高精密光传输放大系统的设计与实现
摘要：本文介绍了一种将电信号高精密放大后转换成光信号进行隔离传输的系统，详细论述了该系统的性能特点和工作原理。通过现场测试及实际运行，验证了该系统能在复杂电磁环境下稳定可靠地传输数据。本文网络版地址：http：//.cn/article/256094.htm
关键词：高精密放大；隔离传输；电磁环境
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.7.010
引言
在现代复杂的强电磁干扰环境下，电磁辐射对传输线路的影响较大，容易引进噪声，为了快速准确地传输数据，下面介绍一种以光为介质的高精密光传输系统，它将现场采样到的微弱电信号进行精密放大后转换成光信号传输，最后再还原成电信号，实现了信号在复杂电磁环境下稳定可靠的传输。
1 系统构成
本传输放大系统由信号放大电路和光传输电路组成。系统框图见图1。
1.1 信号放大电路
在试验现场，传感器检测到的输出电信号一般很小，而且往往含有噪声和干扰，若要对传感器输出的微弱信号进行A/D转换、高精度计算、显示等处理，就必须对其进行精密放大。集成运算放大器是由多级直接耦合放大电路组成的高增益模拟集成电路，具有增益高、输入电阻大、输出电阻低、共模抑制比高、失调与漂移小等优点，是电路设计中使用非常普遍的器件[1]。因此，正确合理地利用集成运算放大器，减少信号在传输中的误差，对于提高信号精度，确保测量数据的准确性具有重要的作用。图2为一反相输入放大器。本系统中为了提高精度，IC芯片选用运算放大器OPA2277。
OPA2277是美国TI公司生产的通用型高精度运算放大器，该芯片包含两路运算放大电路，失调电压与漂移电压小，其工作电压为±5V～±15V，工作温度–40℃～85℃，增益带宽1MHz。每路运放均为反相输入放大器，引入反馈后的闭环增益为
光传输电路由光发送电路和光接收电路两部分组成。在电信号进入光传输电路前，首先要进行光电转换。实现这一功能的芯片我们选用AD650。AD650是一款由ADI公司生产的具有优异性能的V/F转换和F/V转换集成电路。它采用电荷平衡式V/ F转换原理，输入可为单极性电压、双极性电压或差分电压，输出为矩形波[2]。AD650采用集电极开路输出，输出端经过上拉电阻接电源，能与CMOS、TL电路兼容。AD650电源电压范围宽、功耗低，它采用双电源供电，典型值为±15V，静态电流小于8mA[3]。
图5为光/电转换及光接收电路原理图。输入信号频率fin首先经过微分电路从AD650的引脚9进入，变成负脉冲，经内部转换后的直流电压从AD650的引脚1输出，其大小与输入频率fin成正比[4]。可调电阻分别用作满度校准和零度校准。
电光、光电转换采用在工业生产中广泛使用的Agilent公司生产的HFBR系列光收发器。电光转换发射器选用HFBR1528，光电转换接收器选用HFBR2528。具体电路如图4、图5所示。推荐的标准型号光纤是1mmPOF塑料光纤，既经济又便于使用[5]。
实际测得系统的增益为31.11dB～31.32dB，由于电压信号经最后的输出电阻和测量显示用的模拟表头内阻的分压及运放的微小偏置，故实际测量的要比理论计算的增益要偏小。随着输入电压的升高，增益趋于稳定，故系统能够得到稳定不失真的放大。
2.2 时漂测定
当Vi=0mV时，经过1小时的连续测试，详细数据见表2。
在经过两次放大后，系统时漂控制在10mV以内，可以满足测试现场模拟表头对时漂的误差（100mv）要求。
2.3 频率测定
当Vi=0mV时，经过1个小时的测试，详细数据见表3。
根据公式（2），调整输入电阻RIN、定时电容C3的值，保证当0mv输入的电压信号对应的光输出理论频率为10.0kHz。经过1个小时的测试，频率基本上保持在10.001kHz～10.00 4kHz之间，变化幅度最大仅为3Hz，从而保证了输出与输入频率的一致性。
3 结论
系统实现后，在某强电大功率发射系统试验中多次进行试验，结果表明，控制终端收到的报警信号准确无误，关断高压操作正常，指示终端显示正常，数据准确稳定，从而验证了该系统能在复杂电磁环境下稳定可靠地传输数据。
参考文献：
[1]吴晓莉.集成运算放大器在测井仪器电路设计中的应用技巧[J].石油仪器，2013（04）
[2]万天才.AD650电压频率与频率电压转换器[J].国外电子元器件，1999（7）：2-4
[3]BRYANT James.AD650-AN361 application note[R]. USA：Analog Devices Inc，2000
[4]牛天兰，丁彦闯.V /F， F /V转换器AD650及其应用[J].大连铁道学院学报.2003（2）45-47
[5]冯伯儒.光纤选择的实际考虑[J].光通信技术，1985（3）：78-79
