一种基于光纤传输的监测信号处理系统

在高压监测系统中，要把由电流取样所提取出的高压侧的模拟电压信号，传输到低压侧显示，考虑到数字传输具有抗干扰性好以及高低压侧之间的绝缘要求，采用光纤作为通信的传输通道。光纤是由非导电材质做成，具有良好的绝缘性能，在电工领域中受到了越来越高的重视，利用光纤传输通信可以具有这样的几个特点，一是光纤可以作为高低压侧之间的绝缘介质，二是作为高压侧和低压侧信号通信的介质。而用光纤传输必须把电信号转换成光信号，常用的把模拟信号转换成数字信号的方法有压频转换方法和模数转换的方法两种。把数字信号转换成模拟信号的方法就是数模转换的方法。通过这个监测信号处理系统，可以得到理想的监测信号实时波形。

1 模拟信号转换为数宇信号的方法

信号要通过光纤传输，必须把模拟信号转换成数字信号，转换的方法可以采取多种方法进行。下面介绍常用的两种方法。

1.1 压频转换方法

压频转换是一种输出频率与输入信号成正比的电路，它是把模拟信号通过V／F变换变换为频率信号，用这个频率信号驱动发光二极管发光。它可以以频率的形式传输模拟信号，能通过光电隔离器，光纤链路，双绞线或同轴电缆和无线电链路传输频率信号使其不受干扰。由于高低压侧需要绝缘，决定用光纤传输，但压频转换的方法当用频率传输信号时在光耦合的时候会出现大的线性误差，影响精度。所以V／F变换的性能会直接影响到精度。

1.2 模数转换的方法

由于压频转换的方法把模拟信号变成数字信号具有速度比较慢的缺点，为了提高转换速度通常用模数转换的方法。常用的速度比较快的模数转换器是逐次逼近式的A／D转换器。对于A／D转换器的要求如下：

功耗小 由于高压侧的信号处理板所需要的电源在高压侧，所以尽量减少电路所需的功耗是一个很重要的问题；

采样率足够高 为了保证信号采样的分辨率，所选用的芯片要有足够高的分辨率；

信号要能串行输入 这是因为高压侧的信号要通过光纤传输，为了减少光纤所用的数量，要减少所用的传输通道，所以用有串行输入口的芯片能简化系统结构，提高系统的可靠性；

电压输入范围应该是双极性的 由于信号输入是双极性信号，就要求模数转换芯片的允许输入信号最好也是双极性的，这样可以避免转换时再对输入信号进行极性转换，从而简化整个电路设计，同时也能提高整个系统工作的可靠性；

保证系统的分辨率 为了保证整个系统的分辨率应该采用高位数的转换芯片。

综合以上的性能要求，系统选用了AD7894_10芯片。

AD7894_10可以工作在自动休眠模式和高速采样模式，高速采样模式的时序如图1所示。

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在高速采样模式下，在一个最小持续时间为40 ns的低电平CONVST的下降沿到来时，开始转换，与此同时，转换指示信号BUSY变成高电平，转换结束后BUSY转为低电平，BUSY的最低持续时间为5μs，当转换结束后BUSY由高变低后紧接着在16个串行时钟脉冲SCLK的下降沿的作用下，依次输出16位补码形式的数字信号，其中前两位是数据引导位两个0，后面是14位补码形式的数字，在第16个SCLK的下降沿和下一个转换周期开始，也就是下一个CONVST的下降沿到来时的时间间隔要不能少于250 ns。

在这种模式下，当CONVST的下降沿到来后开始转换，同时BUSY变高，这时要保证在CONVST的上升沿到来与BUSY的下降沿之间的间隔为最小10 ns，一旦转换结束就进入休眠状态，这种状态的保持是通过转换结束后保持CONVST为低电平来实现的在CONVST的上升沿唤醒，在休眠时，当CONVST在低电平的时候仍然可以在SCLK的下降沿的作用下输出16位串行有效数字。采用高速采样模式，因此要保证能生成高速采样模式的时序。

