一种衰减器及差分电压探头的制作方法

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种衰减器及差分电压探头。

背景技术：

差分电压探头是一种用于测量高压浮地电压的探头装置，广泛应用于电力电子领域。

数百伏特的待测高压电压从差分电压探头的正极和负极输入，经过差分电压探头内部的衰减器后输出。为满足待测信号的频率范围可覆盖dc到200m，现有的差分电压探头内部分别在正向信号衰减支路和负向信号衰减支路配置了相互对称的衰减器，并使衰减器的幅度频率特征在较宽的频率范围内保持平坦且对称。相互对称的衰减器通过设置可调电容来调节不同频段的频率特性。然而，现有的可调电容的容量容易受到温度、湿度和机械振动的影响，稳定性欠佳，长时间使用后会导致衰减器的频率特性发生变化，进而使差分电压探头的输出信号发生失真，降低了差分电压探头的测量准确性。

技术实现要素：

本发明提供一种衰减器及差分电压探头，以解决现有技术使用可调电容调节幅度频率特性时衰减器的稳定性欠佳、差分电压探头的测量结果失真的问题。

本发明是这样实现的，一种衰减器，所述衰减器包括相互对称的正向衰减电路和负向衰减电路、相互对称的第一补偿单元和第三补偿单元、相互对称的第二补偿单元和第四补偿单元、差分放大器；

所述正向衰减电路的第一端与待测信号的正极连接，第二端与所述差分放大器的正相输入端连接，第三端与所述第一补偿单元的第一端连接，第四端与所述第二补偿单元的第一端连接；

所述负向衰减电路的第一端与待测信号的负极连接，第二端与所述差分放大器的反相输入端连接，第三端与所述第三补偿单元的第一端连接，第四端与所述第四补偿单元的第一端连接；

所述正向衰减电路的第五端与所述负向衰减电路的第五端共接于浮地输出；

所述第一补偿单元、第二补偿单元、第三补偿单元和第四补偿单元的第二端分别接浮地输出；

所述正向衰减电路用于对正向待测信号进行衰减处理，并通过所述第一补偿单元和第二补偿单元调整预设频点的频率特性；

所述负向衰减电路用于对负向待测信号进行衰减处理，并通过所述第三补偿单元和第四补偿单元调整预设频点的频率特性；

所述差分放大器用于接收经所述正向衰减电路衰减处理后的正向待测信号和经所述负向衰减电路衰减处理后的负向待测信号，按预设增益对衰减处理后的正向待测信号和负向待测信号之间的差值进行放大处理及输出。

可选地，所述正向衰减电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容；

所述第一电阻与所述第一电容的第一并联端与待测信号的正极连接，所述第一电阻与所述第一电容的第二并联端与所述第一补偿单元的第一端、所述第二电阻的第一端连接；

所述第二电阻的第二端与所述第三电阻的第一端之间的共接点与所述第二补偿单元的第一端、所述差分放大器的正相输入端连接；

所述第三电阻的第二端连接浮地输出。

可选地，所述负向衰减电路包括第四电阻、第五电阻、第六电阻、第二电容；

所述第四电阻与所述第二电容的第一并联端与待测信号的负极连接，所述第四电阻与所述第二电容的第二并联端与所述第三补偿单元的第一端、所述第五电阻的第一端连接；

所述第五电阻的第二端与所述第六电阻的第一端之间的共接点与所述第四补偿单元的第一端、所述差分放大器的反相输入端连接；

所述第六电阻的第二端连接浮地输出。

可选地，所述第一补偿单元/第三补偿单元包括：

第一补偿电阻；

至少k个相互并联的定值电容单元，所述定值电容单元的第一并联端与所述第一补偿电阻连接，第二并联端连接浮地输出，每个所述定值电容单元包括相互串联的一个开关和一个定值电容；

每一所述定值电容的容量与一个二进制位的位值对应；

其中，k为正整数。

可选地，所述第二补偿单元/第四补偿单元包括：

第二补偿电阻；

至少k个相互并联的定值电容单元，所述定值电容单元的第一并联端与所述第二补偿电阻连接，第二并联端连接浮地输出，每个所述定值电容单元包括相互串联的一个开关和一个定值电容；

