基于脈沖頻率調(diào)制的光電測(cè)量傳輸電路的設(shè)計(jì)

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(hào)波形

圖4 脈沖頻率調(diào)制測(cè)量傳輸系統(tǒng)幅頻特性

發(fā)射電路的設(shè)計(jì)
本光電測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)射電路如圖1所示。首先要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)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(diǎn)，例如，抗干擾性強(qiáng)、頻率響應(yīng)好、線路相對(duì)比較簡(jiǎn)單等，因而本設(shè)計(jì)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行直接調(diào)頻。
衰減及偏置電路：將輸入電壓信號(hào)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(duì)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(hào)頻率。
整形電路：當(dāng)VCO輸出頻率升高時(shí)，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(shè)計(jì)在LED驅(qū)動(dòng)器前加了一個(gè)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(dǎo)通時(shí)驅(qū)動(dòng)電流不隨頻率變化，同時(shí)使傳輸?shù)男盘?hào)為脈沖波。
驅(qū)動(dòng)電路：將脈沖信號(hào)的功率放大，以驅(qū)動(dòng)LED發(fā)出足夠的光功率。

接收電路的設(shè)計(jì)
接收電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)解調(diào)電路，是從調(diào)頻波中恢復(fù)出原調(diào)制信號(hào)的過(guò)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(shè)計(jì)中采用了超外差式設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的解調(diào)電路由限幅器、時(shí)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(jì)數(shù)式鑒頻器。圖3為脈沖計(jì)數(shù)式鑒頻器各部分的信號(hào)波形，其中微分網(wǎng)絡(luò)采用了時(shí)延微分電路。調(diào)制信號(hào)Vi(t)經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)電路，變?yōu)門(mén)TL信號(hào)V1(t)，然后通過(guò)時(shí)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(cè)信號(hào)Vo(t)。
由圖3可知，當(dāng)輸入信號(hào)的瞬時(shí)頻率較高時(shí)，輸出脈沖數(shù)就會(huì)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(dāng)輸入瞬時(shí)頻率較低時(shí)，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。可見(jiàn)這種低通濾波器的輸出是一個(gè)與輸入信號(hào)的瞬時(shí)頻率成比例的信號(hào)。
接收電路通過(guò)低通濾波器的輸出信號(hào)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(shí)間。由公式(1)(2)可知，該鑒頻器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的瞬時(shí)角頻率呈線性關(guān)系，其斜率為。如果低通濾波器不隔直流，則輸出所對(duì)應(yīng)的載頻中會(huì)有一直流分量，可用它作為自動(dòng)頻率微調(diào)。
　　
硬件選擇和實(shí)驗(yàn)測(cè)試
對(duì)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(guān)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(guò)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(cè)量的需要，本設(shè)計(jì)中VCO的外接電容為15pF，參考電壓為4V，參考電壓可以通過(guò)在其RNG管腳接一個(gè)穩(wěn)壓管來(lái)實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中采用了LM336。圖4是由試驗(yàn)得出的脈沖頻率調(diào)制測(cè)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(jié)語(yǔ)
本文基于脈沖頻率調(diào)制/解調(diào)原理，設(shè)計(jì)了光電測(cè)量傳輸系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)穩(wěn)定性差的問(wèn)題，在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，具有廣泛的應(yīng)用前景?！?/P>