專利名稱：示波器垂直輸入通道保護(hù)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電路保護(hù)器，尤其涉及一種用于測(cè)量快速大幅度信號(hào)的示 波器垂直輸入通道保護(hù)器。
背景技術(shù)：
快脈沖射線物理測(cè)量中， 一個(gè)信號(hào)的幅度往往從mV級(jí)到幾kV。很多情況下， 除需要測(cè)量這種大幅度信號(hào)的全波形外，還特別需要對(duì)其mV量級(jí)的起始段進(jìn)行 測(cè)量。而對(duì)信號(hào)起始段的測(cè)量是不能使用衰減器的。這種情況下，示波器的垂 直靈敏度需要設(shè)置得較高，因而示波器垂直輸入通道就特別容易損壞。
目前，電學(xué)測(cè)量中常采用二類保護(hù)電路 一類是如圖1所示的保險(xiǎn)管加電 阻衰減網(wǎng)絡(luò)。在此電路中，保險(xiǎn)管是熱熔性器件，能承受較大沖擊電流，但反 應(yīng)速度較慢，因而經(jīng)常損壞電阻衰減網(wǎng)絡(luò)。另一類是如圖2所示的瞬變電壓抑 制二極管TVS (Transient Voltage Suppressor)保護(hù)電路。在此電路中，TVS 管兩端受瞬間大電流沖擊時(shí)能以快達(dá)10—12秒的速度使其阻抗驟然降低，吸收流 過的大電流，并將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)較低值，從而使后面電路的元件 免受瞬態(tài)大電流的沖擊而損壞，被廣泛應(yīng)用于對(duì)電路元件進(jìn)行快速過電壓保護(hù)。 但通過實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)可知，TVS適合于防止雷擊、電力設(shè)備起停等大浪涌電流的 瞬間干擾，卻不適合于快脈沖大幅度信號(hào)測(cè)量時(shí)用于對(duì)示波器垂直輸入通道的 保護(hù)。
《儀器儀表學(xué)報(bào)》2008年第29巻第4期公開了一種利用二極管的開關(guān)特性 的示波器垂直輸入通道保護(hù)電路。在二極管兩端，當(dāng)信號(hào)大于二極管的正向?qū)?通電壓時(shí)，二極管起開關(guān)作用，泄放電流，從而保護(hù)后面的元器件。開關(guān)二極 管正向?qū)〞r(shí)，存在一個(gè)幾歐姆到幾十歐姆的微變電阻。該微變電阻值與原電 路的特性阻抗不一致，信號(hào)在此產(chǎn)生負(fù)反射，使輸入信號(hào)畸變，影響測(cè)量結(jié)果， 因此該保護(hù)電路設(shè)置了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。但當(dāng)二極管兩端信號(hào)較小而保護(hù)電路不 發(fā)生作用時(shí)，該匹配網(wǎng)絡(luò)卻使原電路的阻抗增加，改變了原電路的特性阻抗， 信號(hào)在此產(chǎn)生正反射，同樣使輸入信號(hào)畸變，影響測(cè)量結(jié)果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，在輸入信號(hào)較小而不發(fā)生保護(hù)作用時(shí)，整個(gè)保護(hù)電路對(duì)被測(cè)信號(hào)有約8%的正反 射。同時(shí)，由于串聯(lián)在電路中，不論是否發(fā)生保護(hù)作用，該阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)都提 高了整個(gè)保護(hù)電路的保護(hù)閾值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定保護(hù)閾值、不改變?cè)须娐返?特性阻抗以及對(duì)輸入信號(hào)不產(chǎn)生畸變的示波器垂直輸入通道保護(hù)器，其解決了 現(xiàn)有示波器垂直輸入通道保護(hù)電路存在的保護(hù)閾值高、改變了原電路的特性阻 抗以及對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生畸變的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為-
一種示波器垂直輸入通道保護(hù)器，包括可向示波器垂直輸入通道保護(hù)器提
供直流電源的直流電源模塊U5、放大電路U4;其特殊之處在于其還包括固定
