CN102082607A - 带偏置电路的高分辨率模拟量光纤转换方法及转换器 - Google Patents
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Abstract
一种带偏置电路的高分辨率模拟量光纤转换方法及转换器，在模拟量转换中设置光纤发送模块电路与光纤接收模块电路，通过电压频率转换芯片将模拟量信号转换为与之相对应的0-500kHz频率的脉冲信号，然后通过光纤传输该脉冲信号；光纤接收模块接收到脉冲信号后，又通过电压频率转换电路将其还原为0-10V电压信号；并在信号转换中电压偏置电路对信号进行调理。所述的光纤发送模块电路工作方式是：输入0-10V电压信号或0-20mA的电流信号进入光纤发送模块电路，首先进入信号调理电路，并加入偏置电压，将模拟信号转换为3V-10V的信号，进入电压频率转换电路，转换成频率为150kHz-500kHz的脉冲信号，并通过光纤发送电路将脉冲信号送出。
Description
技术领域
本发明涉及一种电气部件的信号转换方法及装置，具体说是一种带偏置电路的高分辨率模拟量光纤转换方法及转换器，主要用于大功率的电气设备的信号检测和传输。
背景技术
在工业现场中，大功率电气设备被广泛使用。大功率设备强大的磁场环境要求一种抗干扰能力强，高隔离电压，时间延迟小，传输精度高的检测装置用于现场模拟量信号的检测和传输。信号检测和传输的质量直接影响到对象控制的快速性和准确性，因此，大功率设备特别是高压设备的信号传输是一个非常关键的问题。而光纤作为一种高隔离，抗干扰的传输介质被广泛应用。基于光纤通道的光纤传输技术的发展，不仅克服了传统的微波传输和同轴电缆传输的瓶颈和电磁干扰问题，而其本身也具有许多优点，如，低延时、频带宽、损耗低、传输信息量大、传输距离远、保密性好、温度稳定性高、寿命长等，为光纤在信号传输领域的应用提供了广阔的前景。
在高压、强磁场环境中，如果模拟信号直接通过双绞线来进行传输，强磁场的干扰会对模拟信号的精度产生较大影响；同时，考虑到安全因素，高压侧的信号也不宜被低压侧的设备直接读取，这样在高压侧发生故障时，容易扩大到低压系统。
目前针对模拟量光纤传输的方案比较多，通过初步检索尚未发现有关方面的专利文献报道。只有以下论文是与本技术最近似的方案：
1、《高精度模拟量光纤转换器》采用LM331作为电压频率转换芯片，包括SN75451作为光纤驱动芯片，光纤发送模块HFBR1414T以及光纤接收模块HFBR2412T。
2、《高精度交直流双电平光纤传输器》采用AD652作为电压频率转换芯片，包括SN75451作为光纤驱动芯片，74LS04反相器，有源晶振和光纤发送和接收模块。
3、《一种无线电引信信号传输装置》也是采用LM331作为电压频率转换芯片，主要对无线电引信工作时产生的多普勒信号进行调制和传输。
通过阅读上述论文发现，现有的技术为了达到高精度的传输模拟量的的目的，提出了三种方案技术方案，其中：
方案1采用LM331作为电压频率转换芯片，而电压频率转换作为此次设计的核心模块，必须要有较高的满刻度频率响应和较低的最佳温度稳定性。LM331具有较低的最佳温度稳定性，但其满刻度频率只有100kHz，数字分辨率只能达到12位。
方案2采用AD652作为电压频率转换芯片，它需要用外部时钟来驱动芯片内部的双稳定时电路，虽然AD652的最大满刻度频率可以达到2MHz，但用AD652构成的频率电压转换器（FVC）要求输入的频率信号与系统的时钟信号同步，否则的话，因为时序的问题，AD652的内部数字电路有可能捕捉不到输入脉冲的跳变，从而无法完成从频率到电压的转换。这样就需要在芯片外部增加逻辑器件来建立正确的相位关系，其电路结构就会变的复杂。
方案3的电压频率转换芯片也是采用的LM331，其存在的技术缺点与方案1类似。
因此现有技术在模拟量光纤传输方面都存在一些问题，尤其是在实现电位隔离，避免高压对检测和控制设备的损坏，减少信号衰减，防止干扰，提高测量精度等方面，尚无法满足一些场合远距离传输信号的要求，因此需要进一步加以改进。
发明内容
本发明的目的，就是为了克服现有大功率的电气设备的信号检测和控制系统中模拟量光纤传输方法和装置所存在的不足，提出一种大功率电气设备的检测和控制系统中模拟量光纤传输方法及装置具有电位隔离抗干扰强，测量精度高等特点，可以满足一些需要远距离信号传输的工业应用场合，避免了高压对检测和控制设备的损坏，又在最大程度上减少了信号衰减，提高了系统的控制精度和准确性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换方法。在模拟量转换中设置光纤发送模块电路与光纤接收模块电路，通过电压频率转换芯片将模拟量信号转换为与之相对应的0-500kHz频率的脉冲信号，然后通过光纤传输该脉冲信号。光纤接收模块接收到脉冲信号后，又通过电压频率转换电路将其还原为0-10V电压信号。并在信号转换中电压偏置电路对信号进行调理，提高信号的还原频率。
