CN206932202U - 一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器，包括对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元，所述对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元依次相连，所述对数运算单元包括超低偏置电流的放大器和负反馈元件，所述线性光耦单元包括线性光耦芯片、负反馈电路，所述指数运算单元包括高速运放和光敏二极管，本实用新型的微电流测量电路由于没有采用反馈电阻，避免了电阻温度系数对测量结果的影响，可以具有较高的抑制温度漂移影响的能力，温度系数可达100ppm/C。
Description
技术领域
本实用新型涉及高压电气设备介电响应测试技术领域，特别涉及一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器。
背景技术
在介电响应测试领域、高压工业应用领域，经常会使用到微电流放大电路，并且要求电流放大器具有较高的精度。目前市面上常采用经过I-V转换放大器或采样电阻来实现微弱电流放大。如CN102323486A公开的一种I-V二阶微分测量方法及装置。该装置包括直流信号源、函数发生器、具有分压作用的交直流加法器、前置放大器,锁相放大器及环境条件控制***;该方法是:将选定频率的交流小信号通过交直流加法器与直流偏压叠加,共同作用于测试样品,含有测试样品信息的信号经前置放大器放大转换成电压信号,由锁相测量倍频信号电压。又如CN202085151U一种I/V转换器电路,它包括依次连接的一积分电路、一比较电路、一复合脉冲电路、一脉冲放大电路和一滤波整流电路,还包括一连接在所述积分电路的输入端与地之间的多段取样电路,其中,所述多段取样电路接收一外部输入的电流信号,所述比较电路还接收一外部输入的阈值电压信号,所述复合脉冲电路还接收一外部输入的载波脉冲。但是其不足之处在于：但由于要大阻值的反馈电阻进行电流-电压转换，因而其输出电压信号会受到工频辐射和高频辐射干扰。同时使用采样电阻法会引入电阻损耗，因而需要进一步的转换算法将采样电阻的影响去除掉。对于pA等级的微弱电流，上述两种形式都不同程度的引起原始信号波形失真。在介电响应绝缘诊断领域，不仅要求测量的电流信号波形畸变率小，同时要求电流转换后的电压信号可以抵抗外界辐射干扰。上述两点要求表明，现有的电流放大电路或电流测试方法不能很好的满足实际需求。
与此同时，另外一种基于罗氏线圈的电流测量方法，不能测量频率范围较高或较低的电流信号。这种测量方式隔离电压较高，但只能测量工频信号。对于频域介电响应，一般要求其频率范围从0.001Hz至10kHz，且频段越低越能反映介质的损耗信息和绝缘劣化信息。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器，本实用新型的微电流测量电路由于没有采用反馈电阻，避免了电阻温度系数对测量结果的影响，可以具有较高的抑制温度漂移影响的能力，温度系数可达100ppm/C。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器，包括对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元，所述对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元依次相连。
所述对数运算单元包括超低偏置电流的放大器和负反馈元件，所述线性光耦单元包括线性光耦芯片、负反馈电路，所述指数运算单元包括高速运算放大器和光敏二极管。
所述超低偏置电流的放大器为OPA128。
所述线性光耦芯片型号为HCNR201。
所述高速运算放大器采用OP37。
所述信号二次放大模块型号为OP37。
本实用新型的测量电路与I-V转换放大器或采样电阻的电流测量电路相比，本实用新型使用的通过线性光耦进行传输隔离，由于具有较高的隔离电压，可以确保二次测量端安全可靠，同时保持原有的波形具有较低畸变率。由于反馈元件不是大阻值电阻，因而测试结果不受外界辐射干扰。与通过罗氏线圈进行电流测量的方法相比，本实用新型可以显著扩宽测试信号的带宽。实用新型所采用的反馈元器件为光耦模块中的发光、光敏二极管，测试稳定性高，不容易受外界温度影响，成本低廉且性能良好。本实用新型的微电流测量电路的抗干扰设计可以大幅提升电路的信噪比，可以达到40dB。且本实用新型的微电流测量电路由于没有采用反馈电阻，避免了电阻温度系数对测量结果的影响，可以具有较高的抑制温度漂移影响的能力，温度系数可达100ppm/C。且本实用新型由于采用线性光耦作为隔离手段，利用线性光耦的补偿端可以确保输出信号具有较高的线性度。本电路的优势不仅在于电流测低，而且可以抑制工频和辐射干扰，对数单元和指数单元虽然是常用模块，通常用于模拟信号变换处理，一般不会用于电流检测，但本实用新型通过结合线性光耦电路改造对数单元和指数单元使其可以适用于电流测量电路，并且是与线性光耦结合的电流测量，主要是结合了对数单元中的反馈元件二极管和指数单元的输入元件二极管。本实用新型的微电流测量电路可以测量微电流范围1pA~1mA，该电路可有效的抑制外界辐射干扰和因大电阻反馈元件的温度漂移带来的测量误差。本实用新型所采用的对数处理单元和指数处理单元均为常用单元模块，但使两模块与线性光耦通过负反馈的形式结合起来，不仅实现了微弱电流测量，同时保证了较高的测量输出波形的线性度。同时将对数处理单元应用到电流测量电路，可以通过将电流信号经对数运算后变化为幅值范围较小的对数信号，可以使测量范围变大，而不必采用复杂的量程切换。同时二极管元件对于外界干扰的敏感度远小于大电阻反馈元件，从而可以使得测量结果的工频含量和高频干扰含量大幅度降低。在电介质绝缘的介电响应测量中需要利用到抗干扰能力较好的微电流测量电路，而目前应用较广泛的电阻反馈法不可避免的引入较大幅值的外界干扰和由自身温度特性引起的温度漂移测量误差。干扰的引入使得介损角测量结果误差增大，因而影响了电介质绝缘诊断效果。本实用新型可以弥补当前应用的不足之处，可提高电流波形测量的线性度和准确度。
