰减，该网络衰减系数可微调，典型值为200:1。通过光电转换隔离系统的前级光电转换单元，将电压信号增加直流偏置后，转换为光信号。该光信号由一个基于负反馈技术的自动非线性补偿电路修正非线性。通过光电转换隔离系统的后级光电转换单元接收该光信号，通过其特有的电路/电压转换电路形成电压信号，并去掉其直流偏置后输出。最后通过信号调理单元对光电转换隔离系统的输出模拟信号进行放大滤波，便于后级系统采集。通过这种设计，可以实现在保证后级系统安全的情况下，确保测试现场的过电压信号转换的真实性。因为本专利技术采用以上技术方案，因此具备以下有益效果: 以下是本专利技术的技术方案和专利技术要点: 衰减器:在高压信号测量中，为方便后级信号条例及测量，需将高压信号衰减成小信号，本设计中为满足前级+/-400V输入及后级信号隔离，采用衰减系数为200:1的电阻网络，该衰减系数可微调。光电转换隔离系统:半导体光电器件是将传统光学技术和现代微电子技术紧密结合而研制出的光电器件，它是通过获取光信号来提取其它信号，由于它响应速度快、灵敏度高、后续电路简单、价格便宜等特点现已在许多科学领域中被广泛应用。在本申请的设计中，为满足雷电高达0~1ΜΗζ的高频信号的测量，在本设计中，加入了缓冲器和正向偏置单元，再采用高精度性线光耦构建了两个光电转换单元，即前级光电转换单元和后级光电转换单元。其中前级光电转换单元集成一个负反馈电路，利用输入光二极管检测LED光输出量，自动调整通过LED的电流，以补偿LED光输出的变化及任何其它原因引起的非线性。后级光电转换单元集成一个LED电流/电压转换电路，可以形成模拟信号输出到后级采集系统。此外，为保证采集的正负模拟信号完整性，在信号耦合前加入正向偏置，在信号耦合后去掉所加偏置电压。此外该光电转换隔离系统，拥有一个旁路隔离开关实现直通功能，以便在某些特定场合下，测试人员可以不使用光隔离直接输送模拟信号。信号调理单元:为了获得好的信噪比，满足±10V信号输出及滤掉带宽外的高干扰，在信号调理中，增加5X信号放大电路及IMHz 4阶低通滤波器。基于以上三项关键技术，使得通过高速光隔离电压传感器，能够是高压电信号安全地转换为适合下级系统采集的信号，并保证该信号完整性和精确性。【附图说明】图1是本专利技术总体原理图； 图2是本专利技术电压衰减单元原理图； 图3本专利技术电压衰减单元电路图； 图4本专利技术缓冲器和增量偏置电路图； 图5本专利技术光电转换隔离系统原理图； 图6本专利技术光电转换隔离系统电路图； 图7本专利技术信号调理单元原理图； 图8是本专利技术光电隔离过程原理图； 图9是本专利技术系统的频响曲线图。【具体实施方式】下面结合附图并用最佳的实施例对本专利技术作详细的说明。参阅图1，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种适用于雷电过电压环境的高速光隔离电压传感器，其特征在于包括：电压互感器：将电网电压信息转换成模拟信号；电压衰减单元：包括相连的衰减器和衰减系数微调单元，降低前级输入的电压峰值；缓冲/正向偏压单元：对经过电压衰减单元后的电压进行正向偏压光电转换隔离单元：通过光电耦合作用，完成电信号的隔离传输；信号调理单元：输出模拟信号放大、滤波，便于后级系统采集。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨旻，杨珣，贾顺福，
申请(专利权)人：四川拓普测控科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51
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