其中，光纤发送模块电路工作方式是：输入0-10V电压信号或0-20mA的电流信号进入光纤发送模块电路，首先进入信号调理电路，并加入偏置电压，将模拟信号转换为3V-10V的信号，进入电压频率转换电路，转换成频率为150kHz-500kHz的脉冲信号，并通过光纤发送电路将脉冲信号送出。
光纤接收模块电路工作方式是：光纤接收模块电路中的光纤接收器接收到频率为150kHz-500kHz的脉冲信号后，通过频率电压转换电路转换成3V-10V的电压信号，通过信号调理电路，并加入偏置电压，将其最终转换成0-10V的模拟量信号送出。
根据上述方法所提出的模拟量光纤转换器是一种带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换器，包括光纤发送模块电路与光纤接收模块电路两部分。其中，所述的光纤发送模块电路包括一个电压频率转换芯片，二个运算放大器，一个光纤驱动芯片，一个光纤发送器和稳压管构成的电压偏置电路。光纤发送模块电路输入的是0-10V电压信号或0-20mA电流信号，0-10V电压信号或0-20mA电流信号首先通过一个第二电阻接入第一运算放大器的“-”端, 第一运算放大器的输出通过一个第五电阻接入第二运算放大器的“-”端；在第一运算放大器的输入与输出端跨接有一第三电阻，第一运算放大器的输出值由第二电阻与第三电阻的比值决定。在第一运算放大器的输出与第五电阻之间接入有由第一稳压管构成的电压偏置电路，第一稳压管构成的电压偏置电路的输出通过第十三电阻加到第一运算放大器的输出端，并通过第五电阻进入第二运算放大器的“-”端；在第二运算放大器的输入与输出端跨接有一第六电阻，第二运算放大器的输出由第五电阻与第六电阻的比值决定。第二运算放大器输出将0-10V电压信号转换成3V-10V的电压信号，通过第八电阻接入电压频率转换电路，转换成频率为150kHz-500kHz的矩形脉冲信号，矩形脉冲信号经过滤波，最后经过光纤驱动芯片和光纤发送器把电信号转换成光信号，并通过光纤发送给光纤接收模块电路。
所述的光纤接收模块电路，包括一个电压频率转换芯片，二个运算放大器，一个光纤接收器和稳压管构成的电压偏置电路。光纤接收模块电路中的光纤接收器接收到频率为150kHz-500kHz的脉冲信号后，首先输入由第二电阻、第一电容构成的滤波电路进行滤波变成矩形脉冲信号，滤波电路的输出接入非门电路芯片，把矩形脉冲信号再经过非门电路芯片进行滤波整形；非门电路芯片通过第二电容和第三电阻接入频率电压转换电路，将矩形脉冲信号转换成3V-10V的电压信号；再经过第九电阻接入第四运算放大器的“-”端；由第一稳压管构成的电压偏置电路的输出通过第十六电阻加到第四运算放大器的输出端；第四运算放大器的输出通过电阻接入第五运算放大器的“-”端，第五运算放大器将输出信号转换成0-10V的电压信号的输出。在第四运算放大器的输入与输出端跨接有一第十一电阻，第四运算放大器的输出由第九电阻与第十一电阻的比值决定；在第五运算放大器的输入与输出端跨接有一第十四电阻，第五运算放大器的输出由第十四电阻与第十二电阻的比值决定。
本发明利用带有电压偏置电路的光纤发送模块电路和光纤接收模块电路进行模拟量光纤转换，与背景所述3个方案相比，首先以光纤传输方式避免了高低压电路信号的直接连接，达到了电位隔离的目的，避免了高压侧对检测和控制设备的损坏，同时也适合远距离传输；再则在最大程度上避免了信号衰减，防止了干扰；偏置电路的增加，提高了高速变化的模拟量信号的还原性能，一定程度上提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明的光纤发送模块电路原理框图；
图2是本发明的光纤接收模块电路原理框图；
图3是本发明的光纤发送模块电路原理图；
图4是本发明的光纤接收模块电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如附图1-2所示，本发明涉及一种带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换方法。在模拟量转换中设置光纤发送模块电路与光纤接收模块电路，通过电压频率转换芯片将模拟量信号转换为与之相对应的0-500kHz频率的脉冲信号，然后通过光纤传输该脉冲信号。光纤接收模块接收到脉冲信号后，又通过电压频率转换电路将其还原为0-10V电压信号。并在信号转换中电压偏置电路对信号进行调理，提高信号的还原频率。
