CN1060000A - 自校式光导传感电路 - Google Patents

Abstract

本发明是一种应用光纤准确遥测电信号的光导 传感电路，除了有电/光转换电路、光纤、光/电转换 电路和电源电路等基本组成部分外，在输入端加入了 高精度基准信号发生器和电子开关及其控制电路，在 输出端加入了增益(或衰耗)控制器和电子开关。增 益控制器的传输系数及输入、输出两端的电子开关均 由微机控制，能自动跟踪传输信道中各种因素的变化 所造成的传输增益(衰耗)的变化，并及时自动地进行 校正，使信道传输增益(衰耗)特性能保持长期稳定。

Description

本发明是一种应用光纤准确遥测电信号的光导传感电路。

在某些场合（例如电力系统超高压电网中电流的监测）已开始应用光导传感电路，美国专利“绝缘型电子式电流互感器校正电路”（国际登记号：HO4B9/00）就属此类电路。在这类电路中虽然有激光器功率自动控制电路，可以补偿一些由于激光器输出光功率不稳定性所造成的测试误差，但不能完全补偿动态模拟输出特性曲线斜率的变化，更无法弥补光纤技术参数的离散性和传输途径中众多电子元器件的变化所造成的测试误差。

本发明的目的就在于提供一种能自动跟踪並校正传输途径中各种因素变化所造成的电信号传输误差的高精度光导传感电路。

图1是本发明的构成框图。

本发明由电/光转换电路2、光纤L、电信号恢复电路3和电源电路4与5等组成，被监测（输入端）的电信号e_i经电/光转换电路2转换为光信号后经光纤L传送至输出端的电信号恢复电路3把光信号恢复为电信号e_o输出。在电/光转换电路2之前插接有电子开关1，电子开关1的输入侧，除接入被监测的电信号e_i外，还接有基准信号发生器7送来的基准电信号e_b，电子开关1的“通”与“断”，受控制电路8的控制。电信号恢复电路3由光/电转换电路9、增益（或衰耗）控制器10、电子开关11和输出缓冲器12所组成，在光/电转换电路9之后接有增益（或衰耗）控制器10，增益（或衰耗）控制器10的增益（或衰耗）受微机6控制。在增益（或衰耗）控制器10和输出缓冲器12之间插接有电子开关11，电子开关11的输出一侧还接有电压比较器13，电压比较器13的输出端与微机6的外中断口IS₁及IS₂相连。电子开关11的“通”与“断”受微机6控制。微机6的输出信号OS₁经电/光转换电路14转换为光信号后经光纤L_O送至输入端控制电路8的光/电转换电路15转换为电信号后送至控制信号识别器16，由控制信号识别器16的输出去控制电子开关1的“通”与“断”。

图2为本发明的实施例组成框图。

被传送（监测）的信号e_i和基准信号发生器7送出的基准信号e_b分别加在电子开关1的输入侧，电子开关1的输出侧接有两套电/光转换电路21和22。电/光转换电路21和22的输入信号是e_i还是e_b，则由控制器8控制电子开关1的“通”与“断”而定。由电/光转换电路21、光纤L₁、光/电转换电路91和增益控制器101组成一条传输信道;由电/光转换电路22、光纤L₂、光/电转换电路92和增益控制器102组成另一条传输信道。增益控制器101和102的输出分别接至电子开关11的输入侧，电子开关11的输出侧分别接输出缓冲器12和电压比较器13。该信道在传送被监测的信号e_i时，则由输出缓冲器输出e_o;当信道处在校正状态时，则输出信号送至电压比较器13。电压比较器13由过零比较器131和幅值比较器132组成，两只比较器131和132的输入端並连，输出端分别与微机6的中断口IS₁和IS₂相连，过零比较器131的参考电位端接“地”，幅值比较器132的参考电位端接基准电位E。增益控制器101和102的传输系数由微机6通过数据总线D₀～D₁₂送来的数据控制。微机6去控制电子开关1的控制信号，先经电/光转换器14把它转换为光信号后经光纤L_O送至控制器8的光/电转换电路15，光/电转换电路15把光信号转换为电信号后送至控制信号识别器16。控制信号识别器16有两条支路，一条由高通滤波器161、负反馈放大器163、整流滤波电路165、电压比较器167和反向器169组成，反向器169的输入和输出两端分别与电子开关1的两个门的控制端相连;控制第一信道的两个门;另一条则由低通滤波器162、负反馈放大器164、整流滤波电路166、电压比较器168和反向器160组成，反向器160的输入和输出端分别与电子开关1的另两个门的控制端相连，控制第二信道的两个门。4和5分别为本发明输入端A和输出端B的供电电源电路。

