CN213904531U - 基于光纤传输的高速模拟量变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于光纤传输的高速模拟量变送器，其技术方案要点是：包括发射模块和接收模块，所述发射模块中包括有DC‑DC升压电路，所述DC‑DC升压电路电性连接电池，所述DC‑DC升压电路电性连接有衰减电路、阻抗匹配网络、信号放大电路和激光器驱动电路，所述衰减电路电性连接着所述阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络电性连接着所述信号放大电路，所述信号放大电路电性连接着所述激光器驱动电路；所述接收模块中也包括有一组DC‑DC升压电路，所述DC‑DC升压电路电性连接有激光探测器和信号放大器；利用本实用新型实现了将模拟高频电信号转化为光信号传输，对整个模拟量光纤传输模块进行保护，高速无损耗远程传输，具有天然的抗电磁干扰能力。

Description

基于光纤传输的高速模拟量变送器

技术领域

本实用新型涉及模拟量变送器领域，特别涉及基于光纤传输的高速模拟量变送器。

背景技术

光纤模拟量变送器是将数百兆赫兹的高速模拟量信号通过激光发生器转换为光功率跟随模拟量信号变化的光信号，由光纤传输，再经过激光探测器将光信号转换为电信号，从而实现模拟量信号的高速远距离传输。

参照现有公开号为CN101620247A的中国专利，其公开了一种电力智能显示控制变送器，包括信号采样处理电路、MCU处理器、继电器输出报警电路、按键扫描和显示电路、通信接口电路、模拟量输出模块和电源模块。

上述的这种电力智能显示控制变送器改良并整合了传统电力变送器和显示仪表的功能，省去了现场调试辅助设备，人机交互友好，安装和调试更方便。本发明具有高抗干扰性，组网灵活，配置快捷，成本低廉等优点。但是上述的这种电力智能显示控制变送器依旧存在着一些缺点，如：一、同轴电缆会受到外界电磁场变化的影响使测量信号发生畸变，造成测量精度降低，测量不准确的情况；二、当测量探头在较高的电压环境下，或者自由场中时，使用同轴线缆连接至示波器时可能会造成绝缘耐压不足等问题(比如在高压线上测量信号)三、远距离传输时，使用同轴线缆可能会造成信号衰减或者波形畸变，一般使用同轴线缆进行高速模拟信号传输线缆长度应小于30m，而光纤可以实现数千米远距离传输，且损耗几乎为零。

实用新型内容

针对背景技术中提到的问题，本实用新型的目的是提供基于光纤传输的高速模拟量变送器，以解决背景技术中提到的问题。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

基于光纤传输的高速模拟量变送器，包括发射模块和接收模块，所述发射模块中包括有DC-DC升压电路，所述DC-DC升压电路电性连接电池，所述 DC-DC升压电路电性连接有衰减电路、阻抗匹配网络、信号放大电路和激光器驱动电路，所述衰减电路电性连接着所述阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络电性连接着所述信号放大电路，所述信号放大电路电性连接着所述激光器驱动电路；

所述接收模块中也包括有一组DC-DC升压电路，所述DC-DC升压电路电性连接有激光探测器和信号放大器，所述激光探测器电性连接着所述信号放大器。

通过采用上述技术方案，外部的电压、电流、电场、磁场等监测探头将外部信号转换为电压信号输入，首先经过衰减电路将较高的电压转换为± 1.5V的低电压信号，由于外部信号有正负极性，而一般高速信号芯片均为单极性，因此偏置电路可将双极性的脉冲信号增加偏置电压，转换为单极性信号，再经过运放将电压信号转换为可驱动激光器的脉冲电流信号，经激光器转换为高速的光功率信号通过光纤口发送。DC-DC升压电路可将外部电源用于对转换电路供电，同时可作为电池充电电源，电池为充电电池，可在无外接电源情况下为模块提供电能；

DC-DC升压电路：是将5V的供电电源升压至较高电压，这个较高电压约 7-30V，目的在于给发射模块的放大电路供电；

发射模块包括：衰减电路、阻抗匹配电路、信号放大电路、激光器驱动等。其中：

衰减电路：R1，R2，R3共同组成一个50Ω的衰减电路，用于将外部外部输入较高电压的信号转换为电路芯片工作电压范围内信号，一般将外部 10V-1000V信号衰减至±1.5V以内。