其中，光纤发送模块电路工作方式是：输入0-10V电压信号或0-20mA的电流信号进入光纤发送模块电路，首先进入信号调理电路，并加入偏置电压，将模拟信号转换为3V-10V的信号，进入电压频率转换电路，转换成频率为150kHz-500kHz的脉冲信号，并通过光纤发送电路将脉冲信号送出。光纤接收模块电路工作方式是：光纤接收模块电路中的光纤接收器接收到频率为150kHz-500kHz的脉冲信号后，通过频率电压转换电路转换成3V-10V的电压信号，通过信号调理电路，并加入偏置电压，将其最终转换成0-10V的模拟量信号送出。
根据上述模拟量光纤转换方法所提出的模拟量光纤转换器是，一种带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换器，在模拟量光纤转换器中包括光纤发送模块电路与光纤接收模块电路。其中，所述的光纤发送模块电路包括一个电压频率转换芯片，二个运算放大器，一个非门电路芯片，一个光纤驱动芯片，一个光纤发送器和稳压管构成的电压偏置电路。光纤发送模块电路输入的是0-10V电压信号或0-20mA电流信号，0-10V电压信号或0-20mA电流信号首先通过一个第二电阻接入第一运算放大器的“-”端, 第一运算放大器的输出通过一个第五电阻接入第二运算放大器的“-”端；在第一运算放大器的输入与输出端跨接有一第三电阻，第一运算放大器的输出值由第二电阻与第三电阻的比值决定。在第一运算放大器的输出与第五电阻之间接入有由第一稳压管构成的电压偏置电路，第一稳压管构成的电压偏置电路的输出通过第十三电阻加到第一运算放大器的输出端，并通过第五电阻进入第二运算放大器的“-”端；在第二运算放大器的输入与输出端跨接有一第六电阻，第二运算放大器的输出由第五电阻与第六电阻的比值决定。第二运算放大器输出将0-10V电压信号转换成3V-10V的电压信号，通过第八电阻接入电压频率转换电路，转换成频率为150kHz-500kHz的矩形脉冲信号，矩形脉冲信号经过滤波，最后经过光纤驱动芯片和光纤发送器把电信号转换成光信号，并通过光纤发送给光纤接收模块电路。
所述的光纤接收模块电路包括一个电压频率转换芯片，二个运算放大器，一个非门电路芯片，一个光纤接收器和稳压管构成的电压偏置电路。光纤接收模块电路中的光纤接收器接收到频率为150kHz-500kHz的脉冲信号后，首先输入由第二电阻、第一电容构成的滤波电路进行滤波变成矩形脉冲信号，滤波电路的输出接入非门电路芯片，把矩形脉冲信号再经过非门电路芯片进行滤波整形；非门电路芯片通过第二电容和第三电阻接入频率电压转换电路，将矩形脉冲信号转换成3V-10V的电压信号；再经过第九电阻接入第四运算放大器的“-”端；由第一稳压管构成的电压偏置电路的输出通过第十六电阻加到第四运算放大器的输出端；第四运算放大器的输出通过第十二电阻接入第五运算放大器的“-”端，第五运算放大器将输出信号转换成0-10V的电压信号的输出。在第四运算放大器的输入与输出端跨接有一第十一电阻，第四运算放大器的输出由第九电阻与第十一电阻的比值决定；在第五运算放大器的输入与输出端跨接有一第十四电阻，第五运算放大器的输出由第十二电阻与第十四电阻的比值决定。
根据上述方法所提出的模拟量光纤转换器是一种带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换器，包括光纤发送模块电路与光纤接收模块电路两部分。
附图3给出了本发明光纤发送模块电路的一个电路原理图，从附图可以看出，光纤发送模块电路包括一个电压频率转换芯片U3，二个运算放大器U1和U2，一个非门电路芯片U4,一个光纤驱动芯片U5，一个光纤发送器U6和一个稳压管V1。其中，电压频率转换芯片U1为AD650电压频率转换芯片，运算放大器U1和U2为OPA4227运算放大器，非门电路芯片U4为74HC14D，光纤驱动芯片U5为SN75451光纤驱动芯片，光纤发送器U6为HFBR1414T光纤发送器。0-10V电压信号或0-20mA的电流信号进入光纤发送模块电路，信号VIN首先通过第二电阻R2进入第一运算放大器U1的“-”端, 第一运算放大器的输出由第二电阻R2、第三电阻R3的比值决定。由第一稳压管V1构成的电压偏置电路的输出通过第十三电阻R13加到第一运算放大器的输出端，并通过第五电阻R5进入第二运算放大器U2的“-”端，第二运算放大器U2的输出由第五电阻R5、第六电阻R6的比值决定，将0-10V电压信号转换成3V-10V的电压信号，通过第八电阻R8进入由AD650电压频率转换芯片U3构成的电压频率转换电路，转换成频率为150kHz-500kHz的矩形脉冲信号，矩形脉冲信号经过74HC14D非门电路芯片U4滤波，最后经过SN75451光纤驱动芯片U5和HFBR1414T光纤发送器U6把电信号转换成光信号，并通过光纤发送给光纤接收模块电路。
