数字式光电计数器设计（共7篇）
数字式光电计数器设计 篇1
光电测尺, 即激光准直检测仪, 对它的研制起源于桥式起重机的安全性检测。桥式起重机是工程中广泛应用的大型起重运输机械, 且经常用于关键岗位。作为主要受力构件的主梁, 其安全性不仅影响到生产能否正常进行, 甚至会危及人身安全, 因此, 国家规范不仅明确规定必须定期检测, 而且对检测要求甚高;而具体实施中, 检测手段却相当简陋, 要求与现实差距很大。若采用高精度装置, 则因其现场使用不便, 装置价格昂贵而无法普遍使用。因此, 笔者根据实际情况, 指出如下研制思路:光电测尺的数字显示要适合规范要求的精度, 且现场使用方便, 价格适中, 便于推广。
一、相关原理
1. 光电检测原理。
光电检测装置主要由光电传感器进行测量, 见图1。光电传感器的作用原理是:光源产生光通量, 光通量的参数 (如辐射能流的横截面积、光谱成分及光强度等) 受被测对象控制, 然后由光电器件接收再转变成电参数的变化进行测量。
2. 光电测尺的构造及工作原理。
光电测尺采用激光光束作为基准, 充分发挥了激光直线性好、光强高、在较远距离仍能保持一定光强的特性。但光束有一个扩散角, 到一定距离后光斑直径较大, 不便采集, 因此, 根据检测距离, 压缩发散角以调整光斑直径作为研制工作的第一步;得到适当的光斑直径后, 采用集光、机、电为一体的测尺, 一步实现检测, 这是装置的关键所在和创新之处。利用这套装置, 研究人员先后在现场完成l1台双梁桥式起重机箱形主梁的变形检测, 达到了预期效果, 并有普遍推广价值。研究人员还进行过电梯轨道、起重机轨道的平直度检查, 也是成功的。从原理上讲, 大型结构平整度完全可以用它进行检测;经过改装, 还可以用于桥梁、高层建筑的位移监测。装置原理见图2。
注: (1) 为He-Ne激光器; (2) 为准直变换器; (3) 为遮光罩; (4) 为光电转换器; (5) 为数字表头; (6) 为游标; (7) 为游标卡尺; (8) 为数字显示表。
3. 光学准直系统设计原理。
采用激光准直仪由半导体激光器及电源、小型单筒望远镜、孔径约1 cm的圆光阑、二象限光电池、2个可正、负显示的小量程数字电压表、导轨和3个调节架组成, 见图3。其中, 半导体激光器用于产生红色激光, 倒置望远镜用于对激光器发出的激光束进行扩束准直, 圆光阑可起到控制光斑直径大小及获得近似的轴对称圆光束的双重作用, 二象限光电池用于检测激光束中心相对其中心的位置。激光准直仪检查导轨的平直度的原理:由可见红光的半导体激光器配上单筒望远镜及合适孔径的圆光阑, 经调节可形成一束与导轨轴平行且有一定截面积大小的基准光束。实验表明, 从光阑射出的轴对称圆光束在强度和光强分布上均能满足实验的要求。光路调节好后, 当装有二象限光电池的调节架在导轨上由近及远 (或相反) 移动时, 可由照在二象限光电池上光斑的上下、左右偏移而引起2个电压表读数正负和大小的变化来检验导轨是否有高低起伏或扭曲。
注:1为导体激光器;2为望远镜;3为光阑;4为四象限光电池;5为字电压表。
二、实验设计
1. 设计原理。
数字化显示的工作原理是:光电测尺的内部电源是2块并行连接的硅光电池, 用激光照射时, 如果光斑在2块光电池的照射面积不同, 2块光电池产生电势差且在回路闭和时产生光电流 (即在传统显示时的表盘指针偏转) 。基于此研究者把内部的电路的微光电流信号引出进行电流补偿, 再通过模数转换器进行模数转换, 最后由数码管或者液晶片显示出来。
电路设计、由以下几部分组成:微光电流补偿电路、模数转换电路、数字显示功能块和为整个系统提供能量的电源电路, 见图4。在设计过程中, 该设计使用的最核心的部分是具有高性能、高输入阻抗和良好的线性A/D转换特性的芯片UP5035A。
由于外部的干扰, 在没有光信号输入的情况下, 数字表仍有示数。为了提高检测的精度, 必须设计电路进行补偿。