阻抗匹配电路：阻抗匹配电路是用于解决负载阻抗较小时微弱的电压信号可能会被拉低，导致测量到的信号低于实际信号，因此阻抗匹配电路采用 1M以上高阻芯片输入，输出可保证在较小负载时仍能稳定输出和输入信号相同的电压信号的电路。采用Q1为核心芯片，配合R4，R5，R6组成外围电路， C2为耦合电容目的是将阻抗匹配电路输出信号再次去偏置后，输出至信号放大电路。

信号放大电路：是将输入的脉冲电压信号转换为电流脉冲信号，用于驱动激光器LD。采用电流型运算放大器芯片U1，配合下拉电阻R7，以及放大电路R8，R9，C3为噪声滤波电容，C4为耦合输出电容(C3,C4不一定为必须器件)；

激光器驱动电路：主要是用于恒功率控制激光发射器的驱动电流，通过光功率探测器PD检测激光器LD发射的功率，通过比较电路调整输出功率，实现基准功率的稳定输出。当有脉冲信号输入后将脉冲信号叠加在基准功率上输出，实现高速电光转换功能。电位器R17用于调节稳态功率大小，与光功率探测器PD检测信号合并驱动Q3三极管，信号经C6滤波后给定Q2电流型三极管，使激光发射器工作在一个稳态电流下。若脉冲信号输入后，叠加在稳态电流上驱动激光器LD，发射光信号输出至光纤端口；

光纤接收模块采用激光探测器PIN将光纤传送过来的光信号转换为电压信号，再经过放大器放大后连接至示波器等测量终端。一般包括：激光探测器、放大器以及供电电路三个部分；当光纤探测器D1检测到光纤有信号传输时会有电流流过D1，电流大小与光信号成正比，D1两端会形成与电流大小相反的电压，通过耦合器C1后再运放U13脚输入端形成脉冲电压信号，经运放 U1放大后输出至端口J1，可用于示波器等信号监测终端。

较佳的，所述衰减电路中通过电阻R1、电阻R2和电阻R3共同组成一个 50Ω的衰减模块。

通过采用上述技术方案，将外部外部输入较高电压的信号转换为电路芯片工作电压范围内信号，一般将外部10V-1000V信号衰减至±1.5V以内。

较佳的，所述阻抗匹配电路中包括有核心芯片Q、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C2，所述电阻R4、所述电阻R5和所述电阻R6组成外围电路。

通过采用上述技术方案，阻抗匹配电路是用于解决负载阻抗较小时微弱的电压信号可能会被拉低，导致测量到的信号低于实际信号，因此阻抗匹配电路采用1M以上高阻芯片输入，输出可保证在较小负载时仍能稳定输出和输入信号相同的电压信号的电路。

较佳的，所述信号放大电路中包括有运算放大器芯片U1、电阻R7、电阻 R8、电阻R9、滤波电容C3和耦合输出电容C4，所述电阻R8和所述电阻R9 组成放大电路。

通过采用上述技术方案，是将输入的脉冲电压信号转换为电流脉冲信号，用于驱动激光器LD。

较佳的，所述激光器驱动电路包括有电位器R17、三极管Q3、滤波电容 C6、三极管Q2。

通过采用上述技术方案，主要是用于恒功率控制激光发射器的驱动电流，通过光功率探测器PD检测激光器LD发射的功率，通过比较电路调整输出功率，实现基准功率的稳定输出。当有脉冲信号输入后将脉冲信号叠加在基准功率上输出，实现高速电光转换功能。

