一種基于光纖傳輸?shù)谋O(jiān)測信號處理系統(tǒng)

在高壓監(jiān)測系統(tǒng)中，要把由電流取樣所提取出的高壓側(cè)的模擬電壓信號，傳輸?shù)降蛪簜?cè)顯示，考慮到數(shù)字傳輸具有抗干擾性好以及高低壓側(cè)之間的絕緣要求，采用光纖作為通信的傳輸通道。光纖是由非導(dǎo)電材質(zhì)做成，具有良好的絕緣性能，在電工領(lǐng)域中受到了越來越高的重視，利用光纖傳輸通信可以具有這樣的幾個特點，一是光纖可以作為高低壓側(cè)之間的絕緣介質(zhì)，二是作為高壓側(cè)和低壓側(cè)信號通信的介質(zhì)。而用光纖傳輸必須把電信號轉(zhuǎn)換成光信號，常用的把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的方法有壓頻轉(zhuǎn)換方法和模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法兩種。把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的方法就是數(shù)模轉(zhuǎn)換的方法。通過這個監(jiān)測信號處理系統(tǒng)，可以得到理想的監(jiān)測信號實時波形。

1 模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)宇信號的方法

信號要通過光纖傳輸，必須把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換的方法可以采取多種方法進(jìn)行。下面介紹常用的兩種方法。

1.1 壓頻轉(zhuǎn)換方法

壓頻轉(zhuǎn)換是一種輸出頻率與輸入信號成正比的電路，它是把模擬信號通過V／F變換變換為頻率信號，用這個頻率信號驅(qū)動發(fā)光二極管發(fā)光。它可以以頻率的形式傳輸模擬信號，能通過光電隔離器，光纖鏈路，雙絞線或同軸電纜和無線電鏈路傳輸頻率信號使其不受干擾。由于高低壓側(cè)需要絕緣，決定用光纖傳輸，但壓頻轉(zhuǎn)換的方法當(dāng)用頻率傳輸信號時在光耦合的時候會出現(xiàn)大的線性誤差，影響精度。所以V／F變換的性能會直接影響到精度。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法

由于壓頻轉(zhuǎn)換的方法把模擬信號變成數(shù)字信號具有速度比較慢的缺點，為了提高轉(zhuǎn)換速度通常用模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法。常用的速度比較快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式的A／D轉(zhuǎn)換器。對于A／D轉(zhuǎn)換器的要求如下：

功耗小 由于高壓側(cè)的信號處理板所需要的電源在高壓側(cè)，所以盡量減少電路所需的功耗是一個很重要的問題；

采樣率足夠高 為了保證信號采樣的分辨率，所選用的芯片要有足夠高的分辨率；

信號要能串行輸入 這是因為高壓側(cè)的信號要通過光纖傳輸，為了減少光纖所用的數(shù)量，要減少所用的傳輸通道，所以用有串行輸入口的芯片能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的可靠性；

電壓輸入范圍應(yīng)該是雙極性的 由于信號輸入是雙極性信號，就要求模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的允許輸入信號最好也是雙極性的，這樣可以避免轉(zhuǎn)換時再對輸入信號進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，從而簡化整個電路設(shè)計，同時也能提高整個系統(tǒng)工作的可靠性；

保證系統(tǒng)的分辨率 為了保證整個系統(tǒng)的分辨率應(yīng)該采用高位數(shù)的轉(zhuǎn)換芯片。

綜合以上的性能要求，系統(tǒng)選用了AD7894_10芯片。

AD7894_10可以工作在自動休眠模式和高速采樣模式，高速采樣模式的時序如圖1所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />

在高速采樣模式下，在一個最小持續(xù)時間為40 ns的低電平CONVST的下降沿到來時，開始轉(zhuǎn)換，與此同時，轉(zhuǎn)換指示信號BUSY變成高電平，轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY轉(zhuǎn)為低電平，BUSY的最低持續(xù)時間為5μs，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后BUSY由高變低后緊接著在16個串行時鐘脈沖SCLK的下降沿的作用下，依次輸出16位補碼形式的數(shù)字信號，其中前兩位是數(shù)據(jù)引導(dǎo)位兩個0，后面是14位補碼形式的數(shù)字，在第16個SCLK的下降沿和下一個轉(zhuǎn)換周期開始，也就是下一個CONVST的下降沿到來時的時間間隔要不能少于250 ns。