衰減器U1、保護(hù)管D、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)U2和偏置調(diào)節(jié)電路U3;
所述固定衰減器Ul的一端作為示波器垂直輸入通道保護(hù)器的正向輸入端， 另一端接放大電路U4的正向輸入端，其用于衰減因輸入信號(hào)較大而保護(hù)管D導(dǎo) 通時(shí)微變電阻產(chǎn)生的負(fù)反射；
所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)U2的兩端與放大電路U4的兩個(gè)輸入端并聯(lián)，用于消除 當(dāng)輸入信號(hào)較小而保護(hù)管D不起作用時(shí)因放大電路U4和保護(hù)管D引入的阻抗增 加而產(chǎn)生的正反射；
所述偏置調(diào)節(jié)電路U3的一端接直流電源電路U5，另一端接放大電路U4的 正向輸入端，用于使示波器垂直輸入通道保護(hù)器在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)輸出為零；
所述保護(hù)管D為高頻開關(guān)二極管，其兩端與放大電路U4的兩個(gè)輸入端并聯(lián)， 用于在示波器垂直輸入通道保護(hù)器在輸入信號(hào)較大時(shí)使放大器的輸入箝位在該 高頻開關(guān)二極管的正向?qū)妷海?br> 所述放大電路U4的反向輸入端接地，其輸出端作為示波器垂直輸入通道保 護(hù)器的輸出端，用于放大被固定衰減器U1衰減后的輸入信號(hào)，其放大倍數(shù)與衰 減倍數(shù)相同。
上述直流電源模塊U5包括雙極性開關(guān)直流電源(+VCC/-VCC)和電源極性 選擇開關(guān)。
上述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)U2為匹配電阻R3;所述偏置調(diào)節(jié)電路U3包括串聯(lián)的調(diào)節(jié)電阻R4和微調(diào)電阻Rw;所述放大電路U4包括集成運(yùn)算放大器A、放大電阻 Rl和反饋電阻R2，所述放大電阻Rl連接在集成運(yùn)算放大器A的正向輸入端， 所述反饋電阻R2連接在集成運(yùn)算放大器A的輸出端和正向輸入端之間。 上述固定衰減器U1為貼片式衰減器。
上述保護(hù)管D為高頻開關(guān)二極管MIMA141KT1-D，所述集成運(yùn)算放大器A為 集成運(yùn)算放大器THS3201。 本發(fā)明的技術(shù)效果為
1、 本發(fā)明在保護(hù)器輸入端使用固定衰減器，保護(hù)管導(dǎo)通時(shí)微變電阻產(chǎn)生的 負(fù)反射信號(hào)被固定衰減器衰減，從而使保護(hù)器不會(huì)對(duì)被測(cè)信號(hào)的幅度和前、后 沿產(chǎn)生影響。
2、 信號(hào)不產(chǎn)生正反射。本發(fā)明加入了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和使用了由集成運(yùn)算放 大器構(gòu)成的放大電路，有效解決了當(dāng)輸入信號(hào)較小而保護(hù)器不發(fā)生保護(hù)作用時(shí) 阻抗匹配與信號(hào)衰減的問題。
3、 由于所選器件帶寬較高，本發(fā)明保護(hù)器可在DC 200MHz的頻帶內(nèi)可靠 工作。
4、 只要輸入信號(hào)大于所設(shè)定的保護(hù)閾值，本發(fā)明保護(hù)器都能正常工作，因 而可對(duì)示波器垂直輸入通道進(jìn)行有效保護(hù)。
5、 降低成本。由于現(xiàn)有高端示波器因垂直輸入通道損壞的維修費(fèi)用均在上 萬(wàn)元，所以本發(fā)明可節(jié)省大量經(jīng)費(fèi)，降低使用成本。


圖1為現(xiàn)有保險(xiǎn)管加電阻衰減網(wǎng)絡(luò)原理框圖2為現(xiàn)有TVS管保護(hù)電路原理框圖3為本發(fā)明示波器垂直輸入通道保護(hù)器原理框圖4為本發(fā)明示波器垂直輸入通道保護(hù)器實(shí)施例電路附圖標(biāo)記Rl-放大電阻，R2-反饋電阻，R3-匹配電阻，R4-調(diào)節(jié)電阻，Rw-微調(diào)電阻，U1-固定衰減器，U2-阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，U3-偏置調(diào)節(jié)電路，U4-放大電 路，U5-直流電源模塊，D-保護(hù)管，A-集成運(yùn)算放大器，+VCC/-VCC-雙極性開關(guān) 直流電源。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明示波器垂直輸入通道保護(hù)器，參見圖3，包括固定衰減器m、阻抗
