基于脈沖頻率調(diào)制的光電測量傳輸電路的設計

圖1  發(fā)射電路原理圖

圖2 接收電路原理圖

圖3  脈沖頻率調(diào)制系統(tǒng)各部分信號波形

圖4 脈沖頻率調(diào)制測量傳輸系統(tǒng)幅頻特性

發(fā)射電路的設計
本光電測量系統(tǒng)的發(fā)射電路如圖1所示。首先要對輸入信號進行處理，通過對輸入信號進行阻抗變換、放大、調(diào)制或數(shù)字化后送到光發(fā)射器件。由于頻率調(diào)制的方式比其它調(diào)制方式有較多的優(yōu)點，例如，抗干擾性強、頻率響應好、線路相對比較簡單等，因而本設計對測量信號進行直接調(diào)頻。
衰減及偏置電路：將輸入電壓信號衰減和偏置到調(diào)頻器的線性區(qū)內(nèi)，并隔離傳感器輸出阻抗對調(diào)頻器的影響。
調(diào)頻器：采用VCO直接調(diào)頻，其輸出為PFM脈沖序列。頻率為
                  (1)
其中：，為中心頻率；, 為頻偏；，為調(diào)制信號頻率。
整形電路：當VCO輸出頻率升高時，VCO的脈沖幅值將減小，由于發(fā)光二極管(LED)發(fā)出的光功率在高頻段比低頻段小，從而將影響系統(tǒng)的線性度。為此，本設計在LED驅動器前加了一個施密特觸發(fā)器整形電路，使正弦波成為頻率相同的脈沖波，從而使LED導通時驅動電流不隨頻率變化，同時使傳輸?shù)男盘枮槊}沖波。
驅動電路：將脈沖信號的功率放大，以驅動LED發(fā)出足夠的光功率。

接收電路的設計
接收電路實質(zhì)上是一個解調(diào)電路，是從調(diào)頻波中恢復出原調(diào)制信號的過程。為了提高解調(diào)電路在靈敏度、選擇性等各方面的性能，本設計中采用了超外差式設計。本設計的解調(diào)電路由限幅器、時延電路、濾波電路和解調(diào)后的放大電路組成，如圖2所示?！　?BR>本接收電路中采用脈沖計數(shù)式鑒頻器。圖3為脈沖計數(shù)式鑒頻器各部分的信號波形，其中微分網(wǎng)絡采用了時延微分電路。調(diào)制信號Vi(t)經(jīng)過施密特觸發(fā)電路，變?yōu)門TL信號V1(t)，然后通過時延微分電路形成脈沖調(diào)制波V2(t)。最后利用低通濾波器，得到所測信號Vo(t)。
由圖3可知，當輸入信號的瞬時頻率較高時，輸出脈沖數(shù)就會密集些，其平均值也就較高，因此低通濾波器的輸出也較高；反之，當輸入瞬時頻率較低時，輸出脈沖數(shù)就稀疏些，因此低通濾波器的輸出脈沖平均值也較低?？梢娺@種低通濾波器的輸出是一個與輸入信號的瞬時頻率成比例的信號。
接收電路通過低通濾波器的輸出信號為：
               (2)
其中，為低通濾波器的傳遞函數(shù)；A0為V2(t)脈沖串的幅值；為其持續(xù)時間。由公式(1)(2)可知，該鑒頻器輸出信號與輸入信號的瞬時角頻率呈線性關系，其斜率為。如果低通濾波器不隔直流，則輸出所對應的載頻中會有一直流分量，可用它作為自動頻率微調(diào)。
　　
硬件選擇和實驗測試
對于傳輸用光電器件，本文采用了Agilent公司的HFBR-14XX和HFBR-24XX型接口電路。發(fā)射電路中的關鍵器件是調(diào)頻器的選擇，本文采用了TI公司的VCO 54LS628。它是一種14管腳的集成塊，其電源電壓為5V ，輸入電壓和輸入?yún)⒖茧妷壕鶠?V~5V，高電平輸入電流為-1.2mA，低電平輸出電流為12mA，最大線性輸出頻率為20MHz，工作溫度為-55℃~125℃。這種VCO在一定的輸入電壓下具有較好的線性工作特性，而且通過改變其外接電容和參考電壓，還可以改變其在一定輸入電壓下的輸出頻率范圍。根據(jù)測量的需要，本設計中VCO的外接電容為15pF，參考電壓為4V，參考電壓可以通過在其RNG管腳接一個穩(wěn)壓管來實現(xiàn)，本設計中采用了LM336。圖4是由試驗得出的脈沖頻率調(diào)制測量傳輸系統(tǒng)幅頻特性，由該圖可以看出該系統(tǒng)通頻帶平坦、穩(wěn)定性好。

結語
本文基于脈沖頻率調(diào)制/解調(diào)原理，設計了光電測量傳輸系統(tǒng)。實驗測試表明，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和線性度。較好地解決了直接光強度調(diào)制系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問題，在實際測量應用中，具有廣泛的應用前景?！?/P>