基于脈沖頻率調制的光電測量傳輸電路的設計

圖1  發射電路原理圖

圖2 接收電路原理圖

圖3  脈沖頻率調制系統各部分信號波形

圖4 脈沖頻率調制測量傳輸系統幅頻特性

發射電路的設計
本光電測量系統的發射電路如圖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、調制或數字化后送到光發射器件。由于頻率調制的方式比其它調制方式有較多的優點，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頻。
衰減及偏置電路：將輸入電壓信號衰減和偏置到調頻器的線性區內，并隔離傳感器輸出阻抗對調頻器的影響。
調頻器：采用VCO直接調頻，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，由于發光二極管(LED)發出的光功率在高頻段比低頻段小，從而將影響系統的線性度。為此，本設計在LED驅動器前加了一個施密特觸發器整形電路，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，同時使傳輸的信號為脈沖波。
驅動電路：將脈沖信號的功率放大，以驅動LED發出足夠的光功率。

接收電路的設計
接收電路實質上是一個解調電路，是從調頻波中恢復出原調制信號的過程。為了提高解調電路在靈敏度、選擇性等各方面的性能，本設計中采用了超外差式設計。本設計的解調電路由限幅器、時延電路、濾波電路和解調后的放大電路組成，如圖2所示。　　
本接收電路中采用脈沖計數式鑒頻器。圖3為脈沖計數式鑒頻器各部分的信號波形，其中微分網絡采用了時延微分電路。調制信號Vi(t)經過施密特觸發電路，變為TTL信號V1(t)，然后通過時延微分電路形成脈沖調制波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，輸出脈沖數就稀疏些，因此低通濾波器的輸出脈沖平均值也較低。可見這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；A0為V2(t)脈沖串的幅值；為其持續時間。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。
　　
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。發射電路中的關鍵器件是調頻器的選擇，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 ，輸入電壓和輸入參考電壓均為0V~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管腳接一個穩壓管來實現，本設計中采用了LM336。圖4是由試驗得出的脈沖頻率調制測量傳輸系統幅頻特性，由該圖可以看出該系統通頻帶平坦、穩定性好。

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