图3为本发明的输入端A的电子开关1、电/光转换电路21和22及方波信号发生器7的实施例电原理图。U₂₀₁为由传输门K₂₀₁、K₂₀₂、K₂₀₃和K₂₀₄构成的电子开关。运算放大器U₂₀₂、三极管BG₂₀₁、电阻R₂₀₁和半导体发光器F₂₀₁组成电/光转换电路21;U₂₀₃、BG₂₀₂、R₂₀₂和F₂₀₂组成另一套电/光转换电路22。运算放大器U₂₀₅、电阻R₂₀₃、R₂₀₄、R₂₀₅和电容C₂₀₁构成方波信号发生器，其输出再经D触发器U₂₀₆二分频，分频器U₂₀₆的输出端Q和 Q输出二个极性相反的方波信号去控制电子开关U₂₀₇，使U₂₀₇在K₂₀₅导通时K₂₀₆截止，反之当K₂₀₅截止时K₂₀₆导通，所以U₂₀₇输出的是一个基准方波信号，其幅值由高精度的基准稳压管D₂₀₁和精密电阻R₂₀₇、R₂₀₈、R₂₀₆而定，此基准方波信号经C₂₀₂通过电压跟随器U₂₀₈送至电子开关U₂₀₁的K₂₀₂和K₂₀₄。电阻R₂₀₉为U₂₀₈提供工作偏置。

图4为输出端B的实施例电原理图。由光纤L₁送来的光信号经半导体光探测器S₄₀₁（R₄₀₁为光电流取样电阻）转换成电信号后，经运算放大器U₄₀₁和电阻R₄₀₂、R₄₀₃组成的负反馈放大器放大后，再经耦合电容C₄₀₁送给电压跟随器U₄₀₂，R₄₄为U₄₀₂的偏置电阻。U₄₀₂的输出经由D/A变换器U₄₀₃与运算放大器U₄₀₄组成的增益控制器101后送至电子开关U₄₀₅的K₄₀₁和K₄₀₃。同样，由光纤L₂送来的信号经半导体光探测器S₄₀₁、负反馈放大器U₄₀₇、电压跟随器U₄₀₈和由U₄₀₉、U₄₁₀组成的增益控制器102后送至电子开关U₄₀₅的K₄₀₂和K₄₀₄。两只增益控制器的传输系数（或其输出信号的大小）受微机6通过数据总线D₀～D₁₂送来的数据控制，CS₁和CS₂为微机6送来的片选信号。

U₄₀₅为四个传输门组成的电子开关，其控制端K_e、K_f、K_g和K_h分别与微机6的输出口相连，K₄₀₁、K₄₀₂、K₄₀₃和K₄₀₄的“通”与“断”受微机6控制。当K₄₀₁或K₄₀₂导通时，其被测信号经输出缓冲器U₄₀₆输出e_o;当K₄₀₃或K₄₀₄接通时，把校正信号送给过零比较器U₄₁₁和幅值比较器U₄₁₂。U₄₁₁和U₄₁₂的输出端分别与微机6的外中断口IS₁和IS₂相连。U₄₁₁的参考电位端接“地”，当输入为低电平（方波的负半周）时，其输出端IS₁为高电平;当输入为高电平（方波的正半周）时，其输出端IS₁为低电平，这时微机6才对增益控制器101或102的增益进行校正。幅值比较器U₄₁₂的参考电位端接基准电位，此基准电位由高精度稳压二极管D₄₀₁和精密电阻R₄₀₉、R₄₁₀和R₄₁₁决定，当U₄₁₂的输入端为无信号或其信号电平低于基准电信时，其输出端IS₂为高电平，否则为低电平。

