banner.jpg)
相關(guān)專題：
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。
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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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。
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�；另一部分是光源，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。