每一所述定值电容的容量与一个二进制位的位值对应；

其中，k为正整数。

可选地，每一个定值电容单元中的定值电容的容量为：p*2^(k-1)；

其中，p表示最低容量，k表示所述定值电容单元对应的二进制位，k＝1、2、……、k。

可选地，所述开关为二进制编码器中的机械开关；

所述衰减器还包括至少一个二进制编码器。

可选地，所述二进制编码器为8421旋转编码器。

可选地，所述开关为电控开关；

所述衰减器还包括一控制器；

所述电控开关的控制端与所述控制器连接；

所述控制器被配置为输出二进制信号控制所述电控开关的通断。

可选地，所述定值电容为陶瓷电容。

本发明还提供了一种差分电压探头，所述差分电压探头包括如上所述的衰减器。

本发明提供的一种衰减器，包括相互对称的正向衰减电路和负向衰减电路、相互对称的第一补偿单元和第三补偿单元、相互对称的第二补偿单元和第四补偿单元、差分放大器；所述第一补偿单元、第二补偿单元、第三补偿单元和第四补偿单元均为由定值电容构成的可调电容单元；正向待测信号通过所述正向衰减电路进行衰减处理，并通过所述第一补偿单元和第二补偿单元调整预设频点的频率特性；负向待测信号通过所述负向衰减电路进行衰减处理，并通过所述第三补偿单元和第四补偿单元调整预设频点的频率特性；最后经过所述差分放大器计算差值并进行放大后输出。本发明实施例通过由定值电容构成的补偿单元来替换现有的可调电容，既实现了可调电容的调节范围，又解决了可调电容易受外界影响的缺点，有效地解决了现有技术使用可调电容调节幅度频率特性时衰减器的稳定性欠佳、差分电压探头的测量结果失真的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的衰减器的电路结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的衰减器的电路结构示意图；

图3是本发明另一实施例提供的衰减器的电路结构示意图；

图4是本发明另一实施例提供的衰减器的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种衰减器，包括相互对称的正向衰减电路和负向衰减电路、相互对称的第一补偿单元和第三补偿单元、相互对称的第二补偿单元和第四补偿单元、差分放大器；所述第一补偿单元、第二补偿单元、第三补偿单元和第四补偿单元均为由定值电容构成的可调电容单元；正向待测信号通过所述正向衰减电路进行衰减处理，并通过所述第一补偿单元和第二补偿单元调整预设频点的频率特性；负向待测信号通过所述负向衰减电路进行衰减处理，并通过所述第三补偿单元和第四补偿单元调整预设频点的频率特性；最后经过所述差分放大器计算差值并进行放大后输出。本发明实施例通过由定值电容构成的补偿单元来替换现有的可调电容，既实现了可调电容的调节范围，又解决了可调电容易受外界影响的缺点，有效地解决了现有技术使用可调电容调节幅度频率特性时衰减器的稳定性欠佳、差分电压探头的测量结果失真的问题。

图1示出了本发明实施例提供的衰减器的电路结构示意图。如图1所示，所述衰减器包括相互对称的正向衰减电路10和负向衰减电路20、相互对称的第一补偿单元30和第三补偿单元50、相互对称的第二补偿单元40和第四补偿单元60、差分放大器70；

所述正向衰减电路10的第一端与待测信号的正极连接，第二端与所述差分放大器70的正相输入端连接，第三端与所述第一补偿单元30的第一端连接，第四端与所述第二补偿单元40的第一端连接；

所述负向衰减电路20的第一端与待测信号的负极连接，第二端与所述差分放大器70的反相输入端连接，第三端与所述第三补偿单元50的第一端连接，第四端与所述第四补偿单元60的第一端连接

所述正向衰减电路10的第五端与所述负向衰减电路20的第五端共接于浮地输出；

所述第一补偿单元30、第二补偿单元40、第三补偿单元50和第四补偿单元60的第二端分别接浮地输出；

所述正向衰减电路10用于对正向待测信号进行衰减处理，并通过所述第一补偿单元30和第二补偿单元40调整预设频点的频率特性；

所述负向衰减电路20用于对负向待测信号进行衰减处理，并通过所述第三补偿单元50和第四补偿单元60调整预设频点的频率特性；

所述差分放大器70用于接收经所述正向衰减电路10衰减处理后的正向待测信号和经所述负向衰减电路20衰减处理后的负向待测信号，按预设增益对衰减处理后的正向待测信号和负向待测信号之间的差值进行放大处理及输出。