在设计为整个系统提供能量的电源电路时, 要将为整个系统提供能量的电源电路和微光电流补偿电路两部分分开设计, 这样既确保了精度又简化了电路的设计。
该设计最终组装完成的仪器由3部分组成, 即探测头部分、游标卡尺部分和主机显示部分, 见图5。探测头部分的主要材料是二象硅光电池, 受到光照射刺激时所产生的光电流会经一根细导线引入主机显示部分。游标卡尺的可动游标端和探测头粘连在一起, 因此移动游标卡尺的可动游标端时, 探测头也会相应地移动, 并且移动的距离可以读出来。主机显示部分的主要外观组成是液晶显示屏 (可以进行3位半的显示) , 机体表面的另外2个旋钮分别是主机的开关和显示的调零旋钮 (用于每次使用前对显示示数进行调零) , 其中主机和探测头由细导线连接。
2. 实验精度测定。
考虑到对桥式起重机及电梯使用过程中的安全性、可靠性的检测, 对检测精度只要求到毫米数量级。实验设主要有迈克尔逊干涉仪、半导体激光器以及光电测尺等, 见图6。
实验的基本过程如下:实验前先将主机显示部分的示数调整为0, 设定激光器到探测头的距离 (如15 m) 。首先调节干涉仪使得显示的示数再次为零, 然后调节干涉仪, 使得示数变为某一数值时, 记录下干涉仪的实验台部分移动的距离, 再调节探测头主体部分的游标卡尺, 使显示的示数变为0并记录下游标卡尺移动的距离, 最后比较两距离, 得到其差值。改变激光器到探测头的距离, 进行多组测量实验。
实验中, 共测量了3组数据, 其中2组测量电流, 1组测量电压。经初步的数据分析和处理, 可以得到如下结论。
对2组电流测量值分析可得:激光斑中心正对二象光电池的中心线时, 电流表示数为0。证明本课题的题设结论成立。当激光斑照射到光电池表面的电极上 (即白线附近) 时, 电流表的示数出现极小值。其原因是在白线附近, 光电池表面涂满了导电物质, 而感光材料极少。由于测量时激光器的输出功率不稳定, 以及二象光电池的不均匀性, 使得测量的结果不是很对称, 且数值浮动较大。
对电压测量值分析可得:激光斑中心正对二象光电池的中心线时, 电压表示数为0。激光斑照射到光电池表面的电极上 (即白线附近) 时, 电压表的示数出现极小值。其原因是在白线附近, 光电池表面涂满了导电物质, 而感光材料极少。电压测量的结果比较对称, 且数值浮动较小, 同时对激光器的输出功率和二象光电池的均匀性要求也不高。
在实验中使用的仪器为游标卡尺和干涉仪以及氦–氖激光器。其中, 游标卡尺的精度为0.02 mm, 干涉仪的精度为0.01 mm。在实际操作中, 我们主要使用中心附近 (电压为0处) 进行测量。所得数据如见表1。
由表1可知, 随着测量距离的增加, 偏差逐渐减少;当测量的距离在16 m左右时, 测量结果最精确。
三、结论
结果表明, 数字化显示的光电测尺精确度高, 调整结果直接和数字显示联系起来, 结果一目了然;微电流数字化过程中使用放大电路, 使调整更为方便、快捷且实际操作更为方便;数字化使集成体积更小, 外形更为美观, 价格更为低廉, 从而有利于产品的进一步研发和投入市场生产。
计数器在数字电路中的应用分析 篇2
关键词：计数器,数字电路,计时,应用分析
1 数字电路的发展及应用
数字电路由用数字信号的形式对数字进行算术和逻辑的运算, 或者称为数字系统。数字系统又被称为数字逻辑电路, 是因为它具有一定的逻辑运算和逻辑上的处理功能。数字电路的相关应用越来越广泛, 现代的数字电路不断地得到丰富和发展, 都是由半导体工艺制成的数个器件组成, 这些器件是一种数字器件。
存储器是一种与数字电路密切相关的数字电路, 存储器最大的特点是, 它特别用来存储二进制数据。随着数字电路应用的不断增多, 相关的种类也不断地发展, 形成的多种多样的数字电路。在了解各种数字电路工作原理的基础上, 我们可以对各种数字电路进行一下分类。数字电路的范围很广泛, 但是我们可以把数字电路分为组合逻辑电路以及时序逻辑电路这两大类。当然, 数字电路在不同的分类标准下的分类也不同, 比如, 数字电路还可以分为数字脉冲电路和数字逻辑电路, 这种划分的依据是研究的内容不同。数字脉冲电路研究的是脉冲的产生, 变换和测量, 数字逻辑电路研究的是对数字信号进行一系列的算术运算和逻辑运算。
