200 kW脉宽机高末帘栅压的采样

2013-04-25江文新

电子科技 2013年1期

江文新

(福建省广播电视传输中心102台，福建福州350011)

对广播发射机房实施计算机实时监控系统工程。既要保障发射机工作的安全，又要确保发射机技术指标不受影响。需要对发射机进行大量的采样工作，然后将采样信息实时传送给前端机，实现计算机实时监控的目的。当然传送的采样信息必须实时、准确，否则计算机实时监控系统无法准确判断，严重时计算机实时监控系统将产生误判，甚至导致关机，造成意外停播事故。

在采样的过程中会遇到困难。比如:(1)本台200 kW脉宽机，高整电压为27 kW，悬浮台对地电压也高达27 kW，对悬浮台上高末电子管帘栅压信号进行采样，就要求采样电路具有极高的耐压性能。(2)一方面前端机接口电路要求输入的采样信号电压为0～5 V，电压幅值小，容易受干扰;另一方面，本台200 kW脉宽发射机电路结构紧凑，机内空间有限，发射机发射功率大，高末电子管工作电流大，电子管附近电磁辐射严重，且从采样点到采样电路之间是不平衡传送，也容易受干扰。因此采样点到采样电路的信号输入线越短越好，采样电路要尽量靠近采样点安装。

另外，虽然200 kW脉宽发射机的各部分均用紫铜带连接下地，但紫铜带较长，发射机工作时，地线的电感、电阻就不可忽略，在地线的不同点之间，干扰电压有时会达到数伏，如果在设计施工中接地方法不正确，就将产生因地线而引起的高频干扰。这些干扰因素若无法排除，就可能造成干扰信号通过采样电路窜入前端机接口电路，干扰计算机实时监控系统的正常工作，因此采样电路应具有良好的抗干扰性。

对这些有特殊要求的采样电路，必须根据实际情况自行研制。文中研制出了一种耐高压、抗干扰性能优良以及传输效率高的光电耦合传感器，成功地解决了这一难题，在实际使用过程中，效果良好。

1 光电耦合传感器

光电耦合传感器是以光为媒介，从而进行电信号传输的元器件。由于光缆传输频带宽，光的传播速度快，因此能够实现实时、准确的传输;又由于光缆的主要原材料是SiO2，光缆的抗干扰性能和绝缘性能良好，只要一小段光缆，光发生器和光接收器之间的耐压就能做到100 kV以上，可满足采样电路的耐压要求。结构上光电耦合传感器分为光发生器和光接收器。当光发生器两端加有电信号时，光发生器发出光线，并通过光缆传送给光接收器，而光接收器接收光线后，产生相应的电流，从输出端引出，从而实现“电—光—电”的转化。

光电耦合传感器的电路分为调宽脉冲发生器和信号解调器两部分。光发生器之前的部分为调宽脉冲发生器，光接收器之后的部分为信号解调器。首先将采集到的高末电子管帘栅压信号通过高频滤波器，对滤去高频成份后的高末电子管帘栅压信号进行脉宽调制，然后再通过光发生器将调宽后的高末电子管帘栅压信号转换为带有该信息的光信号，光信号通过光缆传送给信号解调器，解调出高末电子管帘栅压信号，送到前端机电路板上。这就可以通过光电耦合传感器，将发射机的高频地与计算机监控系统的信号地隔开，避免了共地造成的干扰。

根据实际情况将解调器、调制器分别放在两个屏蔽小盒内，屏蔽小盒通过端子板引入电源和信号，同时输出信号，并将解调器置于地电位上，调制器置于对地高电位上。解调器和调制器之间用光缆连接。但调制脉冲发生器的电源电路的耐压问题是一个难点，通常220 V交流电对地是低电位，如果通过220 V交流电经变压器直接供电，那么变压器初、次级线圈之间与铁芯之间的耐压需相对较高。这样不仅成本高，且在有限的空间内安装也较为困难。研究发现可充分利用高末电子管的灯丝电压，再经普通变压器供电，通过选择合理位置安装，满足要求。

图1 调宽脉冲发生器的供电原理图

电源的输入端设有高频滤波电路，将取自高末电子管的灯丝电压经电源变压器转变后变为15 V左右的交流电压，通过由L3、L4、C17、C18、C19、C20等组成的高频滤波电路，滤去高频成份，防止高频干扰串入电源电路。然后经整流模块整流，再通过三端固定输出稳压器7812、7912，输出正负12 V的电源。在实际安装过程中，需根据情况，由于200 kW脉宽机悬浮台有充足空间，可将电源变压器、调制器小盒安装固定在悬浮台上。

高末电子管灯丝电源到调制器电源变压器的电源线要沿着悬浮台，并保持与低电位点的距离。通过上述措施，既节约费用、又方便安装和维护。从高末电子管帘栅压电路取出帘栅压采样信号，采样信号经过低通滤波器，滤去高频成份后，送到集成运放5534进行同相放大。并通过调节可调电阻W1，调整集成运放的放大倍数。