在本实施例中，所述正向衰减电路10和负向衰减电路20为相互对称、结构相同的两个信号衰减支路。其中所述正向衰减电路10从待测信号的正极v+接收正向待测信号，对所述正向待测信号进行衰减处理后发送至所述差分放大器70的正相输入端；所述负向衰减电路20从待测信号的负极v-接收负向待测信号，对所述负向待测信号进行衰减处理后发送至所述差分放大器70的反相输入端。所述差分放大器70的输出端连接浮地输出，从所述正向衰减电路10接收衰减处理后的正向待测信号和从所述负向衰减电路20接收衰减处理后的负向待测信号，计算两者的差值，按预设增益对所述差值进行放大处理，然后输出。

进一步地，本实施例中的所述正向衰减电路10还通过其支路上的所述第一补偿单元30和第二补偿单元40来调整预设频点的频率特性，所述负向衰减电路20还通过其支路上的所述第三补偿单元50和第四补偿单元60来调整预设频点的频率特性。在这里，所述第一补偿单元30、第二补偿单元40、第三补偿单元50和第四补偿单元60均为由定值电容构成的可调电容单元，可在预设电容量范围内调节可调电容单元的电容量，以模仿现有技术中的可调电容，调整正向衰减电路10和负向衰减电路20在预设频点的频率特性；且由于所述第一补偿单元30、第二补偿单元40、第三补偿单元50和第四补偿单元60采用的是定值电容，定值电容是指电容量预先已设定的电容，因此本实施例在实现频率特征调节的基础上，也避免了可调电容易受外界温度、速度和机械振动的影响，提高了所述正向衰减电路10和负向衰减电路20的稳定性，减少了差分电压探头的测量误差，有效地解决了现有技术使用可调电容调节幅度频率特性时衰减器的稳定性欠佳、差分电压探头的测量结果失真的问题。

可选地，作为本发明的一个优选示例，如图2所示，所述正向衰减电路10包括：

第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第一电容c1；

所述第一电阻r1与所述第一电容c1的第一并联端与待测信号的正极连接，所述第一电阻r1与所述第一电容c1的第二并联端与所述第一补偿单元30的第一端、所述第二电阻r2的第一端连接；

所述第二电阻r2的第二端与所述第三电阻r3的第一端之间的共接点与所述第二补偿单元40的第一端、所述差分放大器70的正相输入端连接；

所述第三电阻r3的第二端连接浮地输出。

所述负向衰减电路20包括：

第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第二电容c2；

所述第四电阻r4与所述第二电容c2的第一并联端与待测信号的负极连接，所述第四电阻r4与所述第二电容c2的第二并联端与所述第三补偿单元50的第一端、所述第五电阻r5的第一端连接；

所述第五电阻r5的第二端与所述第六电阻r6的第一端之间的共接点与所述第四补偿单元60的第一端、所述差分放大器70的反相输入端连接；

所述第六电阻r6的第二端连接浮地输出。

在所述正向衰减电路10中，所述第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3构成正向待测信号的分压网络，用于对正向待测信号进行衰减处理。所述第一电容c1构成高频补偿电容，用于对正向待测信号进行高频补偿，以提高正向待测信号中的高频成分的质量。所述正向衰减电路10上的第一补偿单元30构成第一预设频点的补偿电容，用于调整正向待测信号在所述第一预设频点的频率特性；所述正向衰减电路10上的第二补偿单元40构成第二预设频点的补偿电容，用于调整负向待测信号在所述第二预设频点的频率特性。

由于所述负向衰减电路20与所述正向衰减电路10相互对称，因此与正向衰减电路10相似，在所述负向衰减电路20中，所述第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6构成负向待测信号的分压网络，用于对负向待测信号进行衰减处理。所述第二电容c2构成高频补偿电容，用于对负向待测信号进行高频补偿，以提高负向待测信号中的高频成分的质量。所述负向衰减电路20上的第三补偿单元50构成第一预设频点的补偿电容，用于调整负向待测信号在所述第一预设频点的频率特性，所述负向衰减电路20上的第四补偿单元60构成第二预设频点的补偿电容，用于调整负向待测信号在所述第二预设频点的频率特性。