微机6控制电子开关1的控制信号为高、低不同的两个交流信号，此信号经与非门601、限流电阻R₆₁₁和半导体发光器D₆₀₁组成的电/光转换电路14转换为光信号后经光纤L_O送至控制电路8的输入端。

图5为控制电路8的实施例电原理图。通过光纤L_O送来的控制信号经半导体探测器S₃₀₁转换为电信号（R₃₀₁为光电流取样电阻）经电压跟随器U₃₀₁分两路输出，C₃₀₀为隔直流电容。当微机6送出高频信号时，U₃₀₁也输出高频信号，此高频信号经C₃₀₁和R₃₀₂组成的高通滤波器161和运算放大器U₃₀₂、电阻R₃₀₃、R₃₀₄组成的负反馈放大器163放大后，再经二极管D₃₀₁、电阻R₃₀₅、R₃₀₆和电容C₃₀₂组成的整流滤波电路165送出一直流电压给由U₃₀₃、R₃₀₇、R₃₀₈、R₃₀₉组成的电压比较器167，这时电压比较器167输出高电平，使反相器U₃₀₆输出为低电平，即Q_A为高电平，Q_B为低电平，这时电子开关U₂₀₁的K₂₀₁断开而K₂₀₂导通，则送入电/光转换电路U₂₀₂的是基准方波信号e_b;当微机6送出低频信号时，U₃₀₁输出低频信号，並经R₃₁₀、R₃₁₁、C₃₀₃组成的低通滤波器162，U₃₀₄、R₃₁₂、R₃₁₃组成的负反馈放大器164，D₃₀₂、R₃₁₄、R₃₁₃、C₃₀₄组成的整流滤波电路166和U₃₀₅、R₃₁₆、R₃₁₇、R₃₁₈组成的电压比较器168，使反向器U₃₀₇输入Q_C为高电平，而输出Q_D为低电平，这时电子开关U₂₀₁的K₂₀₃断开而K₂₀₄导通，另一信道的电/光转换电路U₂₀₃输入的是基准方波信号e_b;如果微机6无信号输出，则U₃₀₁也无信号输出，这时U₃₀₃和U₃₀₅均输出低电平，这时Q_A和Q_C为低电平而Q_B和Q_D为高电平，则电子开关的K₂₀₁和K₂₀₃导通而K₂₀₂和K₂₀₄断开，这时两个信道的电/光转换电路U₂₀₂和U₂₀₃均输入被测信号e_i。

由于本发明设置有基准信号发生器、增益控制器和微机自动控制电路，故能自动跟踪並校正整个传输信道中诸因素的变化所造成的信号传输电平的误差。现以光纤L₂相关的传输信道为例进一步阐明其自动跟踪校正的原理。

当微机6送出低频信号时，如上所述，这时第二信道输入端U₂₀₃输入的是高稳定度的基准方波信号而第一信道的U₂₀₂输入的是被测信号e_i，因此在第二信道中传输的是基准方波信号，而在第一信道中传输的是被测信号。同时在微机6的协调下，这时电子开关U₄₀₅的K₄₀₁和K₄₀₄导通而K₄₀₂和K₄₀₃断开，（这时Ke和KF送来高电平而K_g和K_h送来低电平），故输出缓冲器U₄₀₆输出的是经光纤L₁（即第一信道）送来的被测信号，而过零比较器U₄₁₁和幅值比较器U₄₁₂所输入的则是经光纤L₂（即第二信道）送来的基准方波信号。假设D/A变换器U₄₀₉的输入电压为U_i，其输出电压为U^′ _O，则U_O∝D U_i。在此D为微机6经数据总线D₀～D₁₂送来的十三位二进制数（即十进制的0～8191），微机从某一基数起每隔50微秒将数值增加1，即D/A变换器U₄₀₉的输出也每隔50微秒增加1/8191，即增益控制器102的增益也每隔50微秒增加1/8191。当增益控制器102的输出方波正半周的幅值高于幅值比较器U₄₁₂的基准电位时，U₄₁₂输出端IS₂变为低电平，向微机6发出中断请求，则微机6把数据固定，这时增益控制器102的增益校正搞一段落。由上可见，这种校正主要是根据信道输入端A的基准方波信号e_b的电平与输出端B的幅值比较器U₄₁₂的基准电位之差来调整增益控制器101或102的增益，使整个传输信道的传输增益（衰耗）始终能校正至某一固定值，从而克服了信道中各种因素的变化所造成的传输电平误差。只要保证输入端A和输出端B两个基准电位的精度和高度稳定，就可保证传输信道衰耗特性的精度和稳定度。当第二信道校正完后，如果微机6送出高频信号，则由第二信道传送被测信号，而第一信道处于校正状态。所以始终能保证有一信道在传送被测信号，而另一信道处于自动校正，两信道自动轮换校正。

