一種基本VCO的電-光轉換發射電路的設計

2020-12-05 電子產品世界

摘要：介紹了基於電壓控制振蕩器（VCO）的電-光轉換電路的基本原理，設計了一種基於VCO的光-光轉換發射電路，並給出了其響應特性。實驗結果表明這種電-光轉換發射電路具有良好的實用性。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/225763.htm

關鍵詞：電壓控制振蕩器（VCO） 電-光轉換 發射電路

隨著測量技術的發展，對測量系統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-光轉換的方法使信號的輸入端和輸出端實現電絕緣[1]。電-光轉換組成的測量系統具有絕緣性高、抗幹擾能力強、線性度高等諸多優點[2]，因此可以消除輸入迴路中的幹擾信號和雜感信號對輸出迴路信號的幹擾，實現輸入信號-輸出信號之間的無失真傳輸。

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

1 基本VCO的電-光轉換的基本原理

1.1 電-光轉換

光電系統首先將欲傳輸的電信號轉換成光信號，通過合適的光導傳輸系統後，再將光信號復原成電信號。完成這些轉換和傳輸功能的關鍵元件是光發射器、光傳輸器光接收器等。

1.2 發射電路

對輸入信號要進行處理，即要進行阻抗變換、放大、調製或數位化後才能送到光端機。由於頻率調製的方式經其它調製方式有較多的優點，如抗幹擾性強、頻率響應好、線路相對比較簡單等，因而它在測量中獲得了廣泛的應用。因此本文設計的發射電路採用頻率調製的原理。圖1是其原理性框圖。

2 發射電路設計

本文設計的發射電路主要用於測量高壓直流輸電用晶閘管的電位分布，根據實際的測量需要制定了發射電路的主要技術指標，具體如下：

輸入範圍：100V、10V、1V、0V

輸入阻抗：10MΩ、40pF

中心頻率：5MHz

線性工作頻率範圍：4～6MHz

輸出噪聲：小於4mV

2.1 衰減器

如前所述，發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範圍和增大輸入阻抗。其具體電路採用電阻和電容串聯的形式，本文設計的衰減器如圖2所示。

2.2 阻抗變換和放大電路

經過衰減的信號輸入到一個阻抗變換器進行阻抗變換，然後送入放大電路進行放大。阻抗變換和放大均採用低漂移高速高輸入阻抗運放LF356，其優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數量級。因此用該類放大器可非常容易地設計高速運算和積分電路。而且，採用這種運放，在噪聲和幹擾比較嚴重的情況下仍然能獲得比較好的帶寬增益和信噪比。

第一級採用LF356實現阻抗變換，變換後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）和驅動電路

在進入驅動電路之前，需要把電壓信號轉換成控制驅動電路的控制信號。這裡採用Texas公司生產的壓控振蕩器54LS628。它是一個14管腳的集成塊，其電源電壓為5V，輸入電壓和輸入參考電壓均為0～5V，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範圍。根據測量的需要，本設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）接一個穩壓管來實現，本言語採用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，系統在這種工作狀態下具有良好的線性度，符合系統的設計要求。

 電壓信號經過VCO後，輸出為一定的脈衝信號。驅動電路就是通過這個脈衝信號驅動光電器件發光，從而實現光電轉換。這裡採用的驅動電路是由高速開關三極體2N2369、開關二極體1N4148和電容組成的驅動電路。其工作原理主要是：利用VCO輸出的脈衝控制1N4148和電容並聯構成的充放電迴路，利用這個迴路控制2N2369的基極電流，從而控制發光器件的光頻率。圖5為VCO和驅動電路的原理圖。

3 測試結果和結論

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

這種發射電路還可以用在工作頻率在一定範圍的其它光電轉換測量電路中，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範圍，以達到測量的需要。


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