一種基于RMS和V－F轉(zhuǎn)換的遠(yuǎn)程傳輸A／D采集電路的實(shí)現(xiàn)＊

邊 鋼 王 衡 譚 巍 李 縱

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

無(wú)線通信領(lǐng)域內(nèi)的大功率信號(hào)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(duì)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(cè)是必要的。

但是，功率放大電路中交流信號(hào)含有非標(biāo)準(zhǔn)的正弦及不同階次的諧波信號(hào)，同時(shí)，采樣后的電信號(hào)傳輸線路處于強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，從而導(dǎo)致電信號(hào)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(hào)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(duì)含有不同階次的諧波信號(hào)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(hào)，信號(hào)通過(guò)光發(fā)送器發(fā)送至光纖介質(zhì)，光纖將信號(hào)傳輸?shù)焦庑盘?hào)接收器[2]，然后通過(guò)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(hào)經(jīng)光電隔離電路輸出[3]，光纖兩端沒(méi)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(hào)采集與傳輸。

3 電路的實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)射模塊

來(lái)自發(fā)射模塊外部的非標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號(hào)及含有不同階次的諧波信號(hào)接入磁電隔離接口電路輸入端，模擬信號(hào)耦合輸出至有源低通濾波器，將其信號(hào)中的突發(fā)脈沖和干擾濾除，經(jīng)運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)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?hào)給真有效值（RMS）轉(zhuǎn)換電路接口[4]。

圖2 信號(hào)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(kāi)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(hào)經(jīng)由AD652為核心器件構(gòu)成的電路單元，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為幅度穩(wěn)定的頻率信號(hào)，然后經(jīng)邏輯電平驅(qū)動(dòng)芯片DS75451和光信號(hào)發(fā)送器件構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換電路（E／O）輸出，輸出信號(hào)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(hào)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)減少外部電磁雜波對(duì)傳輸線路的干擾，這里使用光脈沖信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)發(fā)射器件型號(hào)為HFBR－1528，光信號(hào)接收器件型號(hào)為HFBR－2528；如果要實(shí)現(xiàn)傳輸距離超過(guò)1km，傳輸光纖無(wú)需加載能量進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，參考選擇型號(hào)為HFBR－1414的光信號(hào)發(fā)射器件，光纖規(guī)格為200μm的硬包層石英（HCS）光纖，光信號(hào)接收器件型號(hào)為HFBR－2412。

工程應(yīng)用中，根據(jù)實(shí)際需求，對(duì)應(yīng)選擇上述的搭配，可以實(shí)現(xiàn)不同距離的信號(hào)傳輸；同時(shí)，滿足工程對(duì)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(hào)接收器（HFBR－1414）接口；信號(hào)經(jīng)接口電路輸入到接收模塊，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(hào)復(fù)原為電壓幅值信號(hào)，即還原了發(fā)送模塊的信號(hào)調(diào)理電路輸出的電壓幅值信號(hào)；然后，電路再次對(duì)信號(hào)調(diào)理，經(jīng)線性光耦芯片HCNR200輸出，提供給測(cè)量與控制系統(tǒng)的相應(yīng)接口電路。

圖3 信號(hào)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(hào)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(guò)運(yùn)算放大器的緩沖隔離，輸入到AD637的信號(hào)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(jí)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(cè)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(hào)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(hào)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(yǔ)

本文闡述的基于真有效值、光纖傳輸與光信號(hào)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(cè)量與控制系統(tǒng)中小信號(hào)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(guò)工程實(shí)踐的驗(yàn)證，滿足了實(shí)際應(yīng)用需求。

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