一種基本VCO的電-光轉(zhuǎn)換發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于電壓控制振蕩器（VCO）的電-光轉(zhuǎn)換電路的基本原理，設(shè)計(jì)了一種基于VCO的光-光轉(zhuǎn)換發(fā)射電路，并給出了其響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種電-光轉(zhuǎn)換發(fā)射電路具有良好的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：電壓控制振蕩器（VCO） 電-光轉(zhuǎn)換 發(fā)射電路

隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求。在高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)的測(cè)量中，信號(hào)輸入端和輸出端的電位懸殊較大，因此通常使用電-光轉(zhuǎn)換的方法使信號(hào)的輸入端和輸出端實(shí)現(xiàn)電絕緣[1]。電-光轉(zhuǎn)換組成的測(cè)量系統(tǒng)具有絕緣性高、抗干擾能力強(qiáng)、線性度高等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，因此可以消除輸入回路中的干擾信號(hào)和雜感信號(hào)對(duì)輸出回路信號(hào)的干擾，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)-輸出信號(hào)之間的無(wú)失真?zhèn)鬏敗?/p>

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

1 基本VCO的電-光轉(zhuǎn)換的基本原理

1.1 電-光轉(zhuǎn)換

光電系統(tǒng)首先將欲傳輸?shù)碾娦盘?hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，通過(guò)合適的光導(dǎo)傳輸系統(tǒng)后，再將光信號(hào)復(fù)原成電信號(hào)。完成這些轉(zhuǎn)換和傳輸功能的關(guān)鍵元件是光發(fā)射器、光傳輸器光接收器等。

1.2 發(fā)射電路

對(duì)輸入信號(hào)要進(jìn)行處理，即要進(jìn)行阻抗變換、放大、調(diào)制或數(shù)字化后才能送到光端機(jī)。由于頻率調(diào)制的方式經(jīng)其它調(diào)制方式有較多的優(yōu)點(diǎn)，如抗干擾性強(qiáng)、頻率響應(yīng)好、線路相對(duì)比較簡(jiǎn)單等，因而它在測(cè)量中獲得了廣泛的應(yīng)用。因此本文設(shè)計(jì)的發(fā)射電路采用頻率調(diào)制的原理。圖1是其原理性框圖。

2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的發(fā)射電路主要用于測(cè)量高壓直流輸電用晶閘管的電位分布，根據(jù)實(shí)際的測(cè)量需要制定了發(fā)射電路的主要技術(shù)指標(biāo)，具體如下：

輸入范圍：100V、10V、1V、0V

輸入阻抗：10MΩ、40pF

中心頻率：5MHz

線性工作頻率范圍：4～6MHz

輸出噪聲：小于4mV

2.1 衰減器

如前所述，發(fā)射電路共分為三部分。輸入信號(hào)首先接到一個(gè)衰減器上，衰減器的主要作用是限制輸入電壓的范圍和增大輸入阻抗。其具體電路采用電阻和電容串聯(lián)的形式，本文設(shè)計(jì)的衰減器如圖2所示。

2.2 阻抗變換和放大電路

經(jīng)過(guò)衰減的信號(hào)輸入到一個(gè)阻抗變換器進(jìn)行阻抗變換，然后送入放大電路進(jìn)行放大。阻抗變換和放大均采用低漂移高速高輸入阻抗運(yùn)放LF356，其優(yōu)點(diǎn)為補(bǔ)償電壓的漂移小，輸出壓擺率高，其值約為雙極性運(yùn)放的10倍。其最大的特點(diǎn)是輸入電流小，約為pA數(shù)量級(jí)。因此用該類放大器可非常容易地設(shè)計(jì)高速運(yùn)算和積分電路。而且，采用這種運(yùn)放，在噪聲和干擾比較嚴(yán)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(jí)采用LF356實(shí)現(xiàn)阻抗變換，變換后的信號(hào)輸入到由另一個(gè)LF356組成的負(fù)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(qū)動(dòng)電路

在進(jìn)入驅(qū)動(dòng)電路之前，需要把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成控制驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)。這里采用Texas公司生產(chǎn)的壓控振蕩器54LS628。它是一個(gè)14管腳的集成塊，其電源電壓為5V，輸入電壓和輸入?yún)⒖茧妷壕鶠?～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(guò)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范圍。根據(jù)測(cè)量的需要，本設(shè)計(jì)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(guò)在其12管腳（RNG管腳）接一個(gè)穩(wěn)壓管來(lái)實(shí)現(xiàn)，本言語(yǔ)采用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(tǒng)在這種工作狀態(tài)下具有良好的線性度，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)VCO后，輸出為一定的脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路就是通過(guò)這個(gè)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)光電器件發(fā)光，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。這里采用的驅(qū)動(dòng)電路是由高速開關(guān)三極管2N2369、開關(guān)二極管1N4148和電容組成的驅(qū)動(dòng)電路。其工作原理主要是：利用VCO輸出的脈沖控制1N4148和電容并聯(lián)構(gòu)成的充放電回路，利用這個(gè)回路控制2N2369的基極電流，從而控制發(fā)光器件的光頻率。圖5為VCO和驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。

3 測(cè)試結(jié)果和結(jié)論

在整個(gè)發(fā)射電路輸入端加上不同幅值的輸入信號(hào)，在驅(qū)動(dòng)電路的1N4148輸出可測(cè)得頻率信號(hào)，這個(gè)輸出頻率信號(hào)就是發(fā)光器件的實(shí)際發(fā)光頻率。所得的測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

這種發(fā)射電路還可以用在工作頻率在一定范圍的其它光電轉(zhuǎn)換測(cè)量電路中，而且通過(guò)改變54LS628外接電容和參考電壓的值，還可以改變其測(cè)量的頻率范圍，以達(dá)到測(cè)量的需要。