一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路的制作方法

专利名称:一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路，包括光纤传感头、光学相位调制器、光电转换电路、放大滤波器、A/D转换模块、控制模块、模拟驱动电路、D/A转换模块、计算机；其中光纤传感头、光学相位调制器、光电转换电路、放大滤波器、A/D转换模块、控制模块、计算机依次相连，所述光学相位调制器通过依次相连的模拟驱动电路、D/A转换模块与控制模块相连；本实用新型基于单片FPGA实现信号采集、数据输出以及与计算机通信等控制，完成对光纤电流互感器传感头输出信号的检测以及闭环控制；该电路具有结构简单、集成度高、闭环控制速度快、控制精度高等特点。
【专利说明】一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路

【技术领域】
[0001]本实用新型公开了一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路，涉及电路设计【技术领域】。

【背景技术】
[0002]电流互感器作为高压电网检测主要设备，不仅为电能的计量提供参数，而且是为继电保护提供动作的依据。随着国家智能电网和特高压电网的发展，传统电磁式电流互感器逐渐暴露出其致命缺陷，例如高电压等级时绝缘极为困难、更高电压下易磁饱和导致测量精度下降等。相比之下，光纤电流互感器具有抗电磁干扰能力强、绝缘可靠、测量精度高、结构简单和体积小巧等诸多优点，是当前研宄热点。作为光纤电流互感器的核心部件，其检测和控制电路对电流检测精度和范围具有非常重要的影响。
[0003]目前检测和控制电路实现主要有两种方案，一种是以数字信号处理芯片(DSP)为核心，由于DSP的速度越来越快，使得DSP成为很多数据处理和信号检测方案的首选，但在时序控制方面是其瓶颈，由于时序控制精度和速度直接影响光纤电流互感器的检测精度，所以该方案控制精度提高有限；另一种是以现场可编程门阵列(FPGA)和DSP为核心器件，结合两者的优点，利用FPGA来完成系统时序控制，DSP实现各种数字信号处理算法，虽然可以获得非常高的控制精度，但系统结构相对复杂，可靠性下降。
[0004]同时，现有技术中，光电转换电路的结构普遍比较复杂，电路的功耗较大。
实用新型内容
[0005]本实用新型所要解决的技术问题是:针对现有技术的缺陷，提供一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路，基于单片FPGA实现信号采集、数据输出以及与计算机通信等控制，完成了对光纤电流互感器传感头输出信号的检测以及闭环控制；该控制电路具有结构简单、集成度高、闭环控制速度快、控制精度高等特点，为研制满足电力电网测试需求的全光纤电流互感器奠定了基础。
[0006]本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0007]一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路，包括光纤传感头、光学相位调制器、光电转换电路、放大滤波器、A/D转换模块、控制模块、模拟驱动电路、D/A转换模块、计算机；
[0008]其中光纤传感头、光学相位调制器、光电转换电路、放大滤波器、A/D转换模块、控制模块、计算机依次相连，所述光学相位调制器通过依次相连的模拟驱动电路、D/A转换模块与控制模块相连。
[0009]所述光电转换电路包括电流源、比较器、电阻和可调电阻，所述电流源的正极分别和比较器的正输入端、电阻的一端相连，电流源的负极分别和比较器的负输入端、可调电阻的一端相连，电阻的另一端分别和可调电阻的另一端、比较器的输出端相连接，作为光电转换电路的输出端，比较器的上拉端接5V电源，比较器的接地端接地。
[0010]作为本实用新型的进一步优化方案，所述控制模块内部设有A/D接口控制模块、D/A接口控制模块；所述A/D接口控制模块、D/A接口控制模块分别连接A/D转换模块和D/A转换模块。
[0011]作为本实用新型的进一步优化方案，所述A/D转换电路的芯片型号为AD9248。
[0012]作为本实用新型的进一步优化方案，所述放大滤波器包括放大电路和滤波电路，放大电路采用的芯片为差分运放芯片AD8130。
[0013]作为本实用新型的进一步优化方案，所述D/A转换模块采用的芯片型号为AD9726。
[0014]本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果:本实用新型基于单片FPGA实现信号采集、数据输出以及与计算机通信等控制，完成了对光纤电流互感器传感头输出信号的检测以及闭环控制；该控制电路具有结构简单、集成度高、闭环控制速度快、控制精度高等特点，为研制满足电力电网测试需求的全光纤电流互感器奠定了基础；基于该控制电路研制的全光纤电流互感器样机，经测试，其额定一次电流100 A?4000 A范围内均实现了 0.2 S级测量准确度，初步满足电力电网对电流互感器测量准确度的要求。

【附图说明】

[0015]图1是本实用新型的模块连接示意图。
[0016]图2是本实用新型中低功耗光电转换电路的电路图，
[0017]其中:1s为电流源，U为比较器，R为电阻，Rf为可调电阻。

