基于脉宽调制原理的模拟信号长距离传输方案研究

杜卯春 何利 邹强

湖南航天磁电有限责任公司，湖南长沙 410200

0 前言

模拟电压信号（下文称模拟信号）作为传感器输出形式中的一种，在业界较为常见。但模拟信号在远距离传输时容易受到各种因素影响，例如电磁噪声复杂、劣质线材阻抗不均匀、信号衰减过快等情况。在长距离传输场合时，干扰的存在大大降低了传感器的信噪比，严重情况下真正有用信号将完全淹没在噪声干扰中，使得模拟信号的传感器应用变得十分困难。为减小上述干扰的影响，传输线缆屏蔽层应保持完整且良好连接，测量端与采集端进行电气隔离可进一步隔绝远端噪声的干扰。将模拟信号转换为差动数字信号后再传输可大幅提升其抗干扰能力，也便于隔离传输。文献[1]中提出的思路与本文类似，但其选择方波的频率作为模拟信号幅值的传输载体风险较大，受限于专用芯片频率输出的精度与稳定性，并未采用差动形式进一步提升抗干扰能力，并且文献[1]中方案采用光纤作为传输媒介，需要专用的电-光转换器，成本较高，不利于广泛推广。

1 系统方案工作原理

图1为传输方案系统原理框图，分别由用于发送的测量端与用于接收的采集端组成。电流传感器输出的模拟信号（0～5 V）经PWM发生器调制后生成一组方波信号（下文称PWM信号），占空比与模拟信号幅值成比例关系。总线发送器部分将单路PWM信号转换为正极性与负极性两路互为反向的差动信号，以增强抗干扰能力，便于长距离传输。传输电缆使用两芯双绞电缆传输至采集端，接收端的总线接收器部分将差动信号转换为差动单路PWM信号。最后经低通滤波器滤波处理后，可以重新还原为模拟电压，供A/D采集。

本方案的优点在于以下几个方面：

（1）模拟信号采用定频脉宽调制原理进行转换，在传输过程中占空比不易改变，且固定的基频分量更容易被滤除；

（2）脉宽调制技术作为一种离散形式的传输形式，功耗更低[2]；

（3）PWM信号在传输过程中采用差动模式，可进一步提升信噪比，增强抗干扰能力；

（4）发送端的基频与接收端的滤波器参数调整较为方便，可针对不同物理量的测量场合进行灵活调整；

（5）大功率场合下，可将测量端电路元件使用屏蔽罩遮盖，可使用带屏蔽网的双绞电缆，提升传输稳定性[3]。

2 电路原理图及参数计算分析

本方案由多个电路部分组成，其中发送端的PWM调制器与接收端的低通滤波器较为重要。图2为包含PWM调制电路的信号发送端原理图，图3为包含低通滤波器电路的信号接收端原理图。发送端内PWM信号单端转差分、接收端内PWM信号差分转单端工作由RS485总线收发器完成。

为节约元件数量，简化设计，本文选用特定功能专用芯片完成PWM信号的调制工作。由于本方案对PWM信号的频率稳定性、占空比误差等要求较高，选用AD公司LTC6992-1作为PWM发生器。该芯片可输出的占空比范围为0%～100%，且只需要简单的数个电阻即可完成配置，灵活性高。

2.1 PWM调制电路参数计算

图2为该部分电路的设计，由于输入模拟电压范围为0～5 V，而LTC6992输入电压范围只有0～1 V，需预处理电路，将输入的模拟电压精确缩小至原幅值的0.2倍后可被识别。预处理电路有着精度高、偏执电压低、噪声低等要求，选用TI公司的OPA325高精度运算放大器搭建。图2中，U3用于输入信号的缩小，预处理电路的输入输出关系式为：

其中，Vo为U3输出电压大小；Analog_IN=Vin，其大小为需要长传输的模拟信号。

查询LTC6992数据手册可知，其频率响应带宽为输出频率的1/10。根据奈奎斯特理论，为满足输入模拟电压达到20 kHz的采样频率且波形不失真，PWM频率应设定为：

其中，fout为LTC6992设定的输出PWM信号频率；fs为ADC采集系统期望采样频率。

图中R3用于LTC6992内部晶振主频率的设定，R2、R4用于设定对主频率进行分频后再输出。LTC6992的输出频率可由下式计算：

其中，NDIV为设定的分频系数，其值等于1；R3=125 kΩ。

2.2 低通滤波电路参数计算

图3为低通滤波器部分的电路设计，本方案使用LM6132这款运算放大器进行RC有源滤波器的搭建。由于发送端传感器输出的模拟信号频率较低，一般情况下不超过10 kHz，而信号在传输过程中受到的干扰一般频率较高，大部分超过100 kHz[4]，因此，本低通滤波器需要将截止频率设置在20 kHz。该截止频率可以有效地将传输过程中的干扰噪声滤除，也能很好地保留被传输信号中的全部信息，便于信号的还原。