当转换结束后，在16个SCLK的下降沿的作用下，依次读出16位数字，其中最前面是两位0，然后是符号位，后面是数字。理想的编码如表1所示。

其中，FSR是指输入电压范围，这里对于AD7894_10来说是20 V；

由表1可以看出它的输出是完全补码形式的，其中最高位是符号位，0表示是正数，1表示是负数，然后是13位数字位，一共14位。

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2 光纤传输

经过A／D转换后的串行数字信号由于是在高压侧处理的，所以要通过一定的方式传输到低压侧，进行信号数据的处理，并进而恢复成模拟信号，综合考虑到安全和信号传输两个方面的问题，信号传输的通道要起到两个方面的作用。一方面要能顺利地把数字信号从高压侧传到低压侧，实现高低压侧的高速数据通信，另一方面要把高压侧和低压侧进行绝缘，本论文用光纤作为传输通道。

2.1 光纤传输链路的组成

光纤传输链路的各个模块包括光纤传输介质，光源光检测器及其相关的接收机，还有用来连接光缆，光源和光检测器的连接器。所在光纤信号传输系统一共由三个部分组成，包括发射驱动器、光纤和接收驱动器三个部分。

光发射器应该包括两部分，一部分是电发送机，它把需要传输的信号变成电信号；另一部分是光源，它把电信号转变成光信号，称为E／O。

数字光纤通信系统对光源的线性要求不是太高，其光发射器件可以使用线性度较好的半导体发光二极管(LED)，也可以使用线性程度较差的半导体激光二极管(LD)。

但是，由于对于标准光纤来说，一般LD的入射光功率在1 mW以上，而LED的入纤光功率只有0.1 mW左右，再加上LD的开关调制速度比LED高许多，这使得LD器件适合使用在长距离、大容量的数字光纤通信系统中，LED器件一般使用在中短距离中小容量的光纤通信系统。

一般情况下的光纤通信系统，它的光源驱动电路和偏置电路应该满足这样的技术要求：

(1)当温度变化或者是随着使用时间的延长而导致光源器件老化的时候，光器件输出的光脉冲幅度应该保持恒定。

(2)为了保证一定的接收灵敏度，光发射器件的输出光脉冲的消光比应该有EXT≥10。这里的消光比可能有两种定义方法，第一种方法是定义为光脉冲的“1”、“0”中的幅度之比；第二种定义方法是定义为“1”、“0”的平均功率之比。

(3)为了使光脉冲信号能准确地重现输入电脉冲信号，光源加上驱动电流脉冲后，光源发射的延迟时间必须小于每位码元的时间。

(4)光发射驱动电路应该能对光脉冲张驰振荡有阻尼作用。

(5)光发射器件的可靠性要高，寿命要长。

选用的光发送器件是由奥雷光电有限公司生产的光电收发一体化模块ATR-X5XXL中的光发送部分来完成的。它采用单+5 V供电，输入输出是TTL电平，允许输入的最高低电平是+0.8 V，输入的最低高电平为+2 V，输出的最低高电平是+2.4 V，最高低电平是+0.4 V。这个电平范围是很宽松的，它的封装采用标准的工业9针连接，使用的连接器可以用SC或者是FC，选用数据传输的最高速率为2 Mb／s，最长可以传输20 km的光收发一体化模块。

对于光纤连接器的要求主要有：低耦合损耗、具有互换性、易于装配、低的环境敏感性，同时要求它具有较低的成本和可靠的结构，更重要的是它要连接使用方便，可重复插拔性要好。

ATR-X5XXL光电收发一体化模块可以选用SC或者FC连接器，这里选用FC光纤连接器来完成光纤之间的连接，它的插拔性好，连接可靠。本文采用洛阳航空电器厂光通信器件分厂生产的一种光纤连接器，它的插入损耗是0.12 dB，回波损耗是47 dB，直径是3 mm。

光纤是介质波导结构的传输介质。它的结构是高折射率的纤芯被低折射率的包层所包围，且要求光以大于临界角的角度在光纤的芯包界面处发生全内反射。

2.2 光纤的作用和选择

光纤的主要作用是为光提供一个传输通道，它的正确选择是保证系统长期正常工作的重要保证。当以特征角入射的光线轨迹传播到光纤端面时，光在空气中呈现的角度是进入光纤的光线的最大几何接收角。用数值孔径来表示。通常纤芯和数值孔径越大所得到的耦合效率越高，所以要求纤芯和数值孔径之间要匹配，否则光纤之间的耦合是很困难的，并会产生附加损耗。选择光纤的时候要注意，纤芯的数值孔径要和跳线的数值孔径相匹配。