较佳的，所述接收模块中包括有二极管D1、耦合器C1、运放U13、经运放U1和端口J1。

通过采用上述技术方案，将光纤传送过来的光信号转换为电压信号，再经过放大器放大后连接至示波器等测量终端。

较佳的，所述发射模块中的DC-DC升压电路电性连接有5V供电源，所述衰减电路电性连接有监测探头，所述激光器驱动电路电性连接有光纤输出端。

通过采用上述技术方案，可以实现对发射模块进行供电，以及实现对信号的接收和发射。

较佳的，所述接收模块中的DC-DC升压电路电性连接有24V供电源，所述激光探测器电性连接有光纤输入端，所述信号放大器电性连接有光纤输出端。

通过采用上述技术方案，可以实现对接收模块进行供电，以及实现对信号的接收和发射。

综上所述，本实用新型主要具有以下有益效果：

本实用新型采用了光纤激光实现了将模拟高频电信号转化为光信号传输，在终端采用接收器进行光信号监测并转化为电信号，对整个模拟量光纤传输模块进行保护，使用光纤传输高频模拟信号，最高频率可达500MHz，可实现高速无损耗远程传输，具有天然的抗电磁干扰能力，可应用与复杂电磁环境中内置电池的应用，可使光纤发射模块功能做与高压环境中，良好的绝缘性能可实现高压环境下测量微弱的信号。

附图说明

图1是本实用新型的发射模块系统图；

图2是本实用新型的接收模块系统图；

图3是本实用新型的DC-DC升压电路原理图；

图4是本实用新型的发射模块的原理图；

图5是本实用新型的激光驱动原理图；

图6是本实用新型的接收模块的原理图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

参考图1-6，基于光纤传输的高速模拟量变送器，包括发射模块和接收模块，所述发射模块中包括有DC-DC升压电路，所述DC-DC升压电路电性连接电池，所述DC-DC升压电路电性连接有衰减电路、阻抗匹配网络、信号放大电路和激光器驱动电路，所述衰减电路电性连接着所述阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络电性连接着所述信号放大电路，所述信号放大电路电性连接着所述激光器驱动电路；

所述接收模块中也包括有一组DC-DC升压电路，所述DC-DC升压电路电性连接有激光探测器和信号放大器，所述激光探测器电性连接着所述信号放大器。

通过采用上述技术方案，外部的电压、电流、电场、磁场等监测探头将外部信号转换为电压信号输入，首先经过衰减电路将较高的电压转换为± 1.5V的低电压信号，由于外部信号有正负极性，而一般高速信号芯片均为单极性，因此偏置电路可将双极性的脉冲信号增加偏置电压，转换为单极性信号，再经过运放将电压信号转换为可驱动激光器的脉冲电流信号，经激光器转换为高速的光功率信号通过光纤口发送。DC-DC升压电路可将外部电源用于对转换电路供电，同时可作为电池充电电源，电池为充电电池，可在无外接电源情况下为模块提供电能；

DC-DC升压电路：是将5V的供电电源升压至较高电压，这个较高电压约 7-30V，目的在于给发射模块的放大电路供电；

发射模块包括：衰减电路、阻抗匹配电路、信号放大电路、激光器驱动等。其中：

衰减电路：R1，R2，R3共同组成一个50Ω的衰减电路，用于将外部外部输入较高电压的信号转换为电路芯片工作电压范围内信号，一般将外部10V-1000V信号衰减至±1.5V以内。

阻抗匹配电路：阻抗匹配电路是用于解决负载阻抗较小时微弱的电压信号可能会被拉低，导致测量到的信号低于实际信号，因此阻抗匹配电路采用 1M以上高阻芯片输入，输出可保证在较小负载时仍能稳定输出和输入信号相同的电压信号的电路。采用Q1为核心芯片，配合R4，R5，R6组成外围电路， C2为耦合电容目的是将阻抗匹配电路输出信号再次去偏置后，输出至信号放大电路。

信号放大电路：是将输入的脉冲电压信号转换为电流脉冲信号，用于驱动激光器LD。采用电流型运算放大器芯片U1，配合下拉电阻R7，以及放大电路R8，R9，C3为噪声滤波电容，C4为耦合输出电容(C3,C4不一定为必须器件)；

激光器驱动电路：主要是用于恒功率控制激光发射器的驱动电流，通过光功率探测器PD检测激光器LD发射的功率，通过比较电路调整输出功率，实现基准功率的稳定输出。当有脉冲信号输入后将脉冲信号叠加在基准功率上输出，实现高速电光转换功能。电位器R17用于调节稳态功率大小，与光功率探测器PD检测信号合并驱动Q3三极管，信号经C6滤波后给定Q2电流型三极管，使激光发射器工作在一个稳态电流下。若脉冲信号输入后，叠加在稳态电流上驱动激光器LD，发射光信号输出至光纤端口；

