维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第２６卷第６期 传感器与微系统（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ６７ ７＼ 设计与制造 《０ 、０ 基于Ｖ／Ｆ转换的高精度模拟信号光纤传输系统 亢彦军，宋光德 （天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津３０００７２） 摘要：根据电 频率转换和频毒委／电压转换的原理，采用ＬＥＤ－ＰＩＮ光传输结构和相应的模拟集成电 路，设计了一个低成本，传输精度可达０．１％的模拟信号光纤传输系统。该系统克服了实际传输模拟小信 号的非线性，以及模拟信号Ａ／Ｄ转换后采用数字光纤传输技术的成本较高等缺点，为多通道、远距离、低 频模拟小信号提供了一个性能优越的传输方案。 关键词：光纤；传输系统；电压／频率转换器；频率／电压转换器；模拟信号 中图分类号：ＴＮ９１３．７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００－－９７８７（２００７）０６－－００６７—０３ Ｈｉｇｈ Ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉ‘‘ｓｉｏｎ ａｎａｌｏｇ－ｓｌｄｏｇ ｓｉｇｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｃａｌ Ｄｅｒ ｔｒａｎｓｍｌｓｓｉｏｎ ｉｂｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉ￣ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖ／Ｆ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ＫＡＮＧ Ｙａｎ－ｊｕｎ，ＳＯＮＧ Ｇｕａｎｇ—ｄｅ （Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ＬＥＤ－ＰＩＮ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ ａｎａｌｏｇ－ｓｉｇｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｃｏｓｔ．ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｒｅａｃｈｅｄ ０．１％ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｌｖｅｓ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅａｋ ｎａａｌｏｇ－ｓｉｇｎａｌ’Ｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ｔｈｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｈｉｇｈ ｃｏｓｔ ｏｆ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｄｉｇｉｔｌａ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ．Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｐｒｅｄｏｍｉｎａｎｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｎｎｅ１．１ｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｌｏｗ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｗｅａｋ ａｎａｌｏｇ－ｓｉｎｇａ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ ｉｆｂｅｒ；ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｖｏｌｔａｇｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ（ＶＦＣ）；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ （ＦＶＣ）；ａｎａｌｏｇ－ｓｉｇｎａｌ ０引 言 数字信号进行传输，在接收端经过匹配的频率／电压转换器 在现代生产控制过程中需要检测和传输大量的低频模 （ＦＶＣ）来恢复原信号…。