附图4给出了本发明光纤接收模块电路的一个电路原理图，从附图可以看出光纤接收模块电路电路主要包括一个电压频率转换芯片U3ˊ，二个OPA4227运算放大器U4ˊ和U5ˊ ，一个HFBR2412T光纤接收器U1ˊ，一个74HC14D非门电路芯片U2ˊ。其中，电压频率转换芯片U3ˊ为AD650电压频率转换芯片，运算放大器U4ˊ和U5ˊ为OPA4227运算放大器，光纤接收器U1ˊ为HFBR2412T光纤发送器。光纤接收模块电路中的HFBR 2412T光纤接收器U1ˊ接收到频率为150kHz-500kHz的脉冲信号后，首先通过由第二电阻R2'、第一电容C1ˊ构成的RC滤波电路进行滤波，然后矩形脉冲信号再经过74HC14D非门电路芯片U2ˊ进行滤波整形，通过第二电容C2ˊ、第三电阻R3ˊ进入由AD650组成的频率电压转换电路，将矩形脉冲信号转换成3V-10V的电压信号，经过第九电阻R9ˊ进入第四运算放大器OPA4227的“-”端，第四运算放大器的输出由第九电阻R9ˊ、第十一电阻R11ˊ的比值决定。由第一稳压管V1ˊ构成的电压偏置电路的输出通过第十六电阻R16ˊ加到OPA4227第四运算放大器U4ˊ的输出端，并通过第十二电阻R12ˊ进入OPA4227第五运算放大器U5ˊ的“-”端，第五运算放大器U5ˊ的输出由第十四电阻R14ˊ、第十二电阻R12ˊ的比值决定，将输出信号Vout转换成0-10V的电压信号。
该模拟量光纤转换器的AD650电压频率转换芯片外围电路简单。该电路在±15V电源电压下，功耗电流小于15mA，它的满刻度频率高,可达1MHz；具有很低的非线性度：在10kHz满刻度时非线性度小于0.002％，在l0kHz满刻度时非线性度小于0.005％,在1MHz满刻度时非线性度小于0．07％。AD650既能用作电压频率转换器，又可用作频率电压转换器。
本发明的优点在于：
1、采用带有电压偏置外围电路的AD650电压频率转换芯片，VFC（电压频率转换器）器件的应用电路简单，外围元件的性能要求不高，对环境的适应能力强，转换速度也不低于一般的双积分型A/D器件，而且，还具有良好的精度、线性、积分输入的特性以及一定的温度特性，因此，其性能是用其它技术难以实现的。此外，由于以频率表示的模拟量是一种串行数据，易于数据通道进行处理，频率信息能以很高的噪声抑制比在很长的光纤传输线上传输。
2、由于传输脉冲信号的满刻度频率能达到500kHz，VFC转换后得到的数字量与VFC的满刻度频率成正比，因此增加VFC的满刻度频率就可以提高A/D转换的分辨率。
3、对于模拟量输入信号靠近零点附近的V/F转换，当输入电压过低时，VFC（电压频率转换器）输出频率较低，使得其转换精度下降，而当输入电压升高时，频率转换的效率提高，精度就会上升。因为，为提高其转换精度，在输入信号上叠加一个偏置电压使其在线性度较高的区域内进行转换，从而提高了V/F转换的转换精度。
Claims (10)
1.一种带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换方法，其特征在于：在模拟量转换中设置光纤发送模块电路与光纤接收模块电路，通过电压频率转换芯片将模拟量信号转换为与之相对应的0-500kHz频率的脉冲信号，然后通过光纤传输该脉冲信号；光纤接收模块接收到脉冲信号后，又通过电压频率转换电路将其还原为0-10V电压信号；并在信号转换中电压偏置电路对信号进行调理。
2.如权利要求1所述的带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换方法，其特征在于：所述的光纤发送模块电路工作方式是：输入0-10V电压信号或0-20mA的电流信号进入光纤发送模块电路，首先进入信号调理电路，并加入偏置电压，将模拟信号转换为3V-10V的信号，进入电压频率转换电路，转换成频率为150kHz-500kHz的脉冲信号，并通过光纤发送电路将脉冲信号送出。
