江文新

(福建省廣播電視傳輸中心102臺，福建 福州350011)

對廣播發(fā)射機(jī)房實(shí)施計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)工程。既要保障發(fā)射機(jī)工作的安全，又要確保發(fā)射機(jī)技術(shù)指標(biāo)不受影響。需要對發(fā)射機(jī)進(jìn)行大量的采樣工作，然后將采樣信息實(shí)時(shí)傳送給前端機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。當(dāng)然傳送的采樣信息必須實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確，否則計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)無法準(zhǔn)確判斷，嚴(yán)重時(shí)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)將產(chǎn)生誤判，甚至導(dǎo)致關(guān)機(jī)，造成意外停播事故。

在采樣的過程中會遇到困難。比如:(1)本臺200 kW脈寬機(jī)，高整電壓為27 kW，懸浮臺對地電壓也高達(dá)27 kW，對懸浮臺上高末電子管簾柵壓信號進(jìn)行采樣，就要求采樣電路具有極高的耐壓性能。(2)一方面前端機(jī)接口電路要求輸入的采樣信號電壓為0～5 V，電壓幅值小，容易受干擾;另一方面，本臺200 kW脈寬發(fā)射機(jī)電路結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)內(nèi)空間有限，發(fā)射機(jī)發(fā)射功率大，高末電子管工作電流大，電子管附近電磁輻射嚴(yán)重，且從采樣點(diǎn)到采樣電路之間是不平衡傳送，也容易受干擾。因此采樣點(diǎn)到采樣電路的信號輸入線越短越好，采樣電路要盡量靠近采樣點(diǎn)安裝。

另外，雖然200 kW脈寬發(fā)射機(jī)的各部分均用紫銅帶連接下地，但紫銅帶較長，發(fā)射機(jī)工作時(shí)，地線的電感、電阻就不可忽略，在地線的不同點(diǎn)之間，干擾電壓有時(shí)會達(dá)到數(shù)伏，如果在設(shè)計(jì)施工中接地方法不正確，就將產(chǎn)生因地線而引起的高頻干擾。這些干擾因素若無法排除，就可能造成干擾信號通過采樣電路竄入前端機(jī)接口電路，干擾計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作，因此采樣電路應(yīng)具有良好的抗干擾性。

對這些有特殊要求的采樣電路，必須根據(jù)實(shí)際情況自行研制。文中研制出了一種耐高壓、抗干擾性能優(yōu)良以及傳輸效率高的光電耦合傳感器，成功地解決了這一難題，在實(shí)際使用過程中，效果良好。

1 光電耦合傳感器

光電耦合傳感器是以光為媒介，從而進(jìn)行電信號傳輸?shù)脑骷?。由于光纜傳輸頻帶寬，光的傳播速度快，因此能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的傳輸;又由于光纜的主要原材料是SiO2，光纜的抗干擾性能和絕緣性能良好，只要一小段光纜，光發(fā)生器和光接收器之間的耐壓就能做到100 kV以上，可滿足采樣電路的耐壓要求。結(jié)構(gòu)上光電耦合傳感器分為光發(fā)生器和光接收器。當(dāng)光發(fā)生器兩端加有電信號時(shí)，光發(fā)生器發(fā)出光線，并通過光纜傳送給光接收器，而光接收器接收光線后，產(chǎn)生相應(yīng)的電流，從輸出端引出，從而實(shí)現(xiàn)“電—光—電”的轉(zhuǎn)化。

光電耦合傳感器的電路分為調(diào)寬脈沖發(fā)生器和信號解調(diào)器兩部分。光發(fā)生器之前的部分為調(diào)寬脈沖發(fā)生器，光接收器之后的部分為信號解調(diào)器。首先將采集到的高末電子管簾柵壓信號通過高頻濾波器，對濾去高頻成份后的高末電子管簾柵壓信號進(jìn)行脈寬調(diào)制，然后再通過光發(fā)生器將調(diào)寬后的高末電子管簾柵壓信號轉(zhuǎn)換為帶有該信息的光信號，光信號通過光纜傳送給信號解調(diào)器，解調(diào)出高末電子管簾柵壓信號，送到前端機(jī)電路板上。這就可以通過光電耦合傳感器，將發(fā)射機(jī)的高頻地與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的信號地隔開，避免了共地造成的干擾。