由于这类ｖ／Ｆ转换器具有良好 拟信号，如，温度、压力、形变、厚度等，如何对这些信号进行 的精度、线性、积分输入特性和一定的温度特性，不仅增强 高速、高精度的传输是信号处理过程中一个极其重要的问 了抗干扰能力，加大了传输距离，同时，也较好地解决了光 题。而光纤通道（ｆｉｂｅｒ ｃｈａｎｎｅ１）是一种利用光纤作为物理 源非线性失真问题，在传输中具有很高的噪声抑制比，为高 链路的高性能串行数据接口，它是由美国国家标准委员会 精度、实时性要求较高的光纤传输系统提供了一个价格低、 （ＡＮＳＩ）制定并逐步发展的高速串行协议。基于光纤通道 性能高的接口。 的光纤传输技术的发展，不仅克服了传统的微波传输和同 １模拟光纤传输系统的原理及特性 轴电缆传输的瓶颈和电磁干扰问题，而其本身也具有许多 模拟光纤传输技术是将基带的模拟信号调制在某一高 突出优点，如，低延迟、频带宽、损耗低、传输信息量大、传输 频载波信号上，通过发射光端机进入光纤传输，然后，通过 距离远、保密性好、温度稳定性高、寿命长等，为光纤在信号 另一端的接收光端机进行解调，恢复成相应的基带信号。 传输领域的应用提供了广阔的前景。 其模拟光调制信号是随输入载波信号的幅度、频率、相位变 但实际应用中，模拟信号利用光纤直接传输时，对传输 化而分别进行调幅、调频、调相的。 系统的信噪比要求较高，线性性能要求十分严格。为此，本 模拟光纤传输由于很难做到真正线性调制，其非线性 文中采用电压／频率转换器（ＶＦＣ）将模拟信号调制转换为 必然引起信号失真，而且，光信号调制过程中的非线性也很 收稿日期：２００６－－１１－－１６ 维普资讯 http://www.cqvip.com 传感器与微系统 第２６卷 难克服，再加上传输过程中光功率衰减、传输频率漂移、相 位失真、光信号色散效应引起的光信号畸变以及光接收端 的非线性失真等，使得模拟传输模式暴露出很大的缺点：传 输时交调干扰严重、容易受环境干扰影响、传输质量低劣、 长期工作稳定性差、系统扩展极为不便等 Ｊ。 ２．３ ＬＭ３３１的Ｖ／Ｆ转换基本电路 ， ＬＭ３３１的电压工作范围为４～２０ Ｖ，本设计采用＋１２ Ｖ直 流电源供电，Ｖ／Ｆ转换后输出频率的范围为ｌＯ Ｈｚ－１１ ｋＨｚ，非 线性为０．０３％，通过参考电流端外接的可调电阻器Ｒ 可 获得较大的测量范围，具体接线电路如图２所示。 数字光纤传输技术是对输入的基带模拟信号先进行高 分辨力的模数转换，然后，由模拟幅值对应的数字编码信号 直接控制光头发射的光信号的强、弱状态（分别对应ｌ和 ０）。由于传输的是数字信号，有效地避免了传输噪声和非 线性的影响。但在传输微弱信号时，为减小量化误差，必须 ！ 限Ｖｉｎ！丁 里 ＣＩ ２２ｋｎ ＣＬ。’１ｔｔＦ 一ｌ２ Ｉ Ｆｏｕｔ Ｖｘ ｌ！ ¨ 凡．８ ２ｋｎ ＦＯ０１５ｌｋｎ ＋１２卜—————— ＾，————— Ｒ。４７ｋｎ 对信号进行放大之后，再进行模数转换。而多路信号传输 系统中，每路通道都得配置放大和Ａ／Ｄ转换电路，难以共 享资源，从而使前级信号处理的成本大大增加。 ２基于Ｖ／Ｆ转换的光纤传输系统和构成 ２．１ Ｖ／Ｆ，１７／Ｖ光纤传输系统 图２ ＬＭ３３１的Ｖ／Ｆ转换外部接线图 Ｆｉｇ ２ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ Ｖ／Ｆ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ＬＭ３３１ ２．４ ＬＭ３３１的Ｆ／Ｖ转换基本电路 ＬＭ３３１构成的Ｆ／Ｖ转换电路如图３所示，输入脉冲经 过Ｒ ，Ｃ 组成的微分网络进入芯片集成电路，经过内部比较 器、触发器以及低通滤波电路，当充放电平衡时，可得输出电 ＶＦＣ和ＦＶＣ提供了一种价格低廉、使用方便的数据转 换接口。ＶＦＣ主要功能是在规定的精度和频率要求范围 内，将模拟电压信号转换成具有一定逻辑电平的数字脉冲 输出，其中，数字脉冲的频率与电压信号成正比。而ＦＶＣ 的功能则相反，它是在一定精度和频率范围内将某一频率 的数字信号转换成模拟量输出。两者的转换均成较好的线 性关系。 压值，其中，电阻器Ｒ．．和电容器 ．组成的低通滤波器，ｃ。 值较大时，输出电压 的纹波会小些，ｃ 值较小时，当输入 频率变化时，输出响应会陕些，在实际运用时需综合考虑。 ＵⅥ３３ｌ ＶＦＣ器件的应用电路简单，外围元件的性能要求不高， 对环境的适应能力强，转换速度也不低于一般的双积分型 Ａ／Ｄ器件，而且，还具有良好的精度、线性、积分输入的特 Ｏ Ｖｓ 性及一定的温度特性，因此，其性能是用其他技术难以实现 的。