【具体实施方式】
[0018]下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
[0019]本【技术领域】技术人员可以理解的是，本实用新型中涉及到的相关模块及其实现的功能是在改进后的硬件及其构成的装置、器件或系统上搭载现有技术中常规的计算机软件程序或有关协议就可实现，并非是对现有技术中的计算机软件程序或有关协议进行改进。例如，改进后的计算机硬件系统依然可以通过装载现有的软件操作系统来实现该硬件系统的特定功能。因此，可以理解的是，本实用新型的创新之处在于对现有技术中硬件模块的改进及其连接组合关系，而非仅仅是对硬件模块中为实现有关功能而搭载的软件或协议的改进。
[0020]本【技术领域】技术人员可以理解的是，本实用新型中提到的相关模块是用于执行本申请中所述操作、方法、流程中的步骤、措施、方案中的一项或多项的硬件设备。所述硬件设备可以为所需的目的而专门设计和制造，或者也可以采用通用计算机中的已知设备或已知的其他硬件设备。所述通用计算机有存储在其内的程序选择性地激活或重构。
[0021]本【技术领域】技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0022]本【技术领域】技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0023]下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明:
[0024]本实用新型的模块连接示意图如图1所示，一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路，包括光纤传感头、光学相位调制器、光电转换电路、放大滤波器、A/D转换模块、控制模块、模拟驱动电路、D/A转换模块、计算机；
[0025]其中光纤传感头、光学相位调制器、光电转换电路、放大滤波器、A/D转换模块、控制模块、计算机依次相连，所述光学相位调制器通过依次相连的模拟驱动电路、D/A转换模块与控制模块相连。
[0026]本实用新型中低功耗光电转换电路的电路图如图2所示，所述光电转换电路包括电流源、比较器、电阻和可调电阻，所述电流源的正极分别和比较器的正输入端、电阻的一端相连，电流源的负极分别和比较器的负输入端、可调电阻的一端相连，电阻的另一端分别和可调电阻的另一端、比较器的输出端相连接，作为光电转换电路的输出端，比较器的上拉端接5V电源，比较器的接地端接地。
[0027]作为本实用新型的进一步优化方案，所述A/D转换电路的芯片型号为AD9248。
[0028]作为本实用新型的进一步优化方案，所述放大滤波器包括放大电路和滤波电路，放大电路采用的芯片为差分运放芯片AD8130。
[0029]作为本实用新型的进一步优化方案，所述D/A转换模块采用的芯片型号为AD9726。
[0030]由于光纤传感头输出信号比较弱，而且含有较高频率的噪声信息，需要对其进行放大和滤波处理后才能进行后续的A/D转换量化为数字信号。因此放大滤波器对有用信号的放大和对噪声抑制能力会影响后续测量精度。放大电路采用差分运放AD8130，该芯片具有非常高的共模抑制比，特别适用于微弱信号放大中需要低噪声、低谐波失真和高共模抑制比的应用中。光纤传感头输出的交流有效方波信号频率为200 kHz左右，为保证该方波信号无失真通过后端滤波电路，滤波电路的高频截止频率必须以不损失20倍的方波基频信号的谐波设计，同时为避免高频噪声进入后端采样量化模块，高频截止带宽不能太宽，本实用新型中采用4 MHz带宽的型滤波器实现前端滤波。
[0031]为保证0.2S级测量准确度，A/D转换位数需要达到10位以上。此外，为保证对200 kHz方波信号每个周期高低电平采样次数，从而可以通过累加求平均来提高采样精度，需要在每个周期内方波高低电平分别进行20次以上采样后求平均，这就要求模数转换器采样率大于8 MS/s。设计中保留一定余量采用量化位数14位、采样率20 MS/s的模数转换器AD9248。
[0032]D/A转换模块把200 kHz的数字信号转变为模拟电压信号，经过光学相位调制器和模拟驱动电路，从而在光纤传感环中产生一个附加的反馈相移，抵消掉本次闭环控制周期内检测到的相位差。D/A转换模块的增益误差和输出线性度决定了输出模拟信号的误差和线性度，而模拟信号的误差和线性度施加在相位调制器上后或直接影响反馈相位的控制误差，因此需选择增益误差和输出线性度小的模数转换器。D/A转换模块的分辨率直接决定相位控制的最小分辨精度，其分辨率最好大于A/D转换模块的分辨率。设计中采用16位的高速D/A芯片AD9726实现该模数转换功能。
[0033]本实用新型基于单片FPGA实现信号采集、数据输出以及与计算机通信等控制，完成了对光纤电流互感器传感头输出信号的检测以及闭环控制；该控制电路具有结构简单、集成度高、闭环控制速度快、控制精度高等特点，为研制满足电力电网测试需求的全光纤电流互感器奠定了基础；基于该控制电路研制的全光纤电流互感器样机，经测试，其额定一次电流100 A?4000 A范围内均实现了 0.2 S级测量准确度，初步满足电力电网对电流互感器测量准确度的要求。
[0034]上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质，在本实用新型的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路，其特征在于:包括光纤传感头、光学相位调制器、光电转换电路、放大滤波器、A/D转换模块、控制模块、模拟驱动电路、D/A转换模块、计算机； 其中，光纤传感头、光学相位调制器、光电转换电路、放大滤波器、A/D转换模块、控制模块、计算机依次相连，所述光学相位调制器通过依次相连的模拟驱动电路、D/A转换模块与控制模块相连； 其中，所述光电转换电路包括电流源、比较器、电阻和可调电阻，所述电流源的正极分别和比较器的正输入端、电阻的一端相连，电流源的负极分别和比较器的负输入端、可调电阻的一端相连，电阻的另一端分别和可调电阻的另一端、比较器的输出端相连接，作为光电转换电路的输出端，比较器的上拉端接5V电源，比较器的接地端接地。2.根据权利要求1所述的一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路，其特征在于:所述控制模块内部设有A/D接口控制模块、D/A接口控制模块；所述A/D接口控制模块、D/A接口控制模块分别连接A/D转换模块和D/A转换模块。3.根据权利要求1所述的一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路，其特征在于:所述A/D转换电路的芯片型号为AD9248。4.根据权利要求1所述的一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路，其特征在于:所述放大滤波器包括放大电路和滤波电路，放大电路采用的芯片为差分运放芯片AD8130。5.根据权利要求1所述的一种结合低功耗光电转换电路的光纤控制电路，其特征在于:所述D/A转换模块采用的芯片型号为AD9726。
【文档编号】G01R15-24GK204287286SQ201420651825
【发明者】汤烨, 邵彦婷 [申请人]金陵科技学院