光纤接收模块采用激光探测器PIN将光纤传送过来的光信号转换为电压信号，再经过放大器放大后连接至示波器等测量终端。一般包括：激光探测器、放大器以及供电电路三个部分；当光纤探测器D1检测到光纤有信号传输时会有电流流过D1，电流大小与光信号成正比，D1两端会形成与电流大小相反的电压，通过耦合器C1后再运放U13脚输入端形成脉冲电压信号，经运放 U1放大后输出至端口J1，可用于示波器等信号监测终端。

参考图4，为了实现对信号进行衰减处理的目的；所述衰减电路中通过电阻R1、电阻R2和电阻R3共同组成一个50Ω的衰减模块。效果为，将外部外部输入较高电压的信号转换为电路芯片工作电压范围内信号，一般将外部 10V-1000V信号衰减至±1.5V以内。

参考图4，为了实现对微弱信号的稳定输出的目的；所述阻抗匹配电路中包括有核心芯片Q、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C2，所述电阻R4、所述电阻R5和所述电阻R6组成外围电路。效果为，阻抗匹配电路是用于解决负载阻抗较小时微弱的电压信号可能会被拉低，导致测量到的信号低于实际信号，因此阻抗匹配电路采用1M以上高阻芯片输入，输出可保证在较小负载时仍能稳定输出和输入信号相同的电压信号的电路。

参考图4，为了对信号进行有效的放大处理的目的；所述信号放大电路中包括有运算放大器芯片U1、电阻R7、电阻R8、电阻R9、滤波电容C3和耦合输出电容C4，所述电阻R8和所述电阻R9组成放大电路。效果为，是将输入的脉冲电压信号转换为电流脉冲信号，用于驱动激光器LD。

参考图5，为了实现对信号的稳定输出的目的；所述激光器驱动电路包括有电位器R17、三极管Q3、滤波电容C6、三极管Q2。效果为，主要是用于恒功率控制激光发射器的驱动电流，通过光功率探测器PD检测激光器LD发射的功率，通过比较电路调整输出功率，实现基准功率的稳定输出。当有脉冲信号输入后将脉冲信号叠加在基准功率上输出，实现高速电光转换功能。

参考图6，为了对接收的信号进行处理的目的；所述接收模块中包括有二极管D1、耦合器C1、运放U13、经运放U1和端口J1。效果为，将光纤传送过来的光信号转换为电压信号，再经过放大器放大后连接至示波器等测量终端。

参考图1，为了实现对光纤信号进行接收的目的；所述发射模块中的DC-DC 升压电路电性连接有5V供电源，所述衰减电路电性连接有监测探头，所述激光器驱动电路电性连接有光纤输出端。效果为，可以实现对发射模块进行供电，以及实现对信号的接收和发射。

参考图2和6，为了实现对光纤信号进行接收和传输的目的；所述接收模块中的DC-DC升压电路电性连接有24V供电源，所述激光探测器电性连接有光纤输入端，所述信号放大器电性连接有光纤输出端。销杆，可以实现对接收模块进行供电，以及实现对信号的接收和发射。

使用原理及优点：

外部的电压、电流、电场、磁场等监测探头将外部信号转换为电压信号输入，首先经过衰减电路将较高的电压转换为±1.5V的低电压信号，由于外部信号有正负极性，而一般高速信号芯片均为单极性，因此偏置电路可将双极性的脉冲信号增加偏置电压，转换为单极性信号，再经过运放将电压信号转换为可驱动激光器的脉冲电流信号，经激光器转换为高速的光功率信号通过光纤口发送。DC-DC升压电路可将外部电源用于对转换电路供电，同时可作为电池充电电源，电池为充电电池，可在无外接电源情况下为模块提供电能；

DC-DC升压电路：是将5V的供电电源升压至较高电压，这个较高电压约 7-30V，目的在于给发射模块的放大电路供电；

发射模块包括：衰减电路、阻抗匹配电路、信号放大电路、激光器驱动等。其中：

衰减电路：R1，R2，R3共同组成一个50Ω的衰减电路，用于将外部外部输入较高电压的信号转换为电路芯片工作电压范围内信号，一般将外部 10V-1000V信号衰减至±1.5V以内。