在這種模式下，當(dāng)CONVST的下降沿到來后開始轉(zhuǎn)換，同時BUSY變高，這時要保證在CONVST的上升沿到來與BUSY的下降沿之間的間隔為最小10 ns，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束就進(jìn)入休眠狀態(tài)，這種狀態(tài)的保持是通過轉(zhuǎn)換結(jié)束后保持CONVST為低電平來實現(xiàn)的在CONVST的上升沿喚醒，在休眠時，當(dāng)CONVST在低電平的時候仍然可以在SCLK的下降沿的作用下輸出16位串行有效數(shù)字。采用高速采樣模式，因此要保證能生成高速采樣模式的時序。

當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，在16個SCLK的下降沿的作用下，依次讀出16位數(shù)字，其中最前面是兩位0，然后是符號位，后面是數(shù)字。理想的編碼如表1所示。

其中，F(xiàn)SR是指輸入電壓范圍，這里對于AD7894_10來說是20 V；

由表1可以看出它的輸出是完全補碼形式的，其中最高位是符號位，0表示是正數(shù)，1表示是負(fù)數(shù)，然后是13位數(shù)字位，一共14位。

500)this.style.width=500;" border="0" />

2 光纖傳輸

經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換后的串行數(shù)字信號由于是在高壓側(cè)處理的，所以要通過一定的方式傳輸?shù)降蛪簜?cè)，進(jìn)行信號數(shù)據(jù)的處理，并進(jìn)而恢復(fù)成模擬信號，綜合考慮到安全和信號傳輸兩個方面的問題，信號傳輸?shù)耐ǖ酪鸬絻蓚€方面的作用。一方面要能順利地把數(shù)字信號從高壓側(cè)傳到低壓側(cè)，實現(xiàn)高低壓側(cè)的高速數(shù)據(jù)通信，另一方面要把高壓側(cè)和低壓側(cè)進(jìn)行絕緣，本論文用光纖作為傳輸通道。

2.1 光纖傳輸鏈路的組成

光纖傳輸鏈路的各個模塊包括光纖傳輸介質(zhì)，光源光檢測器及其相關(guān)的接收機(jī)，還有用來連接光纜，光源和光檢測器的連接器。所在光纖信號傳輸系統(tǒng)一共由三個部分組成，包括發(fā)射驅(qū)動器、光纖和接收驅(qū)動器三個部分。

光發(fā)射器應(yīng)該包括兩部分，一部分是電發(fā)送機(jī)，它把需要傳輸?shù)男盘栕兂呻娦盘枺涣硪徊糠质枪庠?，它把電信號轉(zhuǎn)變成光信號，稱為E／O。

數(shù)字光纖通信系統(tǒng)對光源的線性要求不是太高，其光發(fā)射器件可以使用線性度較好的半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)，也可以使用線性程度較差的半導(dǎo)體激光二極管(LD)。

但是，由于對于標(biāo)準(zhǔn)光纖來說，一般LD的入射光功率在1 mW以上，而LED的入纖光功率只有0.1 mW左右，再加上LD的開關(guān)調(diào)制速度比LED高許多，這使得LD器件適合使用在長距離、大容量的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，LED器件一般使用在中短距離中小容量的光纖通信系統(tǒng)。

一般情況下的光纖通信系統(tǒng)，它的光源驅(qū)動電路和偏置電路應(yīng)該滿足這樣的技術(shù)要求：

(1)當(dāng)溫度變化或者是隨著使用時間的延長而導(dǎo)致光源器件老化的時候，光器件輸出的光脈沖幅度應(yīng)該保持恒定。

(2)為了保證一定的接收靈敏度，光發(fā)射器件的輸出光脈沖的消光比應(yīng)該有EXT≥10。這里的消光比可能有兩種定義方法，第一種方法是定義為光脈沖的“1”、“0”中的幅度之比；第二種定義方法是定義為“1”、“0”的平均功率之比。

