基于脈沖頻率調制的光電測量傳輸電路的設計

出處：tuwen 發(fā)布于：2007-12-03 14:10:56

　　摘要：本文基于脈沖頻率調制解調原理，設計了光電測量傳輸系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)發(fā)射機、接收機的電路結構和整機系統(tǒng)的幅頻特性。經實驗測試表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和線性度。

　　關鍵詞：脈沖頻率調制；光電測量；發(fā)射電路；接收電路

　　隨著對測量系統(tǒng)提出的要求越來越高。光電測量系統(tǒng)由于具有絕緣性高、抗干擾能力強、高線性度等諸多優(yōu)點，可以消除輸入回路中的干擾信號和雜感信號對輸出回路信號的干擾，實現輸入信號、輸出信號之間的無失真?zhèn)鬏?。從而在高壓測量中有著極為廣泛的應用。

　　本文在脈沖頻率調制(PFM)原理上，研制了一種用壓控振蕩器(VCO)進行直接調頻的電光測量傳輸系統(tǒng)。對該電路進行了實際測試，并給出了該系統(tǒng)的頻率響應特性。

發(fā)射電路的設計
　　本光電測量系統(tǒng)的發(fā)射電路如圖1所示。首先要對輸入信號進行處理，通過對輸入信號進行阻抗變換、放大、調制或數字化后送到光發(fā)射器件。由于頻率調制的方式比其它調制方式有較多的優(yōu)點，例如，抗干擾性強、頻率響應好、線路相對比較簡單等，因而本設計對測量信號進行直接調頻。

　　衰減及偏置電路：將輸入電壓信號衰減和偏置到調頻器的線性區(qū)內，并隔離傳感器輸出阻抗對調頻器的影響。
調頻器：采用VCO直接調頻，其輸出為PFM脈沖序列。

　　其中：，為中心頻率；, 為頻偏；，為調制信號頻率。

　　整形電路：當VCO輸出頻率升高時，VCO的脈沖幅值將減小，由于發(fā)光二極管(LED)發(fā)出的光功率在高頻段比低頻段小，從而將影響系統(tǒng)的線性度。為此，本設計在LED驅動器前加了一個施密特觸發(fā)器整形電路，使正弦波成為頻率相同的脈沖波，從而使LED導通時驅動電流不隨頻率變化，同時使傳輸的信號為脈沖波。
驅動電路：將脈沖信號的功率放大，以驅動LED發(fā)出足夠的光功率。

接收電路的設計

　　接收電路實質上是一個解調電路，是從調頻波中恢復出原調制信號的過程。為了提高解調電路在靈敏度、選擇性等各方面的性能，本設計中采用了超外差式設計。本設計的解調電路由限幅器、時延電路、濾波電路和解調后的放大電路組成。

　　本接收電路中采用脈沖計數式鑒頻器。圖3為脈沖計數式鑒頻器各部分的信號波形，其中微分網絡采用了時延微分電路。調制信號Vi(t)經過施密特觸發(fā)電路，變?yōu)門TL信號V1(t)，然后通過時延微分電路形成脈沖調制波V2(t)。利用低通濾波器，得到所測信號Vo(t)。

　　當輸入信號的瞬時頻率較高時，輸出脈沖數就會密集些，其平均值也就較高，因此低通濾波器的輸出也較高；反之，當輸入瞬時頻率較低時，輸出脈沖數就稀疏些，因此低通濾波器的輸出脈沖平均值也較低?？梢娺@種低通濾波器的輸出是一個與輸入信號的瞬時頻率成比例的信號。

　　其中，為低通濾波器的傳遞函數；A0為V2(t)脈沖串的幅值；?為其持續(xù)時間。由公式(1)(2)可知，該鑒頻器輸出信號與輸入信號的瞬時角頻率呈線性關系，其斜率為。如果低通濾波器不隔直流，則輸出所對應的載頻中會有一直流分量，可用它作為自動頻率微調。
　　
硬件選擇和實驗測試
　　對于傳輸用光電器件，本文采用了Agilent公司的HFBR-14XX和HFBR-24XX型接口電路。發(fā)射電路中的關鍵器件是調頻器的選擇，本文采用了TI公司的VCO 54LS628。它是一種14管腳的集成塊，其電源電壓為5V ，輸入電壓和輸入參考電壓均為0V~5V，高電平輸入電流為-1.2mA，低電平輸出電流為12mA，線性輸出頻率為20MHz，工作溫度為-55℃~125℃。這種VCO在一定的輸入電壓下具有較好的線性工作特性，而且通過改變其外接電容和參考電壓，還可以改變其在一定輸入電壓下的輸出頻率范圍。根據測量的需要，本設計中VCO的外接電容為15pF，參考電壓為4V，參考電壓可以通過在其RNG管腳接一個穩(wěn)壓管來實現，本設計中采用了LM336。圖4是由試驗得出的脈沖頻率調制測量傳輸系統(tǒng)幅頻特性，由該圖可以看出該系統(tǒng)通頻帶平坦、穩(wěn)定性好。

結語
　　本文基于脈沖頻率調制/解調原理，設計了光電測量傳輸系統(tǒng)。實驗測試表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和線性度。較好地解決了直接光強度調制系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，在實際測量應用中，具有廣泛的應用前景。■