附图说明
图1为本实用新型的模块连接结构示意图；
图2为本实用新型的电路连接示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例的附图1，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本实用新型的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
实施例一
一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器，包括对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元，所述对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元依次相连。
所述对数运算单元包括超低偏置电流的放大器和负反馈元件，所述线性光耦单元包括线性光耦芯片、负反馈电路，所述指数运算单元包括高速运算放大器和光敏二极管。
实施例二
一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器，包括对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元，所述对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元依次相连。
所述对数运算单元包括超低偏置电流的放大器和负反馈元件，所述线性光耦单元包括线性光耦芯片、负反馈电路，所述指数运算单元包括高速运算放大器和光敏二极管。
所述超低偏置电流的放大器为OPA128。
实施例三
一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器，包括对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元，所述对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元依次相连。
所述对数运算单元包括超低偏置电流的放大器和负反馈元件，所述线性光耦单元包括线性光耦芯片、负反馈电路，所述指数运算单元包括高速运算放大器和光敏二极管。
所述超低偏置电流的放大器为OPA128。
所述线性光耦芯片型号为HCNR201。
实施例四
一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器，包括对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元，所述对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元依次相连。
所述对数运算单元包括超低偏置电流的放大器和负反馈元件，所述线性光耦单元包括线性光耦芯片、负反馈电路，所述指数运算单元包括高速运算放大器和光敏二极管。
所述超低偏置电流的放大器为OPA128。
所述线性光耦芯片型号为HCNR201。
所述高速运算放大器采用OP37。
所述信号二次放大模块型号为OP37。
本实用新型可以测量pA级微弱电流，且大幅降低辐射干扰；具有0.001至10kHz的信号带宽，且具有较低波形畸变率，输出波形的总失真度低于0.1％；
由于反馈元件为二极管，微电流测量反馈电路基本受外界温度干扰较低。
在对数运算单元中，由运算放大器U1和光耦的发光二极管构成对数运算电路，其中运算放大器U1具有较低的输入偏置电流，U1负责实现电流到电压的转换功能。电流-电压波形经过光耦发出后，同时光耦的接收端可以引入负反馈环节，可以实现输入信号的线性度补偿。电流-电压波形经光耦的输出端后，由光耦和输出放大器U3实现指数运算。将之前对数变换后的电压信号经指数变换后恢复为原始信号。
在微电流测量电路中，电流信号经电介质C1后送入测量电路U1中，TVS管D2的目的是为了保证测量电压在一定的安全范围。电流流经U1和光耦的发光二极管构成的对数运算电路后，电流信号变成电压信号，且电压信号与原始信号成对数关系。
线性光耦的补偿二极管同时反馈到前端，以提高电压波形的线性度。线性光耦的光敏二极管输出电压信号，同时输出的光敏二极管与输出运算放大器U3构成指数运算放大器，将电压信号又处理为与原始电流信号比例一致的信号。输出的电压信号又经二次放大器U4进行二次电压放大。从而得到了与原始电流信号对应的电压信号。电流转换过程避免了大阻值电阻的使用，因而整个测量电路具有较高的抗干扰能力。
以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器，其特征在于：一种基于线性光耦的变频介损微电流放大器，包括对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元，所述对数运算单元、线性光耦单元、指数运算单元、信号二次放大单元依次相连。
2.如权利要求1所述的基于线性光耦的变频介损微电流放大器，其特征在于：所述对数运算单元包括超低偏置电流的放大器和负反馈元件。
3.如权利要求2所述的基于线性光耦的变频介损微电流放大器，其特征在于：所述指数运算单元包括高速运算放大器和光敏二极管。
4.如权利要求3所述的基于线性光耦的变频介损微电流放大器，其特征在于：所述线性光耦单元包括线性光耦芯片、负反馈电路。
5.如权利要求4所述的基于线性光耦的变频介损微电流放大器，其特征在于：所述超低偏置电流的放大器为OPA128。
6.如权利要求5所述的基于线性光耦的变频介损微电流放大器，其特征在于：所述线性光耦芯片型号为HCNR201。
7.如权利要求6所述的基于线性光耦的变频介损微电流放大器，其特征在于：所述高速运算放大器采用OP37。
8.如权利要求7所述的基于线性光耦的变频介损微电流放大器，其特征在于：所述信号二次放大模块型号为OP37。
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