一种基于RMS和V－F转换的远程传输A／D采集电路的实现＊

边 钢 王 衡 谭 巍 李 纵

（武汉船舶通信研究所 武汉 430079）

1 引言

无线通信领域内的大功率信号发射系统运行时，为了有效控制功率放大电路的稳定、可靠运行，对某些关键电路节点的电能参数进行在线监测是必要的。

但是，功率放大电路中交流信号含有非标准的正弦及不同阶次的谐波信号，同时，采样后的电信号传输线路处于强电场、强磁场环境，从而导致电信号产生畸变，寻求一种具有真有效值（RMS）与抗干扰特性[1]，而且能够实现远距离传输的模拟信号采样电路，具有现实意义。

2 概述

图1 采样、发送及接收电路原理

本文提出了基于真有效值的A／D采样、V／F和F／V转换、光纤传输等技术设计的硬件电路的实现方法是：对含有不同阶次的谐波信号进行数据A／D采样，得到真有效值（RMS）电压幅值后，正比例转换为频率（V／F）信号，信号通过光发送器发送至光纤介质，光纤将信号传输到光信号接收器[2]，然后通过频率转电压（F／V）转换电路，将转换得到的电压幅值信号经光电隔离电路输出[3]，光纤两端没有直接的电路链接，实现了电气隔离，从而实现远程A／D模拟信号采集与传输。

3 电路的实现

3.1 发射模块

来自发射模块外部的非标准的正弦信号及含有不同阶次的谐波信号接入磁电隔离接口电路输入端，模拟信号耦合输出至有源低通滤波器，将其信号中的突发脉冲和干扰滤除，经运算放大器对信号进行适当放大或者衰减，输出波形光滑、幅值适当的信号给真有效值（RMS）转换电路接口[4]。

图2 信号采集转换及发射电路

RMS转换电路基于AD637真有效值AC／DC转换芯片组成[5]，以“平方→求平均值→开平方”方式进行真有效值A／D转换[6～7]，转换后的信号经由AD652为核心器件构成的电路单元，将电压信号转换为幅度稳定的频率信号，然后经逻辑电平驱动芯片DS75451和光信号发送器件构成的光电转换电路（E／O）输出，输出信号传送到光纤介质。

3.2 传输介质

为了将发射模块电路转换能得到的信号实现远距离传输，同时减少外部电磁杂波对传输线路的干扰，这里使用光脉冲信号传输，介质为光纤。

选择光纤作为传输介质，可以增强信号远距离传输的抗电磁干扰性能和抗辐射能力，光纤规格的选择，依据信号传输的距离确定；选用不同材质的光纤，并配合选择不同规格的光信号发送器件和接收器件。

其中，选用规格为1mm的塑料光纤传输有效距离小于50m，参考选择的光信号发射器件型号为HFBR－1528，光信号接收器件型号为HFBR－2528；如果要实现传输距离超过1km，传输光纤无需加载能量进行驱动，参考选择型号为HFBR－1414的光信号发射器件，光纤规格为200μm的硬包层石英（HCS）光纤，光信号接收器件型号为HFBR－2412。

工程应用中，根据实际需求，对应选择上述的搭配，可以实现不同距离的信号传输；同时，满足工程对成本的需求。

3.3 接收模块

光纤的输出端接入由接收模块提供的光电转换电路（O／E）模块的光纤信号接收器（HFBR－1414）接口；信号经接口电路输入到接收模块，将光信号转换为电信号，然后输出至基于 AD652组成的频率／电压（F／V）转换电路单元[8]，此模块按照线性转换原则，将频率信号复原为电压幅值信号，即还原了发送模块的信号调理电路输出的电压幅值信号；然后，电路再次对信号调理，经线性光耦芯片HCNR200输出，提供给测量与控制系统的相应接口电路。

图3 信号接收转换电路

4 电路设计

4.1 AD637的输入与输出

1）本文依据AD637芯片的数据表，根据设计需求，选择双极性信号输入范围：－5V～＋5V，以此作为设计电路的基本需求，可以适应宽电压A／D采集的量程要求。

输入电压Uin经过运算放大器的缓冲隔离，输入到AD637的信号输入脚，同时给运算放大器设置输入偏置电压（1～100mV），提升AD637内部缓冲器的静态工作点；另外，选择JEET输入高速运算放大器作为跟随器，提高输入阻抗，提高稳定性，减少噪声[9]。

2）在AD637电压输出端第9脚设置两级有源低通滤波器，一个是独立的低通滤波器，构成电容倍增电路，其输出接另一个由运算放大器组成的低通滤波器，起到提高测量速度、滤除低频分量，使输出稳定的作用。

3）低通滤波器的输出端接入低失调电压的运算放大器形成的可调比例放大器，提高输出值准确度。

4.2 AD652的输出

为了满足增益与失调的校准需求，基于AD652同步电压频率转换的单元电路采用如下方法：调整满度时，用串联500Ω的可调电阻进行电阻值微调，其连接如图4所示。当输入负信号时，串联的500Ω电位器接地，6脚作为输入端；增益的微调是在输入信号9V和输出频率波形准确调整到45%时钟频率下进行的；用20KΩ的电位器跨接在2、3脚之间，中间抽头经250KΩ的电阻接到Vcc上，这时放大器的失调电压调整可以补偿到零[12]。

图4 AD652输出接口

5 结语

本文阐述的基于真有效值、光纤传输与光信号发送与接收等技术设计的电路，实现了电磁干扰强的复杂测量与控制系统中小信号的采集与远程传输，同时满足真有效值A／D采集与转换，远距离传输后数据不失真、抗电磁干扰等特性，经过工程实践的验证，满足了实际应用需求。

[1]RMS－to－DC converters Ease Measurement Task An－268ANALOG DEVICES Inc.

[2]石一，杨小卫，高迎慧，等.光纤隔离变换器在高压充电电源中的应用 [J].高电压技术，2008，34（7）：1422－1425.

[3]吴文秀.一种利用V／F和F／V转换器实现远距离隔离传输的实用电路[J].长江大学学报（自科版），2006，12，3（4）：110－111.

[4]High Precision Wideband RMS－to－DC Converter AD637＠2011 ANALOG DEVICES Inc.

[5]Monolithic Synchronous Voltage－to－Frequency Converter AD652 ＠2004ANALOG DEVICES Inc.

[6]Clarkes Kitchin and Lew Counts RMS to DC Conversion Application Guide 2ndEdition ANALOG DEVICES Inc.

[7]ADI.Voltage－to－frequency and frequency－to－voltage converter[Z].USA，2002，1，12.

[8]高美珍.AD651／652电压频率转换器的原理及应用[J].湖北师范学院学报（自然科学版），2005，5（1）：74－77.

[9]唐军，郭涛，石云波，等.高精度加速度传感器信号处理电路的设计 [J].传感器技术，2004，24（7）：52－56.

[10]黄惠钦，杨威棣，潘雪峰.基于TMS320F2812的高速数据采集系统[J].计算机与数字工程，2011（8）.

[11]龚俊.基于DSP和USB的信号采样传输方法研究[J].计算机与数字工程，2008（9）.

[12]陈仁伟，朱长青，岳夕彪.高准确度有效值转换电路的设计与实现 [J].电子测量技术，2010，33（6）：20－22.