可选地，作为本发明的一个优选示例，所述第一预设频点可以为1mhz，所述第二预设频点可以为100khz。

如前所述，所述正向衰减电路10的第一补偿单元30与所述负向衰减电路20的第三补偿单元50互为对称，结构相同，均包括：第一补偿电阻；至少k个相互并联的定值电容单元，所述定值电容单元的第一并联端与所述第一补偿电阻连接，第二并联端连接浮地输出，每个所述定值电容单元包括相互串联的一个开关和一个定值电容；每一所述定值电容的容量与一个二进制位的位值对应；其中，k为正整数。

在这里，本实施例结合所述定值电容以及所述开关来构建所述第一补偿单元30和第三补偿单元50的电容量范围。其中，每一个定值电容单元表示一个二进制位，所述开关的通断表示二进制位的0和1，所述定值电容的容量表示二进制位的位值，其容量由其表示的二进制位决定。因此，所述定值电容单元中的定值电容的容量互不相同；每一个定值电容单元中的定值电容的容量为：p*2^(k-1)；其中，p表示最低容量，k表示所述定值电容单元对应的二进制位，k＝1、2、……、k。作为本发明的一个优选示例，所述定值电容优选为具有高稳定度的陶瓷电容，比如cog材料的陶瓷电容，以提高所述第一补偿单元和第三补偿单元的稳定性。

可选地，根据控制方式，所述开关可以为二进制编码器中的一个机械开关。此时，所述正向衰减电路10上的第一补偿单元30与所述负向衰减电路20上的第三补偿单元50至少还包括一个二进制编码器。通过所述二进制编码器中的机械开关，控制所述定值电容单元的选通与否，实现在预设电容量范围内的调节功能。作为本发明的一个优选示例，所述二进制编码器可以为旋转编码器，比如8421旋转编码器，用户通过旋转开关来改变所述第一补偿单元或第三补偿单元的电容量，实现和现有技术中可调电容一样的调节方式和体验。

可选地，所述开关也可以为电控开关，所述衰减器还包括一控制器，所述电控开关的控制端与控制器连接；所述控制器被配置为输出二进制信号控制所述电控开关的通断。在这里，所述电控开关包括但不限于继电器、晶体管、模拟开关。所述控制器可以为所述差分电压探头内部的一个单片机。在一种实施方式中，所述单片机通过通讯接口连接到计算机设备，计算机设备上安装有预设软件。用户可操作所述预设软件产生二进制信号，使得所述单片机接收所述二进制信号，根据所述二进制信号使所述电控开关接通或断开，从而调节所述第一补偿单元或第三补偿单元的电容量，实现对正向衰减电路或负向衰减电路调节第一预设频点上的频率特性。在另一种实施方式中，所述单片机自带一键盘，用户通过操作所述键盘产生二进制信号，使得所述单片机接根据所述二进制信号使所述电控开关接通或断开，从而调节所述第一补偿单元和第三补偿单元的电容量，实现对正向衰减电路或负向衰减电路调节第一预设频点上的频率特性。

所述正向衰减电路10的第二补偿单元40与所述负向衰减电路20的第四补偿单元60互为对称，且结构相同，均包括：第二补偿电阻；至少k个相互并联的定值电容单元，所述定值电容单元的第一并联端与所述第二补偿电阻连接，第二并联端连接浮地输出，每个所述定值电容单元包括相互串联的一个开关和一个定值电容；每一所述定值电容的容量与一个二进制位的位值对应；其中，k为正整数。在这里，所述开关的结构和功能、所述定值电容的容量定义，与上述第一补偿单元30和第三补偿单元50相同，具体请参见上述实施例的叙述，此处不再赘述。应当注意的是，上述第一补偿单元30和第三补偿单元50中的第一补偿电阻与第三补偿单元40和第三补偿单元60中的第二补偿电阻是不相同的。

为了便于理解，以下给出本发明的一个具体示例。如图3所示，在本实施例中，所述正向衰减电路10上的第一补偿单元30包括一个第一补偿电阻r7，4个相互并联的定值电容c101、c102、c103、c104，以及一个4位的二进制编码器e1，比如8421旋转编码器。其中的定值电容c101、c102、c103、c104分别与二进制编码器e1中的机械开关k101、k102、k103、k104构成一个定值电容单元。