此外，由于以频率表示的模拟量是一种串行数据，易于 工 ．。。盛一 数据通道进行处理，频率信息能以很高的噪声抑制比在很 图３ ＬＭ３３１的Ｆ／Ｖ转换外部接线图 Ｆｉｇ ３ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏｒ ｆ弋Ｉ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ＬＭ３３１ 长的光纤传输线上传输，本设计将其应用于光纤模拟信号 传输。其Ｖ／Ｆ，Ｆ／Ｖ转换光纤传输系统如图ｌ所示。 模 ～ ３ Ｖ／Ｆ。Ｆ／Ｖ转换传输实验和测试结果 ３．１ 实验原理 高精度模拟光纤传输系统测试电路如图ｌ、图２、图３ 所示。对于模拟输入信号前端的Ｖ／Ｆ转换，当输入电压Ｖ 过低时，ＶＦＣ输出频率受影响使得转换精度下降；而当 升高时，频率转换的效果提高，精度就上升。实际测量中的 ｉＬＺＬ２：．．．．．．．．．．．．．．．．．．ＰＩＮ 模拟输入小信号范围为０．０１～１．００Ｖ，为提高其转换精度， 在该输入信号上叠加一个偏置电压使其在线性度较高的区 域内进行转换，从而提高了Ｖ／Ｆ转换的转换精度。 图１基于Ｖ／Ｆ转换的模拟光纤传输系统框图 Ｆｉｇ １ Ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ＶＦＣ－ｂａｓｅｄ ａｎａｌｏｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ 光传输部分采用发光二极管一光电二极管组合（ＬＥＤ－ ＰＩＮ），其特点是非线性失真小、噪声低，对系统的信噪比影 响不大。由于大功率半导体发光二极管作为光源，它的幅 ２．２ Ｖ／Ｆ转换电路的特点 本设计采用美国ＮＳ公司的Ｖ／Ｆ和Ｆ／Ｖ转换单片集成 芯片ＬＭ３３１，其具有简单的外围电路，较高的性价比，可单 电源供电，低功耗等优点。该芯片适宜用于多种场合，当作 Ｖ／Ｆ转换时，其输出为频率正比于输入电压的脉冲串，脉冲 可通过简单的光电耦合实现输入、输出隔离克服高共模电 平。此外，ＬＭ３３１采用的温度补偿电路能提供在整个温度 度较小，并具有１／厂特性，因此，对信噪比影响不大。而ＰＩＮ 的响应时间很短，因而，对信号产生的失真影响较小。 转换电路的时间常数ｃ。 。 决定了输入信号频率变换 时，输出电压随之变化所需建立时间的大小及输出电压纹 波的大小。ｃ。 ．．越大，则建立时间越长，但输出电压的纹 范围内的转换精度保证。 波越小。由于本测试传输系统要求频率转换时建立时间小 维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期 亢彦军，等：基于ｖ／Ｆ转换的高精度模拟信号光纤传输系统 于０．５ Ｓ，则设ＣＬ尺Ｌ＝０．１ Ｓ，取ＣＬ＝１ Ｆ，ＲＬ＝１００ ｋｌｌ。 由表１中的数据分析可知，输入信号在１．Ｏ０－２．Ｏ０ Ｖ 芯片管脚２端的输出电流，Ｈ是由内部基准电压源供给 的范围内达到了很高的传输精度，证明实际模拟输入小信 的１．９０Ｖ参考电压和外接电阻Ｒ 决定，， ＝１．９０／Ｒ ，改变 号加１ Ｖ偏置后再进行转换传输的方案切实可行，可以实 Ｒ 的值，可调节电路的转换增益，本测试中选用１０ｋＱ的电 现稳定、可靠的传输。 阻器与５ ｋＱ的电位器串联。 ４结论 ｖ／Ｆ及Ｆ／Ｖ转换电路根据输入信号的最高频率来确 由实验结果可知，以ＬＭ３３１为核心器件实现基于ｖ／Ｆ， 定定时电阻Ｒ 和定时电容Ｃ 的最大值。由 ［１一 Ｆ／Ｖ转换的高精度模拟光纤传输系统中，直流信号的传输 ｅ 舢 ）］＝２Ｌ ／３可得对定时电容Ｃ 的充电时间Ｔ一 达到了较高的指标：偏置电压为１．００Ｖ；输入信号电压范围 １．１Ｃ Ｒ 。由于必须满足１．１Ｃ Ｒ ＜１ 实际测量中使用 为１．００－２．００Ｖ；光纤传输信号频率大于１ ｋＨｚ；传输误差小 ＋１２ Ｖ供电系统的 ≤１１ ｋＨｚ，取Ｃ ＝０．１ ，从而可得 于０．１％。 Ｒ ＝８．２ ｋｎ。 实验结果表明：对于输人为１．００－２．ｏｏ Ｖ范围内的直 整体转换机理为模拟输入小信号调制后经ｖ／Ｆ转换成 流信号，传输精度较高地满足了系统要求。但是，对于快速 频率脉冲信号，再经三极管驱动ＬＥＤ，将电信号转换为光信 变化的模拟小信号，由于ＬＭ３３１转换速率的，传输精 号，然后，通过光纤的传输进入光电接收二极管ＰＩＮ，之后， 度会随着信号频率的增加逐渐下降。而对于常见的缓变模 经运算放大器ＦＥＴ放大为电信号，最后，由Ｆ／Ｖ转换电路和 拟信号（如，温度、压力等），该系统却能达到较高的传输精 解调电路恢复为原来的模拟小信号，实现高精度的传输。 