(3)為了使光脈沖信號能準(zhǔn)確地重現(xiàn)輸入電脈沖信號，光源加上驅(qū)動電流脈沖后，光源發(fā)射的延遲時間必須小于每位碼元的時間。

(4)光發(fā)射驅(qū)動電路應(yīng)該能對光脈沖張馳振蕩有阻尼作用。

(5)光發(fā)射器件的可靠性要高，壽命要長。

選用的光發(fā)送器件是由奧雷光電有限公司生產(chǎn)的光電收發(fā)一體化模塊ATR-X5XXL中的光發(fā)送部分來完成的。它采用單+5 V供電，輸入輸出是TTL電平，允許輸入的最高低電平是+0.8 V，輸入的最低高電平為+2 V，輸出的最低高電平是+2.4 V，最高低電平是+0.4 V。這個電平范圍是很寬松的，它的封裝采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)9針連接，使用的連接器可以用SC或者是FC，選用數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡咚俾蕿? Mb／s，最長可以傳輸20 km的光收發(fā)一體化模塊。

對于光纖連接器的要求主要有：低耦合損耗、具有互換性、易于裝配、低的環(huán)境敏感性，同時要求它具有較低的成本和可靠的結(jié)構(gòu)，更重要的是它要連接使用方便，可重復(fù)插拔性要好。

ATR-X5XXL光電收發(fā)一體化模塊可以選用SC或者FC連接器，這里選用FC光纖連接器來完成光纖之間的連接，它的插拔性好，連接可靠。本文采用洛陽航空電器廠光通信器件分廠生產(chǎn)的一種光纖連接器，它的插入損耗是0.12 dB，回波損耗是47 dB，直徑是3 mm。

光纖是介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的傳輸介質(zhì)。它的結(jié)構(gòu)是高折射率的纖芯被低折射率的包層所包圍，且要求光以大于臨界角的角度在光纖的芯包界面處發(fā)生全內(nèi)反射。

2.2 光纖的作用和選擇

光纖的主要作用是為光提供一個傳輸通道，它的正確選擇是保證系統(tǒng)長期正常工作的重要保證。當(dāng)以特征角入射的光線軌跡傳播到光纖端面時，光在空氣中呈現(xiàn)的角度是進(jìn)入光纖的光線的最大幾何接收角。用數(shù)值孔徑來表示。通常纖芯和數(shù)值孔徑越大所得到的耦合效率越高，所以要求纖芯和數(shù)值孔徑之間要匹配，否則光纖之間的耦合是很困難的，并會產(chǎn)生附加損耗。選擇光纖的時候要注意，纖芯的數(shù)值孔徑要和跳線的數(shù)值孔徑相匹配。

2.3 所用光纖長度的計算

如圖2為光纖連接示意圖。

500)this.style.width=500;" border="0" />

光纖長度的計算要考慮整個系統(tǒng)的光纖通道的損耗，主要有耦合損耗，也就是插入損耗，光纖的傳輸損耗，和光接收器對驅(qū)動光功率的要求。在我們這個光連接系統(tǒng)中如果傳輸速率超過2 MHz的話，光在其中傳輸就會發(fā)生色散，發(fā)生色散的原因和光源的波長及光纖的長度有關(guān)，在這個系統(tǒng)中，不需要很高的傳輸速率，只有不超過5 kHz的速率，這在傳輸長度不太長的情況下，不超過20 km，色散作用會很小，所以在計算光的傳輸損耗時，可以不考慮這個損耗，只需要考慮計算光的固有損耗(Power Budget)就行了。

通過分析對所使用的光收發(fā)一體化模塊的光學(xué)和電學(xué)特性的分析，可以用式(1)來計算所使用的光纖長度：

500)this.style.width=500;" />

式中：l(max)為可以選擇的最大的光纖長度(m)；PRL，min為光接收器允許的最小光功率(mW)；PT(min)為LED耦合進(jìn)入光纖的最小耦合功率(mW)；OPM為光功率裕度(mW)，應(yīng)該考慮LED老化和供電電壓波動等原因；α(min)為最大光纖損耗(dB／m)。這里允許使用的最長距離為20 km。

