邊 鋼 王 衡 譚 巍 李 縱

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

無線通信領(lǐng)域內(nèi)的大功率信號發(fā)射系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，為了有效控制功率放大電路的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，對某些關(guān)鍵電路節(jié)點(diǎn)的電能參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測是必要的。

但是，功率放大電路中交流信號含有非標(biāo)準(zhǔn)的正弦及不同階次的諧波信號，同時(shí)，采樣后的電信號傳輸線路處于強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場環(huán)境，從而導(dǎo)致電信號產(chǎn)生畸變，尋求一種具有真有效值（RMS）與抗干擾特性[1]，而且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪M信號采樣電路，具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 概述

圖1 采樣、發(fā)送及接收電路原理

本文提出了基于真有效值的A／D采樣、V／F和F／V轉(zhuǎn)換、光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)設(shè)計(jì)的硬件電路的實(shí)現(xiàn)方法是：對含有不同階次的諧波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)A／D采樣，得到真有效值（RMS）電壓幅值后，正比例轉(zhuǎn)換為頻率（V／F）信號，信號通過光發(fā)送器發(fā)送至光纖介質(zhì)，光纖將信號傳輸?shù)焦庑盘柦邮掌鱗2]，然后通過頻率轉(zhuǎn)電壓（F／V）轉(zhuǎn)換電路，將轉(zhuǎn)換得到的電壓幅值信號經(jīng)光電隔離電路輸出[3]，光纖兩端沒有直接的電路鏈接，實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程A／D模擬信號采集與傳輸。

3 電路的實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)射模塊

來自發(fā)射模塊外部的非標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號及含有不同階次的諧波信號接入磁電隔離接口電路輸入端，模擬信號耦合輸出至有源低通濾波器，將其信號中的突發(fā)脈沖和干擾濾除，經(jīng)運(yùn)算放大器對信號進(jìn)行適當(dāng)放大或者衰減，輸出波形光滑、幅值適當(dāng)?shù)男盘柦o真有效值（RMS）轉(zhuǎn)換電路接口[4]。

圖2 信號采集轉(zhuǎn)換及發(fā)射電路

RMS轉(zhuǎn)換電路基于AD637真有效值A(chǔ)C／DC轉(zhuǎn)換芯片組成[5]，以“平方→求平均值→開平方”方式進(jìn)行真有效值A(chǔ)／D轉(zhuǎn)換[6～7]，轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)由AD652為核心器件構(gòu)成的電路單元，將電壓信號轉(zhuǎn)換為幅度穩(wěn)定的頻率信號，然后經(jīng)邏輯電平驅(qū)動(dòng)芯片DS75451和光信號發(fā)送器件構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換電路（E／O）輸出，輸出信號傳送到光纖介質(zhì)。

3.2 傳輸介質(zhì)

為了將發(fā)射模塊電路轉(zhuǎn)換能得到的信號實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)減少外部電磁雜波對傳輸線路的干擾，這里使用光脈沖信號傳輸，介質(zhì)為光纖。

選擇光纖作為傳輸介質(zhì)，可以增強(qiáng)信號遠(yuǎn)距離傳輸?shù)目闺姶鸥蓴_性能和抗輻射能力，光纖規(guī)格的選擇，依據(jù)信號傳輸?shù)木嚯x確定；選用不同材質(zhì)的光纖，并配合選擇不同規(guī)格的光信號發(fā)送器件和接收器件。

其中，選用規(guī)格為1mm的塑料光纖傳輸有效距離小于50m，參考選擇的光信號發(fā)射器件型號為HFBR－1528，光信號接收器件型號為HFBR－2528；如果要實(shí)現(xiàn)傳輸距離超過1km，傳輸光纖無需加載能量進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，參考選擇型號為HFBR－1414的光信號發(fā)射器件，光纖規(guī)格為200μm的硬包層石英（HCS）光纖，光信號接收器件型號為HFBR－2412。