根據(jù)實(shí)際情況將解調(diào)器、調(diào)制器分別放在兩個屏蔽小盒內(nèi)，屏蔽小盒通過端子板引入電源和信號，同時(shí)輸出信號，并將解調(diào)器置于地電位上，調(diào)制器置于對地高電位上。解調(diào)器和調(diào)制器之間用光纜連接。但調(diào)制脈沖發(fā)生器的電源電路的耐壓問題是一個難點(diǎn)，通常220 V交流電對地是低電位，如果通過220 V交流電經(jīng)變壓器直接供電，那么變壓器初、次級線圈之間與鐵芯之間的耐壓需相對較高。這樣不僅成本高，且在有限的空間內(nèi)安裝也較為困難。研究發(fā)現(xiàn)可充分利用高末電子管的燈絲電壓，再經(jīng)普通變壓器供電，通過選擇合理位置安裝，滿足要求。

圖1 調(diào)寬脈沖發(fā)生器的供電原理圖

電源的輸入端設(shè)有高頻濾波電路，將取自高末電子管的燈絲電壓經(jīng)電源變壓器轉(zhuǎn)變后變?yōu)?5 V左右的交流電壓，通過由L3、L4、C17、C18、C19、C20等組成的高頻濾波電路，濾去高頻成份，防止高頻干擾串入電源電路。然后經(jīng)整流模塊整流，再通過三端固定輸出穩(wěn)壓器7812、7912，輸出正負(fù)12 V的電源。在實(shí)際安裝過程中，需根據(jù)情況，由于200 kW脈寬機(jī)懸浮臺有充足空間，可將電源變壓器、調(diào)制器小盒安裝固定在懸浮臺上。

高末電子管燈絲電源到調(diào)制器電源變壓器的電源線要沿著懸浮臺，并保持與低電位點(diǎn)的距離。通過上述措施，既節(jié)約費(fèi)用、又方便安裝和維護(hù)。從高末電子管簾柵壓電路取出簾柵壓采樣信號，采樣信號經(jīng)過低通濾波器，濾去高頻成份后，送到集成運(yùn)放5534進(jìn)行同相放大。并通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻W1，調(diào)整集成運(yùn)放的放大倍數(shù)。

為提高采樣信號的抗干擾能力，既要保證有較大的采樣信號傳送給前端機(jī)，又要保證采樣信號的幅值在前端機(jī)輸入端口要求的電壓范圍內(nèi)，一般選擇信號電壓為3.5 V左右。

放大后的簾柵壓采樣信號再送入由集成電路5532及R3、R5、R10、C3、C4、C5等元器件組成的伯特沃斯型有源低通濾波器。由于測量的高末電子管簾柵壓是直流信號，有源低通濾波器的截止頻率約為30 Hz，這樣對直流信號的響應(yīng)較快。

圖2 有源低通濾波器

用555定時(shí)器、C12、R17等元器件組成脈沖信號發(fā)生器。產(chǎn)生的脈沖信號的寬度由R17和C12的值決定，時(shí)間常數(shù)T=1.1×R17×C12，調(diào)整R17或C12的值，使脈沖信號的頻率為5 kHz左右，調(diào)整脈沖信號發(fā)生器電路中的電阻R15，使脈沖信號的占空比KT=0.5。隨后將脈沖信號送到由集成電路5532及C11組成的三角波形成電路。

由于脈沖信號的占空比KT=0.5，所以三角波電路形成的為等腰三角形，滿足脈寬調(diào)制電路需求。三角波形成電路是積分電路，C11為積分電容。在理想情況下，輸出電壓是輸入電壓的積分，但由于集成運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓、偏置電流及其漂移的影響，積分電壓會產(chǎn)生誤差，因此選用輸入失調(diào)電壓、輸入偏置電流較小的集成運(yùn)放。另外積分電容值越小，產(chǎn)生誤差越大，三角波線性越差;積分電容值越大，產(chǎn)生誤差越小，三角波線性越好，但輸出三角波信號電壓的幅值較小。又由于三角波信號電壓的幅值決定了光電耦合傳感器的放大倍數(shù)，當(dāng)三角波信號電壓的幅值較小時(shí)，光電耦合傳感器的放大倍數(shù)較大，但抗干擾性能差。因此在滿足幅值的前提下，積分電容值盡量大些。

