一種基本VCO的電-光轉(zhuǎn)換發(fā)射電路的設(shè)計

摘要：介紹了基于電壓控制振蕩器（VCO）的電-光轉(zhuǎn)換電路的基本原理，設(shè)計了一種基于VCO的光-光轉(zhuǎn)換發(fā)射電路，并給出了其響應(yīng)特性。實驗結(jié)果表明這種電-光轉(zhuǎn)換發(fā)射電路具有良好的實用性。

關(guān)鍵詞：電壓控制振蕩器（VCO） 電-光轉(zhuǎn)換 發(fā)射電路

隨著測量技術(shù)的發(fā)展，對測量系統(tǒng)提出了越來越高的要求。在高電壓、強電場的測量中，信號輸入端和輸出端的電位懸殊較大，因此通常使用電-光轉(zhuǎn)換的方法使信號的輸入端和輸出端實現(xiàn)電絕緣[1]。電-光轉(zhuǎn)換組成的測量系統(tǒng)具有絕緣性高、抗干擾能力強、線性度高等諸多優(yōu)點[2]，因此可以消除輸入回路中的干擾信號和雜感信號對輸出回路信號的干擾，實現(xiàn)輸入信號-輸出信號之間的無失真?zhèn)鬏敗?/p>

本文介紹一種基本電壓控制振蕩器（VCO）的電-光轉(zhuǎn)換電路的基本原理及其發(fā)射電路。

1 基本VCO的電-光轉(zhuǎn)換的基本原理

1.1 電-光轉(zhuǎn)換

光電系統(tǒng)首先將欲傳輸?shù)碾娦盘栟D(zhuǎn)換成光信號，通過合適的光導(dǎo)傳輸系統(tǒng)后，再將光信號復(fù)原成電信號。完成這些轉(zhuǎn)換和傳輸功能的關(guān)鍵元件是光發(fā)射器、光傳輸器光接收器等。

1.2 發(fā)射電路

對輸入信號要進行處理，即要進行阻抗變換、放大、調(diào)制或數(shù)字化后才能送到光端機。由于頻率調(diào)制的方式經(jīng)其它調(diào)制方式有較多的優(yōu)點，如抗干擾性強、頻率響應(yīng)好、線路相對比較簡單等，因而它在測量中獲得了廣泛的應(yīng)用。因此本文設(shè)計的發(fā)射電路采用頻率調(diào)制的原理。圖1是其原理性框圖。

2 發(fā)射電路設(shè)計

本文設(shè)計的發(fā)射電路主要用于測量高壓直流輸電用晶閘管的電位分布，根據(jù)實際的測量需要制定了發(fā)射電路的主要技術(shù)指標(biāo)，具體如下：

輸入范圍：100V、10V、1V、0V

輸入阻抗：10MΩ、40pF

中心頻率：5MHz

線性工作頻率范圍：4～6MHz

輸出噪聲：小于4mV

2.1 衰減器

如前所述，發(fā)射電路共分為三部分。輸入信號首先接到一個衰減器上，衰減器的主要作用是限制輸入電壓的范圍和增大輸入阻抗。其具體電路采用電阻和電容串聯(lián)的形式，本文設(shè)計的衰減器如圖2所示。

2.2 阻抗變換和放大電路

經(jīng)過衰減的信號輸入到一個阻抗變換器進行阻抗變換，然后送入放大電路進行放大。阻抗變換和放大均采用低漂移高速高輸入阻抗運放LF356，其優(yōu)點為補償電壓的漂移小，輸出壓擺率高，其值約為雙極性運放的10倍。其最大的特點是輸入電流小，約為pA數(shù)量級。因此用該類放大器可非常容易地設(shè)計高速運算和積分電路。而且，采用這種運放，在噪聲和干擾比較嚴(yán)重的情況下仍然能獲得比較好的帶寬增益和信噪比。

第一級采用LF356實現(xiàn)阻抗變換，變換后的信號輸入到由另一個LF356組成的負反饋放大電路。圖3為阻抗變換和放大電路的原理圖。

2.3 電壓控制振蕩器（VCO）和驅(qū)動電路

在進入驅(qū)動電路之前，需要把電壓信號轉(zhuǎn)換成控制驅(qū)動電路的控制信號。這里采用Texas公司生產(chǎn)的壓控振蕩器54LS628。它是一個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?～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，使用溫度為-55℃～125℃[4]。這種壓控振蕩器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，還要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(shè)計中壓控振蕩器的外接電容為15pF，參考電壓為4V，參考電壓可以通過在其12管腳（RNG管腳）接一個穩(wěn)壓管來實現(xiàn)，本言語采用LM336.圖4為54LS628工作的理想輸入/輸出特性曲線。由圖中可以看出其工作的最大頻率為11MHz，中心頻率為5MHz，系統(tǒng)在這種工作狀態(tài)下具有良好的線性度，符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。

電壓信號經(jīng)過VCO后，輸出為一定的脈沖信號。驅(qū)動電路就是通過這個脈沖信號驅(qū)動光電器件發(fā)光，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。這里采用的驅(qū)動電路是由高速開關(guān)三極管2N2369、開關(guān)二極管1N4148和電容組成的驅(qū)動電路。其工作原理主要是：利用VCO輸出的脈沖控制1N4148和電容并聯(lián)構(gòu)成的充放電回路，利用這個回路控制2N2369的基極電流，從而控制發(fā)光器件的光頻率。圖5為VCO和驅(qū)動電路的原理圖。

3 測試結(jié)果和結(jié)論

在整個發(fā)射電路輸入端加上不同幅值的輸入信號，在驅(qū)動電路的1N4148輸出可測得頻率信號，這個輸出頻率信號就是發(fā)光器件的實際發(fā)光頻率。所得的測量結(jié)果如圖6所示。

這種發(fā)射電路還可以用在工作頻率在一定范圍的其它光電轉(zhuǎn)換測量電路中，而且通過改變54LS628外接電容和參考電壓的值，還可以改變其測量的頻率范圍，以達到測量的需要。