工程應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際需求，對應(yīng)選擇上述的搭配，可以實(shí)現(xiàn)不同距離的信號傳輸；同時(shí)，滿足工程對成本的需求。

3.3 接收模塊

光纖的輸出端接入由接收模塊提供的光電轉(zhuǎn)換電路（O／E）模塊的光纖信號接收器（HFBR－1414）接口；信號經(jīng)接口電路輸入到接收模塊，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后輸出至基于 AD652組成的頻率／電壓（F／V）轉(zhuǎn)換電路單元[8]，此模塊按照線性轉(zhuǎn)換原則，將頻率信號復(fù)原為電壓幅值信號，即還原了發(fā)送模塊的信號調(diào)理電路輸出的電壓幅值信號；然后，電路再次對信號調(diào)理，經(jīng)線性光耦芯片HCNR200輸出，提供給測量與控制系統(tǒng)的相應(yīng)接口電路。

圖3 信號接收轉(zhuǎn)換電路

4 電路設(shè)計(jì)

4.1 AD637的輸入與輸出

1）本文依據(jù)AD637芯片的數(shù)據(jù)表，根據(jù)設(shè)計(jì)需求，選擇雙極性信號輸入范圍：－5V～＋5V，以此作為設(shè)計(jì)電路的基本需求，可以適應(yīng)寬電壓A／D采集的量程要求。

輸入電壓Uin經(jīng)過運(yùn)算放大器的緩沖隔離，輸入到AD637的信號輸入腳，同時(shí)給運(yùn)算放大器設(shè)置輸入偏置電壓（1～100mV），提升AD637內(nèi)部緩沖器的靜態(tài)工作點(diǎn)；另外，選擇JEET輸入高速運(yùn)算放大器作為跟隨器，提高輸入阻抗，提高穩(wěn)定性，減少噪聲[9]。

2）在AD637電壓輸出端第9腳設(shè)置兩級有源低通濾波器，一個(gè)是獨(dú)立的低通濾波器，構(gòu)成電容倍增電路，其輸出接另一個(gè)由運(yùn)算放大器組成的低通濾波器，起到提高測量速度、濾除低頻分量，使輸出穩(wěn)定的作用。

3）低通濾波器的輸出端接入低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器形成的可調(diào)比例放大器，提高輸出值準(zhǔn)確度。

4.2 AD652的輸出

為了滿足增益與失調(diào)的校準(zhǔn)需求，基于AD652同步電壓頻率轉(zhuǎn)換的單元電路采用如下方法：調(diào)整滿度時(shí)，用串聯(lián)500Ω的可調(diào)電阻進(jìn)行電阻值微調(diào)，其連接如圖4所示。當(dāng)輸入負(fù)信號時(shí)，串聯(lián)的500Ω電位器接地，6腳作為輸入端；增益的微調(diào)是在輸入信號9V和輸出頻率波形準(zhǔn)確調(diào)整到45%時(shí)鐘頻率下進(jìn)行的；用20KΩ的電位器跨接在2、3腳之間，中間抽頭經(jīng)250KΩ的電阻接到Vcc上，這時(shí)放大器的失調(diào)電壓調(diào)整可以補(bǔ)償?shù)搅鉡12]。

圖4 AD652輸出接口

5 結(jié)語

本文闡述的基于真有效值、光纖傳輸與光信號發(fā)送與接收等技術(shù)設(shè)計(jì)的電路，實(shí)現(xiàn)了電磁干擾強(qiáng)的復(fù)雜測量與控制系統(tǒng)中小信號的采集與遠(yuǎn)程傳輸，同時(shí)滿足真有效值A(chǔ)／D采集與轉(zhuǎn)換，遠(yuǎn)距離傳輸后數(shù)據(jù)不失真、抗電磁干擾等特性，經(jīng)過工程實(shí)踐的驗(yàn)證，滿足了實(shí)際應(yīng)用需求。

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