2.3 所用光纤长度的计算

如图2为光纤连接示意图。

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光纤长度的计算要考虑整个系统的光纤通道的损耗，主要有耦合损耗，也就是插入损耗，光纤的传输损耗，和光接收器对驱动光功率的要求。在我们这个光连接系统中如果传输速率超过2 MHz的话，光在其中传输就会发生色散，发生色散的原因和光源的波长及光纤的长度有关，在这个系统中，不需要很高的传输速率，只有不超过5 kHz的速率，这在传输长度不太长的情况下，不超过20 km，色散作用会很小，所以在计算光的传输损耗时，可以不考虑这个损耗，只需要考虑计算光的固有损耗(Power Budget)就行了。

通过分析对所使用的光收发一体化模块的光学和电学特性的分析，可以用式(1)来计算所使用的光纤长度：

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式中：l(max)为可以选择的最大的光纤长度(m)；PRL，min为光接收器允许的最小光功率(mW)；PT(min)为LED耦合进入光纤的最小耦合功率(mW)；OPM为光功率裕度(mW)，应该考虑LED老化和供电电压波动等原因；α(min)为最大光纤损耗(dB／m)。这里允许使用的最长距离为20 km。

同时要考虑接收器的动态范围，所谓动态范围是指接收器能敏感的最小光功率和接收器所能承受的最大光功率之差分别用PRL，min和PRL，max来表示。其中，光纤在传输光的过程中所允许使用的最短距离由PRL，max决定，这个最短距离可用式(2)来表示：

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式中，l(min)为可用的最短光纤长度(m)；PT(max)为发射管耦合进入光纤的最大光功率(mW)；PRL，max为接收管可以承受的最大光功率输入(mW)；α(min)为光纤的最小衰减系数(dB／m)；本系统允许使用的最短光纤长度为0.5 m。

3 光接收信号处理

光接收部分由光检测器，放大器和信号处理电路组成。它把光纤中传来的光信号转换为电信号，并将其放大。它有数字光接收和模拟光接收两种模式，选用的光接收器件是ATR-X5XXL光收发一体化模块中的接收部分，通过光接收器，可以直接得到一个数字输出电压了。这个数字输出电压也是TTL电平信号。它的高电平的范围为最低高电平为2.4 V，最大可以达到电源电压。低电平的范围为最高允许的低电平为0.4 V，最低为0 V。

为了再现输入的模拟信号波形，需要把这个数字信号通过信号处理变成模拟信号。这个过程是由数模转换器即D／A转换器来完成的。由于A／D7894_10的十四位输出是完全补码形式的，为了简化电路，同时也防止在操作过程中出现不必要的错误，要求所选用的D／A转换器是能以完全补码串行输入的。与此同时，它的工作时序和工作速度应该和A／D7894_10相匹配。本文采用AD7840作为D／A转换芯片。

AD7840是十六位补码输入，电压输出方式，满幅度输出电压的范围为±3 V，双电源±5 V供电，外接+3 V的参考输入电压。可以工作在串行和并行模式，它的串行最高工作时钟频率可允许达到6 MHz，典型功耗为70 mW，它的逻辑控制方便，能用简单的数字电路设计工作时序。它采用24引脚双列直插式封装，使用简单。

它的方式控制及读时序如表2所示。

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任意输入数字量和模拟电压量之间的关系计算方法如下式所示：

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其中：-8192≤N≤8191，VREFIN为AD7840的参考输入，大小为+3 V。

AD7840的最小分辨电压是1LSB=FS／16 384=6／16384=366μV，其中6表示它的输出电压的峰-峰值为6 V，16 384是它的最大的可能输入编码。

当AD7840的外围和时序得到了满足后，它就把数字信号转换成模拟信号了。

4 处理结果及分析

4.1 处理结果

4.1.1 万用表测量结果

把光纤传来的数字信号送到它的输入端，用万用表测量的结果如表3所示，最后用双踪示波器得到的结果如图3所示。

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4.1.2 示波器观察结果

示波器观察结果如图3所示。

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4.2 结果分析

系统分别对信号进行数模和模数转换处理，采用光信号传输，用光纤作为传输信号通道。所设计的系统体积小，重量轻，性能良好，实时性强，可以远距离办公，能实现程序控制，监测手段安全可靠。经过这样的处理和传输后在一定的速率范围内可以达到相对准确的程度，通过示波观察后发现信号基本得到了再现。实践证明这种方法经济实用，且电压越高，经济效益越好。