由于一阶滤波器幅频响应特性的过渡带较宽，幅频特性的最大斜率仅为-20 dB/十倍频，二阶滤波器通过增加一组RC环节，可加大衰减斜率至-40 dB/十倍频。由图3可知，该有源滤波器为2个二阶低通滤波器串联组成。本次的设计选择了保持幅频特性单调变化的前提下，通带内特性最为平坦的巴特沃斯逼近结构[5]，其幅频特性方程为：

其中，n为网络阶数；ωc为截止频率；KP为滤波器增益。n阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数可由下式确定：

其中，θk=(2k-1)π/(2n)。

由上面2个公式可得巴特沃斯低通滤波器的幅频特性及传递函数[6]为：

根据传递函数与巴特沃斯系数表查询可得二阶滤波器阻尼分别为α1=0.748与α2=1.848。再根据下式：

其中，R2与C1、R2与C2为构成滤波器两阶的电容电阻；ωc为滤波器期望截止频率。

二式计算二阶低通滤波器内电阻与电容的准确参数。参考本方案中各项指标，可令Kf=1，ωc=20 kHz，计算可得：

对 应 图3中R8、R9、R10、R11、C3、C4、C5、C6。经 仿真可知，其幅频响应曲线如图4所示，由图中曲线可知该设计符合要求。

3 原理仿真验证

本传输系统方案的电路结构及参数计算确定之后，样机制作之前，应采用计算机仿真手段对电路结构及参数进行仿真验证。本文方案使用National Instruments公司的Multisim 14.0作为仿真环境，在其中搭建相关电路结构，分析验证方案的可行性。

使用仿真环境中的自带模型，搭建第2节中各部分电路设计。需要说明的是由于仿真软件中无LTC6992-1元器件模型，作者使用软件自带模型构建该型号的等效模型，使该模型功能、参数与真实元器件接近，图5为Multisim环境中搭建的信号传输方案模型。

图5的仿真模型中，XFG2为用于模拟传感器输出的模拟信号，即被传输信号（“sensor”网络标号，图中蓝色标识）；0～5 V范围，20 kHz。HB1为LT9662的等效模型，输入0～1 V的模拟电压，对应输出0%～100%占空比的PWM方波（“PWM”网络标号，图中红色标识）；PWM方波经传输后通过U3的2个运放单元进行低通滤波处理，还原成模拟电压信号（“signal”网络标号，图中绿色标识），启动仿真后通过XSC1示波器观察上述信号，结果如图6所示。

由图6可知，被测模拟信号（波形一）由调制PWM方波（波形二）传输，经低通滤波器还原后的模拟信号（波形三）与原信号保持一致，无畸变、相移，该传输方案正确可行。

4 样机实验结果

经过第3节的原理仿真，验证方案的可行性后，应进行设计制作该方案的实验样机PCB。本文使用Altium Designer 19进行设计工作，PCB采用双面板设计，PCBA实物图如图7所示。

PCBA左侧为发送端，右侧为接收端，使用两芯电缆将两端连接，长度为50 m。在发送端的“5V1”与接收端的“5V2”位置处供入5 V电源，“AI”位置处输入被传输模拟信号（标准正弦信号100 Hz，0～5 V）。经过长度为40 m的线缆传输后，传输用PWM信号将被接收端获取，经滤波处理后，得到被还原的模拟信号，从“AO”位置处输出，验证实验平台搭建如图8所示。

将AI输入（黄色）的正弦信号设定为5 Vp-p，频率提升至20 kHz，此时测量示波器内两波形的幅度，通道2（蓝色）为AO波形，峰-峰值Vp-p约为3.6 V，相位差约为110°，符合图4低通滤波器频率响应。图9为20 kHz下AI与AO测量结果。

将AI输入更换为100Hz方波模拟阶跃信号的输入，通过对比测量AI与AO下降沿/上升沿的时间差，可知其传输延时为27.5 μs，该实测结果满足设计预期。图10为方波信号的AI与AO测量结果。

5 结束语

经过实验验证，本传输方案对于频率在20 kHz内的连续模拟信号的传输效果较好，传输延时主要是由接收端的低通滤波器影响，可通过后期软件算法的补偿进行修正，对控制效果的影响较小。由于在传输过程中采用了标准RS485收发器对被传输PWM信号进行差分转换，使得传输线路具备了耐受±16 kV的ESD防护能力，且差分信号传输形式进一步减小了信号在传输过程中被干扰的影响。传输系统经试验验证，对于阶跃信号的响应小于28 μs，可满足大部分应用场景下的闭环控制需求。