3.如权利要求1所述的带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换方法，其特征在于：光纤接收模块电路工作方式是：光纤接收模块电路中的光纤接收器接收到频率为150kHz-500kHz的脉冲信号后，通过频率电压转换电路转换成3V-10V的电压信号，通过信号调理电路，并加入偏置电压，将其最终转换成0-10V的模拟量信号送出。
4.根据权利要求1-3任何一项的一种带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换器，其特征在于：在模拟量光纤转换器中包括光纤发送模块电路与光纤接收模块电路；在光纤发送模块电路与光纤接收模块电路中加入了电压偏置电路。
5.如权利要求4所述的带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换器，其特征在于：所述的光纤发送模块电路包括一个电压频率转换芯片，二个运算放大器，一个非门电路芯片，一个光纤驱动芯片，一个光纤发送器和稳压管构成的电压偏置电路；光纤发送模块电路输入的是0-10V电压信号或0-20mA电流信号，0-10V电压信号或0-20mA电流信号首先通过一个第二电阻接入第一运算放大器的“-”端, 第一运算放大器的输出通过一个第五电阻接入第二运算放大器的“-”端；在第一运算放大器的输出与第五电阻之间接入有由第一稳压管构成的电压偏置电路，第一稳压管构成的电压偏置电路的输出通过第十三电阻加到第一运算放大器的输出端，并通过第五电阻进入第二运算放大器的“-”端；第二运算放大器输出将0-10V电压信号转换成3V-10V的电压信号，通过第八电阻接入电压频率转换电路，转换成频率为150kHz-500kHz的矩形脉冲信号，矩形脉冲信号经过非门电路芯片滤波，最后经过光纤驱动芯片和光纤发送器把电信号转换成光信号，并通过光纤发送给光纤接收模块电路。
6.如权利要求5所述的带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换器，其特征在于：在第一运算放大器的输入与输出端跨接有一第三电阻，第一运算放大器的输出值由第二电阻与第三电阻的比值决定；
在第二运算放大器的输入与输出端跨接有一第六电阻，第二运算放大器的输出由第五电阻与第六电阻的比值决定。
7.如权利要求5或6所述的带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换器，其特征在于：所述的电压频率转换芯片为AD650电压频率转换芯片，运算放大器为OPA4227运算放大器，非门电路芯片为74HC14D非门电路芯片，光纤驱动芯片为SN75451光纤驱动芯片，光纤发送器为HFBR1414T光纤发送器。
8.如权利要求4所述的带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换器，其特征在于：所述的光纤接收模块电路包括一个电压频率转换芯片，二个运算放大器，一个非门电路芯片，一个光纤接收器和稳压管构成的电压偏置电路；光纤接收模块电路中的光纤接收器接收到频率为150kHz-500kHz的脉冲信号后，首先输入由第二电阻、第一电容构成的滤波电路进行滤波变成矩形脉冲信号，滤波电路的输出接入非门电路芯片，把矩形脉冲信号再经过非门电路芯片进行滤波整形；非门电路芯片通过第二电容和第三电阻接入频率电压转换电路，将矩形脉冲信号转换成3V-10V的电压信号；再经过第九电阻接入第四运算放大器的“-”端；由第一稳压管构成的电压偏置电路的输出通过第十六电阻加到第四运算放大器的输出端；第四运算放大器的输出通过电阻接入第五运算放大器的“-”端，第五运算放大器将输出信号转换成0-10V的电压信号的输出。
9.如权利要求6所述的带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换器，其特征在于：在第一运算放大器的输入与输出端跨接有一第十一电阻，第一运算放大器的输出值由第九电阻与第十一电阻的比值决定；
在第二运算放大器的输入与输出端跨接有一第十四电阻，第二运算放大器的输出由第十二电阻与第十四电阻的比值决定。
10.如权利要求7或8所述的带偏置电路的高分辨率的模拟量光纤转换器，其特征在于：
所述的电压频率转换芯片为AD650电压频率转换芯片，运算放大器为OPA4227运算放大器，非门电路芯片为74HC14D非门电路芯片，光纤接收器为HFBR2412T光纤接收器。
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