度和频谱特性，尤其适用于多路小信号巡回检测的测控系 ３．２实验结果 统。因此，ｖ／Ｆ转换光纤传输系统为多通道、远距离、低频 在本系统传输实验中对０．５０－４．００Ｖ范围内的输入信 模拟小信号提供了一个价格低廉、性能优越的传输方案，具 号进行了测试和分析，测量数据如表１。 表１模拟信号光纤传输系统传输测试数据 有广阔的应用前景。 Ｔａｂ １ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｄａｔａ ｏｆ ａｎａｌｏｇ・ｓｉｇｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ 参考文献： ｓｙｓｔｅｍ ［１］方中奇，周惠敏．采用Ｖ／Ｆ和Ｆ／Ｖ转换实现模拟量的隔 离［Ｊ］．基础自动化，２００２，９（１）：７６－－７７． ［２］ 冯国斌，刘福华，杨鹏翎，等．实用化宽带模拟光纤传输系统［Ｊ］． 红外与激光工程，２００３，３２（６）：５８７－－５８９． ［３］张苑农．ＬＭ３３１及其应用［Ｊ］．十堰职业技术学院学报，２００４， ｌ７（２）：７６－－７７． ［４］ Ａｋｉｂａ Ｓ．Ｒｅｃｅｎｔ ｐｒｏｇＴｅｓｓ ｏｆ ｓｔａｎｄａｒｄ ｖｏｌｔａｇｅ—ｔｏ・ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎ— ｖｅ￣ｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｔｒｎａｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］∥Ｖｐｒｏｃ ＥＣＯＣ’９２， １９９２：７１８－－７２６． 作者简介： 亢彦军（１９８２一），男，山西宁武人，硕士研究生，主要从事超声 无损检测技术及信号传输方面的研究。 ； ； ； ； （上接第６６页） ３５４－－３６３． ＝∑（ＰｉＶｉ）／∑ ， （９） ［２］ 陈智君，林玉池，赵美蓉，等．万能工具显微镜目镜视场字符 识别的预处理算法［Ｊ］．光电子・激光，２００５，１６（１）：８０－８２． 式中 为阈值； 为灰度值；Ｐ 为灰度值为 的像素个 ［３］ 杨述斌，彭复员．噪声污染图像中的广义形态学边缘检测 数。 器［Ｊ］．计算机工程与应用，２００２，３８（１７）：９１－－９２． ４结束语 ［４］Ｆａｎ Ｌ Ｎ，Ｗｅｎ Ｙ，Ｘｕ Ｘ Ｈ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅｄｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒａｙ— 复杂背景下的边缘检测是计算机视觉研究中一个热点 ｓｃａｌｅ ｉｍａｇｅ ｃｏｒｒｕｐｔｅｄ ｂｙ ｎｏｉｓｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｌｔｉ—ｓｔｒｕｃｔｕｒｉｎｇ ｅｈ・ 和难点问题，本文采用多结构元边缘检测算子提取复杂背 ｍｅｎｔｓ［Ｃ ３／／Ｐａｒａｌｌｅｌ ａｎｄ Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｄｅ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｎａｄ 景下的图像边缘，能够去除大量的复杂背景和杂波，并且， Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＰＤＣＡＴ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，Ｐａｒａｌｌｅｌ ａｎｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｍ・ 很好地解决了噪声抑制和保持图像边缘细节之间的矛盾， ｐｕｔｉｎｇ，Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＰＤＣＡＴ ２００３ ｅｒｏｃｅｅ— 实验表明具有很好的边缘检测效果。 ｄｉｎｇｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｃｈｉｎａ，２００３：８４０—８４３、 参考文献： 作者简介： ［１］刘松涛，王学伟，周晓东，等．基于传感器参数和目标轮廓中 傅其凤（１９６５一），女，河北黄骅人，副教授，硕士，研究方向为 心的自动配准算法研究［Ｊ］．光学精密工程，２００５，１３（３）： 现代传感技术。