匹配網(wǎng)絡(luò)U2、偏置調(diào)節(jié)電路U3、保護(hù)管D、放大電路U4和向保護(hù)器提供直流電 源的直流電源模塊U5。
參見圖4，固定衰減器Ul作為示波器垂直輸入通道保護(hù)器的正向輸入端， 用于衰減因輸入信號(hào)較大而保護(hù)管D導(dǎo)通時(shí)微變電阻產(chǎn)生的負(fù)反射。考慮到保 護(hù)器的體積大小，固定衰減器U1可采用貼片式器件。因?yàn)楸Ｗo(hù)管采用開關(guān)二極 管，其正向?qū)〞r(shí)存在的幾歐姆到幾十歐姆的微變電阻與原電路的特性阻抗不 一致，被測(cè)信號(hào)在此產(chǎn)生負(fù)反射，使輸入信號(hào)畸變，所以衰減器用來(lái)將該負(fù)反 射進(jìn)行衰減，消除負(fù)反射對(duì)輸入的被測(cè)信號(hào)的影響。衰減器的衰減倍數(shù)可按實(shí) 際需要的保護(hù)閾值進(jìn)行設(shè)定。保護(hù)閾值為衰減倍數(shù)與二極管導(dǎo)通電壓的乘積。
阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)U2為一個(gè)純電阻，即匹配電阻R3，設(shè)置在固定衰減器U1之 后，與保護(hù)管D及放大電路U4的輸入端并聯(lián)，用于消除當(dāng)輸入信號(hào)較小而保護(hù) 管D不起作用時(shí)放大電路U4和保護(hù)管D引入的阻抗增加而產(chǎn)生的正反射，使整 個(gè)保護(hù)器的輸入阻抗與測(cè)量電路的阻抗相匹配。同軸電纜測(cè)量線的特性阻抗有 50Q和75Q之分，通常為50Q，匹配電阻R3通常也選用50Q。
偏置調(diào)節(jié)電路U3包括串聯(lián)的固定電阻R4和微調(diào)電阻Rw;其設(shè)置在直流電 源電路U5和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)U2之間，用于使保護(hù)器在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)輸出為零， 即基線保持平衡；調(diào)節(jié)電阻R4用于粗調(diào)，其值為100kQ左右；微調(diào)電阻Rw用 于微調(diào)，其值為10kQ左右。
保護(hù)管D為高頻開關(guān)二極管MIMA141KT1-D，其兩端與放大電路U4的兩個(gè)輸 入端并聯(lián)，用于使保護(hù)器在輸入信號(hào)較大時(shí)使放大器的輸入箝位在該二極管的 正向?qū)妷海瑥亩Ｗo(hù)后端的示波器垂直輸入通道。
放大電路U4用于放大被固定衰減器Ul衰減了的輸入信號(hào)。為了使輸入測(cè) 信號(hào)不被衰減，放大電路的放大倍數(shù)與衰減器的衰減倍數(shù)相同。放大電路U4包 括集成運(yùn)算放大器THS3201、放大電阻Rl和反饋電阻R2，放大電阻Rl連接在 集成運(yùn)算放大器A的正向輸入端，反饋電阻R2連接在集成運(yùn)算放大器A的輸出 端和正向輸入端之間。
直流電源模塊U5具體采用士5V、 lOOmA高精度雙極性開關(guān)直流電源供電，并 設(shè)計(jì)了電源極性選擇開關(guān)；調(diào)試時(shí)，如果保護(hù)器輸出信號(hào)發(fā)生正向偏置時(shí)，偏置電源接雙極性開關(guān)直流電源的負(fù)電源-VCC;如果保護(hù)器輸出信號(hào)發(fā)生負(fù)向偏
置時(shí)，偏置電源接雙極性開關(guān)直流電源的正電源vcc。
當(dāng)衰減倍數(shù)為5時(shí)，Rl取100Q， R2取399Q， R3取50Q, R4取100kQ， Rw取10kQ可組成一個(gè)保護(hù)閾值為3. 5V的示波器垂直輸入通道保護(hù)器。
權(quán)利要求