如果传输信道不要求不间断地传送被测信号，则也可只采用一条传输信道，只是在校正时无法传送被测信号而已。

应用本发明不仅可以克服高压电流互感器绝缘难的困难、能大大降低高压电流互感器的成本，而且显著地提高了可靠性和传输精度。

Claims (3)

1、一种传送电信号用的自校式光导传感电路，其组成包括电/光转换电路(2)、光纤(L)、光/电转换电路(9)、输出缓冲器(12)和电源电路(4)与(5)，送入输入端(A)的被测信号(e_i)经电/光转换电路(2)转换为光信号后经光纤(L)送至输出端(B)的光/电转换电路(9)把光信号恢复为电信号后由输出缓冲器(12)输出，其特征在于还包括：

在电/光转换电路(2)之前插接有电子开关(1)，电子开关(1)的输入侧，除接入被测信号(e_i)外，还接有基准信号发生器(7)送来的基准信号(e_b)，电子开关(1)的“通”与“断”，受控制电路(8)的控制；

在光/电转换电路(9)之后接有增益(衰耗)控制器(10)，增益(衰耗)控制器(10)的增益(衰耗)受微机(6)控制，在增益(衰耗)控制器(10)和输出缓冲器(12)之间插接有电子开关(11)，电子开关(11)的输出一侧还接有电压比较器(13)，电压比较器(13)的输出端与微机(16)的外中断口(IS₁)及(IS₂)相连，电子开关(11)的“通”与“断”受微机(6)控制。

微机(6)的输出信号(OS₁)经电/光转换电路(14)转换为光信号后经光纤(L₀)送至输入端(A)的控制电路(8)的光/电转换电路(15)转换为电信号后送至控制信号识别器(16)，由控制信号识别器(16)的输出去控制电子开关(1)的“通”与“断”。

2、如权利要求1所述的自校式光导传感电路，其特征在于由电子开关（1）、电/光转换电路（2）、光纤（L）、光/电转换电路（9）、增益控制器（10）和电子开关（11）所组成的传输信道有两套（条）。

3、如权利要求1或2所述的自校式光导传感电路，其特征在于：

增益（衰耗）控制器（10）由D/A变换器（U₄₀₃）和运算放大器（U₄₀₄）组成，D/A变换器（U₄₀₃）的输出大小受微机（6）的数据总线控制;

电压比较器（13）由过零比较器（131）和幅值比较器（132）组成，两只比较器的输入端並接至电子开关（11）的输出一侧，而输出端则分别与微机（6）的两个外中断口（IS₁）和（IS₂）相连;

控制信号识别器（16）有两条支路，一条支路通过高通滤波器（161）将高频信号经负反馈放大器（163），整流滤波电路（165）和电压比较器（167）送至反向器（169），反向器（169）的输入和输出两信号分别去控制电子开关（1）的两个门，另一条支路则通过低通滤波器（162）将低频信号经负反馈放大器（164）整流滤波电路（166）、电压比较器（168）送至反向器（160），反向器（160）的输入和输出两信号分别去控制电子开关（1）的另两个门。

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