为提高采样信号的抗干扰能力，既要保证有较大的采样信号传送给前端机，又要保证采样信号的幅值在前端机输入端口要求的电压范围内，一般选择信号电压为3.5 V左右。

放大后的帘栅压采样信号再送入由集成电路5532及R3、R5、R10、C3、C4、C5等元器件组成的伯特沃斯型有源低通滤波器。由于测量的高末电子管帘栅压是直流信号，有源低通滤波器的截止频率约为30 Hz，这样对直流信号的响应较快。

图2 有源低通滤波器

用555定时器、C12、R17等元器件组成脉冲信号发生器。产生的脉冲信号的宽度由R17和C12的值决定，时间常数T=1.1×R17×C12，调整R17或C12的值，使脉冲信号的频率为5 kHz左右，调整脉冲信号发生器电路中的电阻R15，使脉冲信号的占空比KT=0.5。随后将脉冲信号送到由集成电路5532及C11组成的三角波形成电路。

由于脉冲信号的占空比KT=0.5，所以三角波电路形成的为等腰三角形，满足脉宽调制电路需求。三角波形成电路是积分电路，C11为积分电容。在理想情况下，输出电压是输入电压的积分，但由于集成运放的输入失调电压、偏置电流及其漂移的影响，积分电压会产生误差，因此选用输入失调电压、输入偏置电流较小的集成运放。另外积分电容值越小，产生误差越大，三角波线性越差;积分电容值越大，产生误差越小，三角波线性越好，但输出三角波信号电压的幅值较小。又由于三角波信号电压的幅值决定了光电耦合传感器的放大倍数，当三角波信号电压的幅值较小时，光电耦合传感器的放大倍数较大，但抗干扰性能差。因此在满足幅值的前提下，积分电容值尽量大些。

图3 脉冲信号发生器和三角波形成电路原理图

根据计算机实时监控系统的需求，脉冲信号幅值调整为6 V左右，三角波信号电压的幅值也调整为6 V左右，通过调整可调电阻W3来实现。有源低通滤波器输出的帘栅压采样信号送入比较器LM311的同相输入端，三角波信号经隔直电容后送到比较器LM311的反相输入端，两个信号进行比较。比较器的工作过程:(1)无帘栅压采样信号时:三角波信号电压的幅值＞0 V，比较器输出低电平;三角波信号电压的幅值＜0 V，比较器输出高电平。(2)有帘栅压采样信号时:三角波信号电压的幅值＞帘栅压采样信号，比较器输出低电平;三角波信号电压的幅值＜帘栅压采样信号，比较器输出高电平。

当高末电子管帘栅压采样信号大时，比较器输出的脉冲信号占空比大，当高末电子管帘栅压采样信号小时，比较器输出的脉冲信号占空比小，从而实现高末电子管帘栅压采样信号对脉冲信号的调宽。从比较器LM311输出的调宽脉冲信号送到光发生器DS1，光发生器DS1将其转换为带有采样信息的光信号。当比较器输出低电平时，光发生器发光;当比较器输出高电平时，光发生器关闭。这样光发生器DS1发出的光信号就可与调宽脉冲信号保持同步。

光发生器DS1发出的光信号经光缆传送到光接收器DS2。有光时，光接收器DS2输出低电平，低电平的电压值接近稳压管ZD201的电压值，约为－6.1 V。无光时，光接收器DS2输出高电平，高电平的电压值为稳压管ZD202的电压值加二极管D201上的电压值，为6.3 V左右。由此可见，光接收器DS2输出的信号频率和宽度与比较器输出的信号相一致。该信号送到伯特沃斯型有源低通滤波器，低通滤波器的截止频率为30 Hz。

经低通滤波器处理后，调宽脉冲信号解调还原为与输入信号成正比的模拟信号。为使解调的模拟信号失真度小，光接收器DS2输出信号的高、低电平的绝对值应尽量靠近。但由于受稳压管标称值的限制以及其他因素的影响，光接收器DS2输出信号的高、低电平的绝对值无法一致，这样解调出的模拟信号将会失真。因此解调后所得的信号需送到零偏校正电路，经零偏校正后的信号送入输出电路。输出电路由集成电路LF347等元器件组成，跟随器输出正值，反向器输出负值。

图4 零偏校正电路和输出电路的电路原理图

解调器输出电路设有高频滤波电路，防止高频干扰信号反窜入光电耦合传感器，造成光电耦合传感器无法正常工作。C14、C15为滤波电容，滤波后的信号通过平衡双绞线进行传输。由于200 kW脉宽机各采样点分布较为分散，传输线普便较长，走向不一致。其信号线与地线长短也不同，采样信号受高频干扰严重，因此解调器输出采用平衡方式进行传输。而且平衡双绞线的屏蔽层与发射机房的高频接地系统相连，这使得采样信号传送过程中，干扰信号在平衡双绞线上的差模值最小，平衡双绞线对干扰信号起了同相位抵消的作用，而且对高频电磁波起到较好的屏蔽作用，防止各采样点之间的相互窜扰。