同時要考慮接收器的動態(tài)范圍，所謂動態(tài)范圍是指接收器能敏感的最小光功率和接收器所能承受的最大光功率之差分別用PRL，min和PRL，max來表示。其中，光纖在傳輸光的過程中所允許使用的最短距離由PRL，max決定，這個最短距離可用式(2)來表示：

500)this.style.width=500;" />

式中，l(min)為可用的最短光纖長度(m)；PT(max)為發(fā)射管耦合進(jìn)入光纖的最大光功率(mW)；PRL，max為接收管可以承受的最大光功率輸入(mW)；α(min)為光纖的最小衰減系數(shù)(dB／m)；本系統(tǒng)允許使用的最短光纖長度為0.5 m。

3 光接收信號處理

光接收部分由光檢測器，放大器和信號處理電路組成。它把光纖中傳來的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將其放大。它有數(shù)字光接收和模擬光接收兩種模式，選用的光接收器件是ATR-X5XXL光收發(fā)一體化模塊中的接收部分，通過光接收器，可以直接得到一個數(shù)字輸出電壓了。這個數(shù)字輸出電壓也是TTL電平信號。它的高電平的范圍為最低高電平為2.4 V，最大可以達(dá)到電源電壓。低電平的范圍為最高允許的低電平為0.4 V，最低為0 V。

為了再現(xiàn)輸入的模擬信號波形，需要把這個數(shù)字信號通過信號處理變成模擬信號。這個過程是由數(shù)模轉(zhuǎn)換器即D／A轉(zhuǎn)換器來完成的。由于A／D7894_10的十四位輸出是完全補碼形式的，為了簡化電路，同時也防止在操作過程中出現(xiàn)不必要的錯誤，要求所選用的D／A轉(zhuǎn)換器是能以完全補碼串行輸入的。與此同時，它的工作時序和工作速度應(yīng)該和A／D7894_10相匹配。本文采用AD7840作為D／A轉(zhuǎn)換芯片。

AD7840是十六位補碼輸入，電壓輸出方式，滿幅度輸出電壓的范圍為±3 V，雙電源±5 V供電，外接+3 V的參考輸入電壓?？梢怨ぷ髟诖泻筒⑿心Ｊ剑拇凶罡吖ぷ鲿r鐘頻率可允許達(dá)到6 MHz，典型功耗為70 mW，它的邏輯控制方便，能用簡單的數(shù)字電路設(shè)計工作時序。它采用24引腳雙列直插式封裝，使用簡單。

它的方式控制及讀時序如表2所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />

任意輸入數(shù)字量和模擬電壓量之間的關(guān)系計算方法如下式所示：

500)this.style.width=500;" />

其中：-8192≤N≤8191，VREFIN為AD7840的參考輸入，大小為+3 V。

AD7840的最小分辨電壓是1LSB=FS／16 384=6／16384=366μV，其中6表示它的輸出電壓的峰-峰值為6 V，16 384是它的最大的可能輸入編碼。

當(dāng)AD7840的外圍和時序得到了滿足后，它就把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號了。

4 處理結(jié)果及分析

4.1 處理結(jié)果

4.1.1 萬用表測量結(jié)果

把光纖傳來的數(shù)字信號送到它的輸入端，用萬用表測量的結(jié)果如表3所示，最后用雙蹤示波器得到的結(jié)果如圖3所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />

4.1.2 示波器觀察結(jié)果

示波器觀察結(jié)果如圖3所示。

500)this.style.width=500;" border="0" />

4.2 結(jié)果分析

系統(tǒng)分別對信號進(jìn)行數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，采用光信號傳輸，用光纖作為傳輸信號通道。所設(shè)計的系統(tǒng)體積小，重量輕，性能良好，實時性強(qiáng)，可以遠(yuǎn)距離辦公，能實現(xiàn)程序控制，監(jiān)測手段安全可靠。經(jīng)過這樣的處理和傳輸后在一定的速率范圍內(nèi)可以達(dá)到相對準(zhǔn)確的程度，通過示波觀察后發(fā)現(xiàn)信號基本得到了再現(xiàn)。實踐證明這種方法經(jīng)濟(jì)實用，且電壓越高，經(jīng)濟(jì)效益越好。