基于脉冲频率调制的光电测量传输电路的设计

　　摘 要：本文基于脉冲频率调制解调原理，设计了光电测量传输系统。给出了系统发射机、接收机的电路结构和整机系统的幅频特性。经实验测试表明，该系统具有良好的稳定性和线性度。

　　关键词：脉冲频率调制；光电测量；发射电路；接收电路

　　随着对测量系统提出的要求越来越高。光电测量系统由于具有绝缘性高、抗干扰能力强、高线性度等诸多优点，可以消除输入回路中的干扰信号和杂感信号对输出回路信号的干扰，实现输入信号、输出信号之间的无失真传输。从而在高压测量中有着极为广泛的应用。

　　本文在脉冲频率调制(PFM)原理上，研制了一种用压控振荡器(VCO)进行直接调频的电光测量传输系统。对该电路进行了实际测试，并给出了该系统的频率响应特性。

发射电路的设计
　　本光电测量系统的发射电路如图1所示。首先要对输入信号进行处理，通过对输入信号进行阻抗变换、放大、调制或数字化后送到光发射器件。由于频率调制的方式比其它调制方式有较多的优点，例如，抗干扰性强、频率响应好、线路相对比较简单等，因而本设计对测量信号进行直接调频。

　　衰减及偏置电路：将输入电压信号衰减和偏置到调频器的线性区内，并隔离传感器输出阻抗对调频器的影响。
调频器：采用VCO直接调频，其输出为PFM脉冲序列。

　　其中：，为中心频率；, 为频偏；，为调制信号频率。

　　整形电路：当VCO输出频率升高时，VCO的脉冲幅值将减小，由于发光二极管(LED)发出的光功率在高频段比低频段小，从而将影响系统的线性度。为此，本设计在LED驱动器前加了一个施密特触发器整形电路，使正弦波成为频率相同的脉冲波，从而使LED导通时驱动电流不随频率变化，同时使传输的信号为脉冲波。
驱动电路：将脉冲信号的功率放大，以驱动LED发出足够的光功率。

接收电路的设计

　　接收电路实质上是一个解调电路，是从调频波中恢复出原调制信号的过程。为了提高解调电路在灵敏度、选择性等各方面的性能，本设计中采用了超外差式设计。本设计的解调电路由限幅器、时延电路、滤波电路和解调后的放大电路组成。

　　本接收电路中采用脉冲计数式鉴频器。图3为脉冲计数式鉴频器各部分的信号波形，其中微分网络采用了时延微分电路。调制信号Vi(t)经过施密特触发电路，变为TTL信号V1(t)，然后通过时延微分电路形成脉冲调制波V2(t)。利用低通滤波器，得到所测信号Vo(t)。

　　当输入信号的瞬时频率较高时，输出脉冲数就会密集些，其平均值也就较高，因此低通滤波器的输出也较高；反之，当输入瞬时频率较低时，输出脉冲数就稀疏些，因此低通滤波器的输出脉冲平均值也较低。可见这种低通滤波器的输出是一个与输入信号的瞬时频率成比例的信号。

　　其中，为低通滤波器的传递函数；A0为V2(t)脉冲串的幅值；?为其持续时间。由公式(1)(2)可知，该鉴频器输出信号与输入信号的瞬时角频率呈线性关系，其斜率为。如果低通滤波器不隔直流，则输出所对应的载频中会有一直流分量，可用它作为自动频率微调。
　　
硬件选择和实验测试
　　对于传输用光电器件，本文采用了Agilent公司的HFBR-14XX和HFBR-24XX型接口电路。发射电路中的关键器件是调频器的选择，本文采用了TI公司的VCO 54LS628。它是一种14管脚的集成块，其电源电压为5V ，输入电压和输入参考电压均为0V~5V，高电平输入电流为-1.2mA，低电平输出电流为12mA，线性输出频率为20MHz，工作温度为-55℃~125℃。这种VCO在一定的输入电压下具有较好的线性工作特性，而且通过改变其外接电容和参考电压，还可以改变其在一定输入电压下的输出频率范围。根据测量的需要，本设计中VCO的外接电容为15pF，参考电压为4V，参考电压可以通过在其RNG管脚接一个稳压管来实现，本设计中采用了LM336。图4是由试验得出的脉冲频率调制测量传输系统幅频特性，由该图可以看出该系统通频带平坦、稳定性好。

结语
　　本文基于脉冲频率调制/解调原理，设计了光电测量传输系统。实验测试表明，该系统具有良好的稳定性和线性度。较好地解决了直接光强度调制系统稳定性差的问题，在实际测量应用中，具有广泛的应用前景。■

参考文献:

[1]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[2]. LM336 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LM336_843284.html.