高精密光傳輸放大系統的設計與實現

摘要：本文介紹了一種將電信號高精密放大后轉換成光信號進行隔離傳輸的系統，詳細論述了該系統的性能特點和工作原理。通過現場測試及實際運行，驗證了該系統能在復雜電磁環境下穩定可靠地傳輸數據。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/256094.htm

關鍵詞：高精密放大；隔離傳輸；電磁環境

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.010

引言

在現代復雜的強電磁干擾環境下，電磁輻射對傳輸線路的影響較大，容易引進噪聲，為了快速準確地傳輸數據，下面介紹一種以光為介質的高精密光傳輸系統，它將現場采樣到的微弱電信號進行精密放大后轉換成光信號傳輸，最后再還原成電信號，實現了信號在復雜電磁環境下穩定可靠的傳輸。

1 系統構成

本傳輸放大系統由信號放大電路和光傳輸電路組成。系統框圖見圖1。

1.1 信號放大電路

在試驗現場，傳感器檢測到的輸出電信號一般很小，而且往往含有噪聲和干擾，若要對傳感器輸出的微弱信號進行A/D轉換、高精度計算、顯示等處理，就必須對其進行精密放大。集成運算放大器是由多級直接耦合放大電路組成的高增益模擬集成電路，具有增益高、輸入電阻大、輸出電阻低、共模抑制比高、失調與漂移小等優點，是電路設計中使用非常普遍的器件[1]。因此，正確合理地利用集成運算放大器，減少信號在傳輸中的誤差，對于提高信號精度，確保測量數據的準確性具有重要的作用。圖2為一反相輸入放大器。本系統中為了提高精度，IC芯片選用運算放大器OPA2277。

OPA2277是美國TI公司生產的通用型高精度運算放大器，該芯片包含兩路運算放大電路，失調電壓與漂移電壓小，其工作電壓為±5V～±15V，工作溫度–40℃～85℃，增益帶寬1MHz。每路運放均為反相輸入放大器，引入反饋后的閉環增益為

光傳輸電路由光發送電路和光接收電路兩部分組成。在電信號進入光傳輸電路前，首先要進行光電轉換。實現這一功能的芯片我們選用AD650。AD650是一款由ADI公司生產的具有優異性能的V/F轉換和F/V轉換集成電路。它采用電荷平衡式V/ F轉換原理，輸入可為單極性電壓、雙極性電壓或差分電壓，輸出為矩形波[2]。AD650采用集電極開路輸出，輸出端經過上拉電阻接電源，能與CMOS、TL電路兼容。AD650電源電壓范圍寬、功耗低，它采用雙電源供電，典型值為±15V，靜態電流小于8mA[3]。

圖5為光/電轉換及光接收電路原理圖。輸入信號頻率fin首先經過微分電路從AD650的引腳9進入，變成負脈沖，經內部轉換后的直流電壓從AD650的引腳1輸出，其大小與輸入頻率fin成正比[4]。可調電阻分別用作滿度校準和零度校準。

電光、光電轉換采用在工業生產中廣泛使用的Agilent公司生產的HFBR系列光收發器。電光轉換發射器選用HFBR1528，光電轉換接收器選用HFBR2528。具體電路如圖4、圖5所示。推薦的標準型號光纖是1mmPOF塑料光纖，既經濟又便于使用[5]。

實際測得系統的增益為31.11dB～31.32dB，由于電壓信號經最后的輸出電阻和測量顯示用的模擬表頭內阻的分壓及運放的微小偏置，故實際測量的要比理論計算的增益要偏小。隨著輸入電壓的升高，增益趨于穩定，故系統能夠得到穩定不失真的放大。

2.2 時漂測定

當Vi=0mV時，經過1小時的連續測試，詳細數據見表2。

在經過兩次放大后，系統時漂控制在10mV以內，可以滿足測試現場模擬表頭對時漂的誤差（100mv）要求。

2.3 頻率測定

當Vi=0mV時，經過1個小時的測試，詳細數據見表3。

根據公式（2），調整輸入電阻RIN、定時電容C3的值，保證當0mv輸入的電壓信號對應的光輸出理論頻率為10.0kHz。經過1個小時的測試，頻率基本上保持在10.001kHz～10.00 4kHz之間，變化幅度最大僅為3Hz，從而保證了輸出與輸入頻率的一致性。

3 結論

系統實現后，在某強電大功率發射系統試驗中多次進行試驗，結果表明，控制終端收到的報警信號準確無誤，關斷高壓操作正常，指示終端顯示正常，數據準確穩定，從而驗證了該系統能在復雜電磁環境下穩定可靠地傳輸數據。

參考文獻：

[1]吳曉莉.集成運算放大器在測井儀器電路設計中的應用技巧[J].石油儀器，2013（04）

[2]萬天才.AD650電壓頻率與頻率電壓轉換器[J].國外電子元器件，1999（7）：2-4

[3]BRYANT James.AD650-AN361 application note[R]. USA：Analog Devices Inc，2000

[4]牛天蘭，丁彥闖.V /F， F /V轉換器AD650及其應用[J].大連鐵道學院學報.2003（2）45-47

[5]馮伯儒.光纖選擇的實際考慮[J].光通信技術，1985（3）：78-79