1、一種示波器垂直輸入通道保護(hù)器，包括可向示波器垂直輸入通道保護(hù)器提供直流電源的直流電源模塊(U5)、放大電路(U4)；其特征在于其還包括固定衰減器(U1)、保護(hù)管(D)、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(U2)和偏置調(diào)節(jié)電路(U3)；所述固定衰減器(U1)的一端作為示波器垂直輸入通道保護(hù)器的正向輸入端，另一端接放大電路(U4)的正向輸入端，其用于衰減因輸入信號(hào)較大而保護(hù)管(D)導(dǎo)通時(shí)微變電阻產(chǎn)生的負(fù)反射；所述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(U2)的兩端與放大電路(U4)的兩個(gè)輸入端并聯(lián)，用于消除當(dāng)輸入信號(hào)較小而保護(hù)管(D)不起作用時(shí)因放大電路(U4)和保護(hù)管(D)引入的阻抗增加而產(chǎn)生的正反射；所述偏置調(diào)節(jié)電路(U3)的一端接直流電源電路(U5)，另一端接放大電路(U4)的正向輸入端，用于使示波器垂直輸入通道保護(hù)器在無(wú)信號(hào)輸入時(shí)輸出為零；所述保護(hù)管(D)為高頻開關(guān)二極管，其兩端與放大電路(U4)的兩個(gè)輸入端并聯(lián)，用于在示波器垂直輸入通道保護(hù)器在輸入信號(hào)較大時(shí)使放大器的輸入箝位在該高頻開關(guān)二極管的正向?qū)妷?；所述放大電?U4)的反向輸入端接地，其輸出端作為示波器垂直輸入通道保護(hù)器的輸出端，用于放大被固定衰減器U1衰減后的輸入信號(hào)，其放大倍數(shù)與衰減倍數(shù)相同。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的示波器垂直輸入通道保護(hù)器，其特征在于所述 直流電源模塊(U5)包括雙極性開關(guān)直流電源(+VCC/-VCC)和電源極性選擇開 關(guān)。
3、 據(jù)權(quán)利要求1或2所述的示波器垂直輸入通道保護(hù)器，其特征在于所 述阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(U2)為匹配電阻(R3);所述偏置調(diào)節(jié)電路(U3)包括串聯(lián)的 調(diào)節(jié)電阻(R4)和微調(diào)電阻(Rw);所述放大電路(U4)包括集成運(yùn)算放大器(A)、 放大電阻(Rl)和反饋電阻(R2)，所述放大電阻(Rl)連接在集成運(yùn)算放大器(A)的正向輸入端，所述反饋電阻(R2)連接在集成運(yùn)算放大器(A)的輸出 端和正向輸入端之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的示波器垂直輸入通道保護(hù)器，其特征在于所述固定衰減器(Ul)為貼片式衰減器。
5、根據(jù)權(quán)利要求3所述的示波器垂直輸入通道保護(hù)器，其特征在于所述保護(hù)管(D)為高頻開關(guān)二極管MIMA141KT1-D，所述集成運(yùn)算放大器(A)為集 成運(yùn)算放大器THS3201。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種示波器垂直輸入通道保護(hù)器，包括可向示波器垂直輸入通道保護(hù)器提供直流電源的直流電源模塊、放大電路；固定衰減器、保護(hù)管、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置調(diào)節(jié)電路；本發(fā)明目的是提供一種可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定保護(hù)閾值、不改變?cè)须娐返奶匦宰杩挂约皩?duì)輸入信號(hào)不產(chǎn)生畸變的示波器垂直輸入通道保護(hù)器，其解決了現(xiàn)有示波器垂直輸入通道保護(hù)電路存在的保護(hù)閾值高、改變了原電路的特性阻抗以及對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生畸變的技術(shù)問題。本發(fā)明示波器垂直輸入通道保護(hù)器不會(huì)對(duì)被測(cè)信號(hào)的幅度和前、后沿產(chǎn)生影響，也解決了當(dāng)輸入信號(hào)較小而保護(hù)器不發(fā)生保護(hù)作用時(shí)阻抗匹配與信號(hào)衰減的問題。
文檔編號(hào)G01R1/00GK101592679SQ20091002321
公開日2009年12月2日 申請(qǐng)日期2009年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者李顯寶, 渠紅光, 耕 田, 阮林波 申請(qǐng)人:西北核技術(shù)研究所