所述正向衰减电路10上的第二补偿单元40包括一个第二补偿电阻r8，4个相互并联的定值电容c201、c202、c203、c204，以及一个4位的二进制编码器e2，比如8421旋转编码器。其中的定值电容c201、c202、c203、c204分别与二进制编码器e2中的机械开关k201、k202、k203、k204构成一个定值电容单元。

所述负向衰减电路20上的第三补偿单元50包括一个第一补偿电阻r9，4个相互并联的定值电容c301、c302、c303、c304，以及一个4位的二进制编码器e3，比如8421旋转编码器。其中的定值电容c301、c302、c303、c304分别与二进制编码器e3中的机械开关k301、k302、k303、k304构成一个定值电容单元。

所述负向衰减电路20中的第四补偿单元60包括一个第二补偿电阻r10，4个相互并联的定值电容c401、c402、c403、c404，以及一个4位的二进制编码器e4，比如8421旋转编码器。其中的定值电容c401、c402、c403、c404分别与二进制编码器e4中的机械开关k401、k402、k403、k404构成一个定值电容单元。

其中，所述正向衰减电路10上的第一补偿单元30与所述负向衰减电路20上的第三补偿单元50相互对称，结构相同，各元器件的属性相同；所述正向衰减电路10中的第二补偿单元40与所述负向衰减电路20上的第四补偿单元60相互对称，结构相同，各元器件的属性相同。

以所述正向衰减电路10上的第一补偿单元30为例，当4个相互并联的定值电容c101、c102、c103、c104的容量分别为1pf、2pf、4pf、8pf时，结合所述8421旋转编码器，可以得到所述第一补偿单元11的预设电容量范围为0到15pf，分辨率为1pf。当4个相互并联的定值电容c101、c102、c103、c104的容量分别为2pf、4pf、8pf、16pf时，结合所述8421旋转编码器，可以得到所述第一补偿单元11的预设电容量范围为0到30pf，分辨率为2pf。所述第二补偿单元40、第三补偿单元50、第四补偿单元60中的预设电容量范围原理相同，此处不再赘述。

在此基础上，若需要扩展第一补偿单元30、第二补偿单元40、第三补偿单元50、第四补偿单元60的预设电容量范围，可以分别再并联一个或多个定值电容单元。所述定值电容单元中的定值电容的容量由所述定值电容单元表示的二进制的位值决定，开关可以采用单刀单掷开关、也可以采用另一个8421旋转编码器中的最低位上的机械开关。

示例性地，在图3中，第一补偿单元30的4个相互并联的定值电容c101、c102、c103、c104的容量分别为1pf、2pf、4pf、8pf，其预设电容范围为从0到15pf，若需要扩展预设电容量范围为0到30pf时，可以再并联一个定值电容c105和开关k105构成的定值电容单元，如图4所示。其中，所述定值电容c105表示二进制的第5个二进制位，容量为p*2^(k-1)＝1*2⁽⁵-1)＝16pf，所述开关k105可以采用单刀单掷开关，也可以采用另一个8421旋转编码器中的最低位上的机械开关。所述第三补偿单元50也需同步再并联一个定值电容c305和开关k305，以与所述第一补偿单元30相互对称。如需要调整第二补偿单元40、第四补偿单元60中的预设电容量范围，其原理同上，此处不再赘述。

综上所述，本发明提供的一种衰减器，包括相互对称的正向衰减电路和负向衰减电路、相互对称的第一补偿单元和第三补偿单元、相互对称的第二补偿单元和第四补偿单元、差分放大器；所述第一补偿单元、第二补偿单元、第三补偿单元和第四补偿单元均为由定值电容构成的可调电容单元，且所述正向待测信号通过所述正向衰减电路进行衰减处理，并通过所述第一补偿单元和第二补偿单元调整预设频点的频率特性；负向待测信号通过所述负向衰减电路进行衰减处理，并通过所述第三补偿单元和第四补偿单元调整预设频点的频率特性；最后经过所述差分放大器计算差值并进行放大后输出。本发明实施例通过由定值电容构成的补偿单元来替换现有的可调电容，既实现了可调电容的调节范围，又解决了可调电容易受外界影响的缺点，有效地解决了现有技术使用可调电容调节幅度频率特性时衰减器的稳定性欠佳、差分电压探头的测量结果失真的问题。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。