一种模拟信号远距离传输的方法与流程

本发明涉及信号控制及处理技术领域，尤其涉及一种模拟信号远距离传输的方法。

背景技术：

在基于微型处理器的测控系统中，快速准确地捕捉现场电气物理量的参数是实施自动控制的基础和条件；而在大多数测控系统中，控制器与被控对象往往有一定距离，电磁干扰信号不可避免地要混入连接导线。特别在核聚变领域(如east全超导托克马克装置)，装置周围分布着很强的磁场，控制对象和控制系统时常需要远距离分离，这时就需要将传感器转换后的模拟信号传输到控制中心进行模数转换(adc)后再送到控制器进行处理；同样，在高压设备中也有这种需求。为了消除信号传输中的各种干扰，除了合理地处理接地问题外，还必须使输入电路与输出电路彼此隔离，再对信号进行远距离传输。现有的模拟信号隔离传输方法有直接隔离法和间接隔离法，其中直接隔离法原理简单但是传输距离短，调制解调法传输距离长，但是传输精度低。

技术实现要素：

本发明的目的是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种模拟信号远距离传输的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种模拟信号远距离传输的方法，包括有电压采样部分、压频转换部分、光纤传输部分和频压转换部分，具体内容如下：

电压采样部分：把霍尔电流传感器安装在east快控逆变电源的输出端，east快控逆变电源正常工作时，east快控逆变电源输出端有相应的电流流出，此时霍尔电流传感器输出一个电流信号，经过电阻取样后得到一个区间±5v的信号波，作为输入信号送到压频转换部分；

压频转换部分(v/f)：信号波经压频转换部分线性变换为一定频率(几十到几百khz)的方波脉冲列，然后传到光纤传输部分的光纤发送器中，光纤两端没有直接的电联系,实现了电气隔离；

光纤传输部分：光纤发送器将方波脉冲信号变成光信号，依次经过光纤和光纤接收器将光信号发送到频压转换部分；

频压转换部分：经频压转换部分将光信号转换为模拟电压信号。

所述的压频转换部分和频压转换部分均采用芯片ad650实现压频转换和频压转换的。

所述的光纤发送器的型号为hfbr1521；所述的光纤接收器的型号为hfbr2521。

压频转换原理可描述如下:输入电压信号经输入电阻变为电流信号，经积分器对积分电容充电，同时电容电压值和内部的基准电压进行比较，一旦到达阈值，内部开关断开积分回路，变为内部恒流源对电容的反向积分，仍与阀值电压比较，直到基准电压大小时再次重复上述过程，与此同时输出脉冲列，从而实现压频转换，且存在电压越大，脉冲列频率越高。

本发明的优点是：本发明利用压频和频压转换电路，先把模拟信号经压频转换变成一定频率的方波脉冲列，经光纤传输到远处的控制中心，再将脉冲列送入频压转换电路还原成电压信号，最终把电压信号转换成数字信号送入控制器进行处理。本发明的方案可以有效地传输高频模拟信号，既无衰减，又有良好的抗干扰能力，且传输距离达200m，传输过程中延时小于100us。

附图说明

图1为本发明的工作流程图。

图2为压频转换部分电路图。

图3为积分电容工作原理图(图3a为积分过程电路图；图3b为复位过程电路图)。

图4为频压转换部分电路图。

图5为压频转换与频压转换连接电路图。

图6为输入信号频率小于1khz时，输入输出波形图。

图7为输入信号频率5khz时，输入输出波形图。

具体实施方式

如图1所示，一种模拟信号远距离传输的方法，包括有电压采样部分1、压频转换部分2、光纤传输部分3和频压转换部分4，具体内容如下：

电压采样部分1：把霍尔电流传感器5安装在east快控逆变电源6的输出端，east快控逆变电源6正常工作时，east快控逆变电源6输出端有相应的电流流出，此时霍尔电流传感器5输出一个电流信号，经过电阻取样后得到一个区间±5v的信号波，作为输入信号送到压频转换部分；

压频转换部分2(v/f)：信号波经压频转换部分线性变换为一定频率(几十到几百khz)的方波脉冲列，然后传到光纤传输部分的光纤发送器中，光纤两端没有直接的电联系,实现了电气隔离；