说起数字电路在我们日常生活中的具体应用, 几乎是随处可见。我们的生活离不开由数字电路组成的一系列产品, 比如小到电视机, 电子计算机等, 大到通信业, 航天等领域, 都离不开数字电路的应用。
2 计数器的相关应用
在数字电路的众多应用中, 计数器是一种时序电路, 它的组成器件非常的简单, 是由触发器组成。但是, 这些触发器有一个明显的特点, 就是具有记忆功能。正是这种记忆功能, 使得计数器能够用来记录脉冲的个数, 同时, 还大量用作分频、程序控制及逻辑控制等操作。正是因为计数器的构成特点和工作原理, 计数器的应用也非常的广泛, 比如在计算机及各种数字仪表中的相关应用。
上面已经提到计数器是一种时序逻辑电路, 由具有记忆功能的触发器组成。可以用来记录脉冲的个数, 还可以分频, 程序控制和逻辑控制。所以, 具体的说, 计数器最大的作用是记录和累计输入的脉冲的个数。当然计数器不仅可以对脉冲进行详细地计数, 而且还可以进行分频, 定时, 产生节拍脉冲和脉冲序列以及进行数字运算等操作。如果稍加研究我们就可以发现在数字电路的整个系统中, 计数器的应用非常的广泛, 可以说它是数字电路的最基础也是很重要的操作。
如果要进行计数的相关工作, 那么计数器是首选, 集成计数器在这方面的应用非常的广泛。所以, 一直到现在计数器的种类一直在不断地丰富和发展。换一种分类标准, 比如按照相关的计数制的不同, 可以将各类计数器分为二进制计数器, 十进制计数器甚至任意的进制计数器。另外根据各类计数器的相关的技术的增减趋势的不同, 可以将计数器分为加法计数器, 减法计数器以及可逆计数器。计数器的应用非常的广泛, 具体来说, 相关的应用主要是在通信行业, 包括通话和短信等。
3 定时
计数器的种类有很多, 比如:二进制计数器, 十进制计数器甚至任意进制计数器。十进制计数器除了拥有清零和置数的功能外, 还有实现暂停计时的功能。要实现数字电路暂停计时的功能, 是通过十进制计数器接入一种脉冲发生器输出端的脉冲信号来实现相关控制的。
在数字电路中, 开关的按键会产生一定的抖动, 这个抖动会对整个的电路产生一定的影响。如果在数字电路中加入一个锁存器, 就会大大地降低抖动对电路的影响程度。而且, 当计时器到达一定的状态时, 还有报警的功能。
4 顺序脉冲发生器
在数字系统中普遍需要一种节拍信号, 这种节拍信号是由一种分配产生的。另外, 这种节拍信号具体来说是一种顺序脉冲。顺序脉冲发生器是一组相关的顺序信号, 这种信号是按照时间顺序依次出现的, 如果电子器件能够拥有相关的功能, 这样的一个电路可以称之为顺序脉冲发生器。我们都知道, 一些数控装置和电子计算机都是人们事先输入一些预定的操作程序然后才能进行相关的运行。所以, 对相关的控制电路的要求非常的高, 尤其是电路的准确性。如果控制电路发出的控制信号还具有一定的时间顺序, 那么这就构成了顺序脉冲发生器。顺序脉冲发生器输出的串脉冲的周期与计数器的进制有很大的关系, 一定程度上计数器的进制决定了顺序脉冲发生器的输出。另外, 顺序脉冲发生器执行控制操作的时间的长短与计数器的时钟脉冲有很大的关系, 并由之决定。
5 总结
近几年, 随着我国通信、电子信息和计算机应用等技术的不断发展, 数字电路技术也得到了很大的发展。同时相关技术的不断地发展, 计时器的相关技术也不断地得到丰富和发展。计数器在数字电路中的应用越来越广泛。计数器在数字电路中起着非常重要的作用, 这不仅可以从计数器的定时方面表现出来, 而且可以从其他的很多方面表现出来。只要深入地研究计数器的相关的工作原理和应用, 并把计数器进一步地应用到更多的领域当中。
参考文献
[1]童进.计数器在数字电路中的应用[J].科技传播, 2013, 08:187+170.
