一种基本VCO的电-光转换发射电路的设计

    摘要：介绍了基于电压控制振荡器（VCO）的电-光转换电路的基本原理，设计了一种基于VCO的光-光转换发射电路，并给出了其响应特性。实验结果表明这种电-光转换发射电路具有良好的实用性。

    关键词：电压控制振荡器（VCO） 电-光转换 发射电路

随着测量技术的发展，对测量系统提出了越来越高的要求。在高电压、强电场的测量中，信号输入端和输出端的电位悬殊较大，因此通常使用电-光转换的方法使信号的输入端和输出端实现电绝缘[1]。电-光转换组成的测量系统具有绝缘性高、抗干扰能力强、线性度高等诸多优点[2]，因此可以消除输入回路中的干扰信号和杂感信号对输出回路信号的干扰，实现输入信号-输出信号之间的无失真传输。

本文介绍一种基本电压控制振荡器（VCO）的电-光转换电路的基本原理及其发射电路。

1 基本VCO的电-光转换的基本原理

1.1 电-光转换

光电系统首先将欲传输的电信号转换成光信号，通过合适的光导传输系统后，再将光信号复原成电信号。完成这些转换和传输功能的关键元件是光发射器、光传输器光接收器等。

1.2 发射电路

对输入信号要进行处理，即要进行阻抗变换、放大、调制或数字化后才能送到光端机。由于频率调制的方式经其它调制方式有较多的优点，如抗干扰性强、频率响应好、线路相对比较简单等，因而它在测量中获得了广泛的应用。因此本文设计的发射电路采用频率调制的原理。图1是其原理性框图。

2 发射电路设计

本文设计的发射电路主要用于测量高压直流输电用晶闸管的电位分布，根据实际的测量需要制定了发射电路的主要技术指标，具体如下：

输入范围：100V、10V、1V、0V

输入阻抗：10MΩ、40pF

中心频率：5MHz

线性工作频率范围：4～6MHz

输出噪声：小于4mV

2.1 衰减器

如前所述，发射电路共分为三部分。输入信号首先接到一个衰减器上，衰减器的主要作用是限制输入电压的范围和增大输入阻抗。其具体电路采用电阻和电容串联的形式，本文设计的衰减器如图2所示。

2.2 阻抗变换和放大电路

经过衰减的信号输入到一个阻抗变换器进行阻抗变换，然后送入放大电路进行放大。阻抗变换和放大均采用低漂移高速高输入阻抗运放LF356，其优点为补偿电压的漂移小，输出压摆率高，其值约为双极性运放的10倍。其最大的特点是输入电流小，约为pA数量级。因此用该类放大器可非常容易地设计高速运算和积分电路。而且，采用这种运放，在噪声和干扰比较严重的情况下仍然能获得比较好的带宽增益和信噪比。

第一级采用LF356实现阻抗变换，变换后的信号输入到由另一个LF356组成的负反馈放大电路。图3为阻抗变换和放大电路的原理图。

2.3 电压控制振荡器（VCO）和驱动电路

在进入驱动电路之前，需要把电压信号转换成控制驱动电路的控制信号。这里采用Texas公司生产的压控振荡器54LS628。它是一个14管脚的集成块，其电源电压为5V，输入电压和输入参考电压均为0～5V，高电平输入电流为-1.2mA，低电平输出电流为12mA，最大线性输出频率为20MHz，使用温度为-55℃～125℃[4]。这种压控振荡器在一定的输入电压下具有较好的线性工作特性，而且通过改变其外接电容和参考电压，还要以改变其在一定输入电压下的输出频率范围。根据测量的需要，本设计中压控振荡器的外接电容为15pF，参考电压为4V，参考电压可以通过在其12管脚（RNG管脚）接一个稳压管来实现，本言语采用LM336.图4为54LS628工作的理想输入/输出特性曲线。由图中可以看出其工作的最大频率为11MHz，中心频率为5MHz，系统在这种工作状态下具有良好的线性度，符合系统的设计要求。

    电压信号经过VCO后，输出为一定的脉冲信号。驱动电路就是通过这个脉冲信号驱动光电器件发光，从而实现光电转换。这里采用的驱动电路是由高速开关三极管2N2369、开关二极管1N4148和电容组成的驱动电路。其工作原理主要是：利用VCO输出的脉冲控制1N4148和电容并联构成的充放电回路，利用这个回路控制2N2369的基极电流，从而控制发光器件的光频率。图5为VCO和驱动电路的原理图。

3 测试结果和结论

在整个发射电路输入端加上不同幅值的输入信号，在驱动电路的1N4148输出可测得频率信号，这个输出频率信号就是发光器件的实际发光频率。所得的测量结果如图6所示。

这种发射电路还可以用在工作频率在一定范围的其它光电转换测量电路中，而且通过改变54LS628外接电容和参考电压的值，还可以改变其测量的频率范围，以达到测量的需要。