光纤传输部分3：光纤发送器将方波脉冲信号变成光信号，依次经过光纤和光纤接收器将光信号发送到频压转换部分；

频压转换部分4：经频压转换部分将光信号转换为模拟电压信号。

所述的压频转换部分2和频压转换部分4均采用芯片ad650实现压频转换和频压转换的。

所述的光纤发送器的型号为hfbr1521；所述的光纤接收器的型号为hfbr2521。

目前，压频转换芯片很多，一般从功能、频率范围、转换线性度方面进行选择，本设计要求工作频率高、线性度好、输入电压范围宽，据此选用美国ad公司的高性能压频转换部分件ad650，ad650电路既能用作电压频率转换部分，又可用作频率电压转换部分。

如图2所示为高精度v/f转换部分，v/f转换部分能够将输入电压线性地转换成脉冲频率信号，其函数关系为：

fx＝kvin

式中，vin为输入电压；k为变换系数；fx为输出脉冲信号频率。

输入信号vin由电压采样提供，vin经输入电阻rin产生输入电流。通过1ma内部电流源开关控制，积分电容cin上的电流和运算放大器内部反馈电流形成回路达到电流源精确平衡，电流流向如图3所示，这种电流脉冲可看成是由精密的电荷群构成，集电极开路晶体管每产生一个脉冲所需要的电荷群数量依赖于输入电流信号的幅度。由于每单位时间传递到求和点(积分电容cin两端)的电荷数量对输入信号电流幅度呈线性函数关系，所以可实现电压—频率转换。集电极开路晶体管提供频率输出端，当单稳多谐振荡器输出高电平时，电流源控制开关s1打向运算放大器左边如图3(b)，此过程称为复位过程；当积分器输出电压达到预定值时，电流源控制开关s1打向运算放大器右边如图3(a)，此过程称为积分过程。

输入电压转变为电流给积分电容cin充电，在积分器电压小于比较器比较电压且锁存器输出高电平时，积分过程结束，复位过程开始，这时积分器的斜率是向上，锁存器状态变化触发单稳多谐振荡器变化；复位开始到积分器输出电压达到预定值所有的时间称为触发时间tos，它由触发电容co容值大小决定，这时积分器的斜率是向上的，计算公式如下：

tos＝co×6.8×10³sec/f+3×10^-7sec

δv＝tos×(1ma-iin)/cin

当积分电容充电时，积分器输出电压的斜率向下，直到积分器电压小于比较器比较电压且锁存器输出高电平，这一时间设为t1，计算公式如下：

t1＝tos×(1ma/iin-1)

由此可得电压—频率转换公式如下：

当外接电容co和电阻rin确定时，输出频率和输入电压成线性函数关系；其特征频率fin正比于vin，并与电路中的电阻、电容值有关。

输入电阻rin会限制输入电压范围，一般输入电流不超过1ma，有:输入电阻rin和积分电容cin决定了满度频率。一般来说co越高，输入电流越小即rin越大线性度越好，满刻度频率也越低；rin确定之后，并给定期望的满刻度频率，则定时电容co的大小也就确定了；积分电容cin可以通过公式cin＝10^-4/fman得到。

光纤数据传输由光纤收发器、光纤和光纤接头组成，光纤是极好的绝缘体，在光纤链路的发送和接收端没有直接的电联系。

ad650也可以用作频率—电压转换，而且具有很好的性能；具体设计电路如图4所示，经f/v转换后的电压信号经信号调理得到原始信号。光电转换后的频率信号fin经560pf、500ω组成的微分电路加到输入比较器的反相输入端，当输入脉冲的下降沿到来时，输入比较器输出高电平，单稳多谐振荡器被触发输出高电平，此时电流源对积分电容cint进行充电，充电时间是由电容cos决定的。输入脉冲的频率越高，电容cint上积累的电荷就越多，输出电压就越高，输入频率和输出电压成线性函数关系，实现了频率和电压的变换。其中定时电容cos可由式得到；积分电阻rint可由式得到；积分电容cint可由式得到，式中tres要求的响应时间，n＝6，如果输出电压脉动太大，可以减小；fvc电路的输出电压可由式vout＝tos×rint×1ma×fin得到。

图5为光纤隔离转换部分在模拟信号远距离传输中的应用电路原理总图，通过实验验证电路设计，波形频率小于1khz时，输入和输出波形相位和幅值基本保持相同，如图6为所示；波形频率为5khz时，输入和输出波形相位约40us、幅值稍小，但满足传输过程中延时小于100us，如图7为所示。有波形图6和图7可得本发明的方案可以有效地传输高频模拟信号，既无衰减，又有良好的抗干扰能力，且传输距离达200m，传输过程中延时小于100us。