一種基于RMS和V－F轉換的遠程傳輸A／D采集電路的實現＊

邊 鋼 王 衡 譚 巍 李 縱

（武漢船舶通信研究所 武漢 430079）

1 引言

無線通信領域內的大功率信號發射系統運行時，為了有效控制功率放大電路的穩定、可靠運行，對某些關鍵電路節點的電能參數進行在線監測是必要的。

但是，功率放大電路中交流信號含有非標準的正弦及不同階次的諧波信號，同時，采樣后的電信號傳輸線路處于強電場、強磁場環境，從而導致電信號產生畸變，尋求一種具有真有效值（RMS）與抗干擾特性[1]，而且能夠實現遠距離傳輸的模擬信號采樣電路，具有現實意義。

2 概述

圖1 采樣、發送及接收電路原理

本文提出了基于真有效值的A／D采樣、V／F和F／V轉換、光纖傳輸等技術設計的硬件電路的實現方法是：對含有不同階次的諧波信號進行數據A／D采樣，得到真有效值（RMS）電壓幅值后，正比例轉換為頻率（V／F）信號，信號通過光發送器發送至光纖介質，光纖將信號傳輸到光信號接收器[2]，然后通過頻率轉電壓（F／V）轉換電路，將轉換得到的電壓幅值信號經光電隔離電路輸出[3]，光纖兩端沒有直接的電路鏈接，實現了電氣隔離，從而實現遠程A／D模擬信號采集與傳輸。

3 電路的實現

3.1 發射模塊

來自發射模塊外部的非標準的正弦信號及含有不同階次的諧波信號接入磁電隔離接口電路輸入端，模擬信號耦合輸出至有源低通濾波器，將其信號中的突發脈沖和干擾濾除，經運算放大器對信號進行適當放大或者衰減，輸出波形光滑、幅值適當的信號給真有效值（RMS）轉換電路接口[4]。

圖2 信號采集轉換及發射電路

RMS轉換電路基于AD637真有效值AC／DC轉換芯片組成[5]，以“平方→求平均值→開平方”方式進行真有效值A／D轉換[6～7]，轉換后的信號經由AD652為核心器件構成的電路單元，將電壓信號轉換為幅度穩定的頻率信號，然后經邏輯電平驅動芯片DS75451和光信號發送器件構成的光電轉換電路（E／O）輸出，輸出信號傳送到光纖介質。

3.2 傳輸介質

為了將發射模塊電路轉換能得到的信號實現遠距離傳輸，同時減少外部電磁雜波對傳輸線路的干擾，這里使用光脈沖信號傳輸，介質為光纖。

選擇光纖作為傳輸介質，可以增強信號遠距離傳輸的抗電磁干擾性能和抗輻射能力，光纖規格的選擇，依據信號傳輸的距離確定；選用不同材質的光纖，并配合選擇不同規格的光信號發送器件和接收器件。

其中，選用規格為1mm的塑料光纖傳輸有效距離小于50m，參考選擇的光信號發射器件型號為HFBR－1528，光信號接收器件型號為HFBR－2528；如果要實現傳輸距離超過1km，傳輸光纖無需加載能量進行驅動，參考選擇型號為HFBR－1414的光信號發射器件，光纖規格為200μm的硬包層石英（HCS）光纖，光信號接收器件型號為HFBR－2412。

工程應用中，根據實際需求，對應選擇上述的搭配，可以實現不同距離的信號傳輸；同時，滿足工程對成本的需求。

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換電路（O／E）模塊的光纖信號接收器（HFBR－1414）接口；信號經接口電路輸入到接收模塊，將光信號轉換為電信號，然后輸出至基于 AD652組成的頻率／電壓（F／V）轉換電路單元[8]，此模塊按照線性轉換原則，將頻率信號復原為電壓幅值信號，即還原了發送模塊的信號調理電路輸出的電壓幅值信號；然后，電路再次對信號調理，經線性光耦芯片HCNR200輸出，提供給測量與控制系統的相應接口電路。