阻抗匹配电路：阻抗匹配电路是用于解决负载阻抗较小时微弱的电压信号可能会被拉低，导致测量到的信号低于实际信号，因此阻抗匹配电路采用 1M以上高阻芯片输入，输出可保证在较小负载时仍能稳定输出和输入信号相同的电压信号的电路。采用Q1为核心芯片，配合R4，R5，R6组成外围电路， C2为耦合电容目的是将阻抗匹配电路输出信号再次去偏置后，输出至信号放大电路。

信号放大电路：是将输入的脉冲电压信号转换为电流脉冲信号，用于驱动激光器LD。采用电流型运算放大器芯片U1，配合下拉电阻R7，以及放大电路R8，R9，C3为噪声滤波电容，C4为耦合输出电容(C3,C4不一定为必须器件)；

激光器驱动电路：主要是用于恒功率控制激光发射器的驱动电流，通过光功率探测器PD检测激光器LD发射的功率，通过比较电路调整输出功率，实现基准功率的稳定输出。当有脉冲信号输入后将脉冲信号叠加在基准功率上输出，实现高速电光转换功能。电位器R17用于调节稳态功率大小，与光功率探测器PD检测信号合并驱动Q3三极管，信号经C6滤波后给定Q2电流型三极管，使激光发射器工作在一个稳态电流下。若脉冲信号输入后，叠加在稳态电流上驱动激光器LD，发射光信号输出至光纤端口；

光纤接收模块采用激光探测器PIN将光纤传送过来的光信号转换为电压信号，再经过放大器放大后连接至示波器等测量终端。一般包括：激光探测器、放大器以及供电电路三个部分；当光纤探测器D1检测到光纤有信号传输时会有电流流过D1，电流大小与光信号成正比，D1两端会形成与电流大小相反的电压，通过耦合器C1后再运放U13脚输入端形成脉冲电压信号，经运放 U1放大后输出至端口J1，可用于示波器等信号监测终端。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.基于光纤传输的高速模拟量变送器，包括发射模块和接收模块，其特征在于：所述发射模块中包括有DC-DC升压电路，所述DC-DC升压电路电性连接电池，所述DC-DC升压电路电性连接有衰减电路、阻抗匹配网络、信号放大电路和激光器驱动电路，所述衰减电路电性连接着所述阻抗匹配网络，所述阻抗匹配网络电性连接着所述信号放大电路，所述信号放大电路电性连接着所述激光器驱动电路；

所述接收模块中也包括有一组DC-DC升压电路，所述DC-DC升压电路电性连接有激光探测器和信号放大器，所述激光探测器电性连接着所述信号放大器。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传输的高速模拟量变送器，其特征在于：所述衰减电路中通过电阻R1、电阻R2和电阻R3共同组成一个50Ω的衰减模块。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传输的高速模拟量变送器，其特征在于：所述阻抗匹配电路中包括有核心芯片Q、电阻R4、电阻R5、电阻R6和电容C2，所述电阻R4、所述电阻R5和所述电阻R6组成外围电路。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传输的高速模拟量变送器，其特征在于：所述信号放大电路中包括有运算放大器芯片U1、电阻R7、电阻R8、电阻R9、滤波电容C3和耦合输出电容C4，所述电阻R8和所述电阻R9组成放大电路。

5.根据权利要求1所述的基于光纤传输的高速模拟量变送器，其特征在于：所述激光器驱动电路包括有电位器R17、三极管Q3、滤波电容C6、三极管Q2。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传输的高速模拟量变送器，其特征在于：所述接收模块中包括有二极管D1、耦合器C1、运放U13、经运放U1和端口J1。

7.根据权利要求1所述的基于光纤传输的高速模拟量变送器，其特征在于：所述发射模块中的DC-DC升压电路电性连接有5V供电源，所述衰减电路电性连接有监测探头，所述激光器驱动电路电性连接有光纤输出端。

8.根据权利要求1所述的基于光纤传输的高速模拟量变送器，其特征在于：所述接收模块中的DC-DC升压电路电性连接有24V供电源，所述激光探测器电性连接有光纤输入端，所述信号放大器电性连接有光纤输出端。

Images