圖3 脈沖信號發(fā)生器和三角波形成電路原理圖

根據(jù)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的需求，脈沖信號幅值調(diào)整為6 V左右，三角波信號電壓的幅值也調(diào)整為6 V左右，通過調(diào)整可調(diào)電阻W3來實(shí)現(xiàn)。有源低通濾波器輸出的簾柵壓采樣信號送入比較器LM311的同相輸入端，三角波信號經(jīng)隔直電容后送到比較器LM311的反相輸入端，兩個信號進(jìn)行比較。比較器的工作過程:(1)無簾柵壓采樣信號時(shí):三角波信號電壓的幅值＞0 V，比較器輸出低電平;三角波信號電壓的幅值＜0 V，比較器輸出高電平。(2)有簾柵壓采樣信號時(shí):三角波信號電壓的幅值＞簾柵壓采樣信號，比較器輸出低電平;三角波信號電壓的幅值＜簾柵壓采樣信號，比較器輸出高電平。

當(dāng)高末電子管簾柵壓采樣信號大時(shí)，比較器輸出的脈沖信號占空比大，當(dāng)高末電子管簾柵壓采樣信號小時(shí)，比較器輸出的脈沖信號占空比小，從而實(shí)現(xiàn)高末電子管簾柵壓采樣信號對脈沖信號的調(diào)寬。從比較器LM311輸出的調(diào)寬脈沖信號送到光發(fā)生器DS1，光發(fā)生器DS1將其轉(zhuǎn)換為帶有采樣信息的光信號。當(dāng)比較器輸出低電平時(shí)，光發(fā)生器發(fā)光;當(dāng)比較器輸出高電平時(shí)，光發(fā)生器關(guān)閉。這樣光發(fā)生器DS1發(fā)出的光信號就可與調(diào)寬脈沖信號保持同步。

光發(fā)生器DS1發(fā)出的光信號經(jīng)光纜傳送到光接收器DS2。有光時(shí)，光接收器DS2輸出低電平，低電平的電壓值接近穩(wěn)壓管ZD201的電壓值，約為－6.1 V。無光時(shí)，光接收器DS2輸出高電平，高電平的電壓值為穩(wěn)壓管ZD202的電壓值加二極管D201上的電壓值，為6.3 V左右。由此可見，光接收器DS2輸出的信號頻率和寬度與比較器輸出的信號相一致。該信號送到伯特沃斯型有源低通濾波器，低通濾波器的截止頻率為30 Hz。

經(jīng)低通濾波器處理后，調(diào)寬脈沖信號解調(diào)還原為與輸入信號成正比的模擬信號。為使解調(diào)的模擬信號失真度小，光接收器DS2輸出信號的高、低電平的絕對值應(yīng)盡量靠近。但由于受穩(wěn)壓管標(biāo)稱值的限制以及其他因素的影響，光接收器DS2輸出信號的高、低電平的絕對值無法一致，這樣解調(diào)出的模擬信號將會失真。因此解調(diào)后所得的信號需送到零偏校正電路，經(jīng)零偏校正后的信號送入輸出電路。輸出電路由集成電路LF347等元器件組成，跟隨器輸出正值，反向器輸出負(fù)值。

圖4 零偏校正電路和輸出電路的電路原理圖

解調(diào)器輸出電路設(shè)有高頻濾波電路，防止高頻干擾信號反竄入光電耦合傳感器，造成光電耦合傳感器無法正常工作。C14、C15為濾波電容，濾波后的信號通過平衡雙絞線進(jìn)行傳輸。由于200 kW脈寬機(jī)各采樣點(diǎn)分布較為分散，傳輸線普便較長，走向不一致。其信號線與地線長短也不同，采樣信號受高頻干擾嚴(yán)重，因此解調(diào)器輸出采用平衡方式進(jìn)行傳輸。而且平衡雙絞線的屏蔽層與發(fā)射機(jī)房的高頻接地系統(tǒng)相連，這使得采樣信號傳送過程中，干擾信號在平衡雙絞線上的差模值最小，平衡雙絞線對干擾信號起了同相位抵消的作用，而且對高頻電磁波起到較好的屏蔽作用，防止各采樣點(diǎn)之間的相互竄擾。

2 結(jié)束語

通過上述的光電耦合傳感器，就可完成對200 kW脈寬機(jī)高末電子管簾柵壓進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采樣，滿足計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的需求。對上述光電耦合傳感器的某些參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，還可完成對其他電壓、電流信號的取樣。

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