圖3 信號接收轉換電路

4 電路設計

4.1 AD637的輸入與輸出

1）本文依據AD637芯片的數據表，根據設計需求，選擇雙極性信號輸入范圍：－5V～＋5V，以此作為設計電路的基本需求，可以適應寬電壓A／D采集的量程要求。

輸入電壓Uin經過運算放大器的緩沖隔離，輸入到AD637的信號輸入腳，同時給運算放大器設置輸入偏置電壓（1～100mV），提升AD637內部緩沖器的靜態工作點；另外，選擇JEET輸入高速運算放大器作為跟隨器，提高輸入阻抗，提高穩定性，減少噪聲[9]。

2）在AD637電壓輸出端第9腳設置兩級有源低通濾波器，一個是獨立的低通濾波器，構成電容倍增電路，其輸出接另一個由運算放大器組成的低通濾波器，起到提高測量速度、濾除低頻分量，使輸出穩定的作用。

3）低通濾波器的輸出端接入低失調電壓的運算放大器形成的可調比例放大器，提高輸出值準確度。

4.2 AD652的輸出

為了滿足增益與失調的校準需求，基于AD652同步電壓頻率轉換的單元電路采用如下方法：調整滿度時，用串聯500Ω的可調電阻進行電阻值微調，其連接如圖4所示。當輸入負信號時，串聯的500Ω電位器接地，6腳作為輸入端；增益的微調是在輸入信號9V和輸出頻率波形準確調整到45%時鐘頻率下進行的；用20KΩ的電位器跨接在2、3腳之間，中間抽頭經250KΩ的電阻接到Vcc上，這時放大器的失調電壓調整可以補償到零[12]。

圖4 AD652輸出接口

5 結語

本文闡述的基于真有效值、光纖傳輸與光信號發送與接收等技術設計的電路，實現了電磁干擾強的復雜測量與控制系統中小信號的采集與遠程傳輸，同時滿足真有效值A／D采集與轉換，遠距離傳輸后數據不失真、抗電磁干擾等特性，經過工程實踐的驗證，滿足了實際應用需求。

[1]RMS－to－DC converters Ease Measurement Task An－268ANALOG DEVICES Inc.

[2]石一，楊小衛，高迎慧，等.光纖隔離變換器在高壓充電電源中的應用 [J].高電壓技術，2008，34（7）：1422－1425.

[3]吳文秀.一種利用V／F和F／V轉換器實現遠距離隔離傳輸的實用電路[J].長江大學學報（自科版），2006，12，3（4）：110－111.

[4]High Precision Wideband RMS－to－DC Converter AD637＠2011 ANALOG DEVICES Inc.

[5]Monolithic Synchronous Voltage－to－Frequency Converter AD652 ＠2004ANALOG DEVICES Inc.

[6]Clarkes Kitchin and Lew Counts RMS to DC Conversion Application Guide 2ndEdition ANALOG DEVICES Inc.

[7]ADI.Voltage－to－frequency and frequency－to－voltage converter[Z].USA，2002，1，12.

[8]高美珍.AD651／652電壓頻率轉換器的原理及應用[J].湖北師范學院學報（自然科學版），2005，5（1）：74－77.

[9]唐軍，郭濤，石云波，等.高精度加速度傳感器信號處理電路的設計 [J].傳感器技術，2004，24（7）：52－56.

[10]黃惠欽，楊威棣，潘雪峰.基于TMS320F2812的高速數據采集系統[J].計算機與數字工程，2011（8）.

[11]龔俊.基于DSP和USB的信號采樣傳輸方法研究[J].計算機與數字工程，2008（9）.

[12]陳仁偉，朱長青，岳夕彪.高準確度有效值轉換電路的設計與實現 [J].電子測量技術，2010，33（6）：20－22.