[2]武亚雄.计数器在数字电路中的应用[J].数字技术与应用, 2013, 11:61.
浅谈数字化变电站中的光电互感器 篇3
随着电力工业的不断发展,电网电压等级的不断提高,对电压、电流的测量要求也在不断提高,而互感器作为连接高压与低压的一种电器设备也不断地改进和发展,其中对于衡量互感器先进与否的一个重要指标就是互感器的绝缘问题。对于传统的电磁式互感器来说,由于绝缘成本随着绝缘等级的升高成指数增长,因此,原有的空气绝缘、油纸绝缘、气体绝缘和串级绝缘已经不能满足超高压设备的绝缘要求,同时传统互感器存在磁饱和的问题,造成继电保护装置的误动或拒动,而且铁磁谐振、易燃易爆及动态范围小等缺点一直是传统互感器难以克服的困难。于是,各种针对高电压、大电流信号的测量方法便应运而生,其中,基于光学和电子学原理的测量方法,经过近三十年的发展,成为相对比较成熟,最有发展前途的一种超高压条件下的测量方法。
光电互感器指输出为小电压模拟信号或数字信号的电流电压互感器。由于模拟输出的光电互感器仍存在传统互感器的一些固有缺点,现在发展的高电压等级用光电互感器一般都用光纤输出数字信号。光电互感器与传统互感器外形相似,但体积小,重量轻,主要由传感头、绝缘支柱和光缆三部分组成。①传感头部件有罗科夫斯基线圈、采集器、A/D转换器和光发生器LED。工作原理是由罗科夫斯基线圈从一次传变信号,采集器采样后,AD转换器转换为数字信号,白LED转换为光信号,通过光缆送回主控室。罗科夫斯基线圈一般有保护、计量和测量、能量线圈,罗科夫斯基线圈形状是空心螺线管,无铁芯,填充非晶体材料,主要起支撑作用。②绝缘支柱采用硅橡胶绝缘子,内部填充固态硅胶,起到支撑、绝缘和固定光缆作用。③光缆分为数据光缆和能量光缆,从传感头通过绝缘支柱内部引下,送回主控室。④能量问题。传感头部件的电源是光电互感器的难点之一。传感头部件(采集器、A/D转换器和光发生器LED)使用微功耗装置,功率30毫瓦。
光电互感器可分为两种型式。一种是用磁光效应和电光效应直接将电流电压转变为光信号,一般称无源式;另一种是用电磁感应或分压原理将电流电压信号转变为小电压信号,再将小电压信号转换为光信号传输给二次设备,一般称有源式。无源式由于存在稳定性和可生产性较差、电子回路复杂等问题,现在主要处在实验室阶段,推广运用还有待时日。有源式的难点是提供高压端需要的工作电源,但随着激光供能和高压取能技术的突破,已得到根本上的解决。光电互感器传感头部件的能量来源有两种途径。一是从一次取能,由能量线圈感应出电流来提供能量;当一次电流太小,不足以提供能量时,使用能量光缆,由户内激光发生器通过光缆上送能量。两种方式可互为备用,自动切换。
相对于传统的电磁式互感器,光电互感器有明显的优点:①在高电压、大电流的测量环境中,光纤或光介质是良好的绝缘体,它可以满足高压工作环境下的绝缘要求;②没有传统电流互感器二次开路产生高压的危险,以及传统充油电压、电流互感器漏油、爆炸等危险;③不会产生磁饱和及铁磁共振现象,它尤其适用于高电压、大电流环境下的故障诊断;④频带宽,可以从直流到几百千赫,适用于继电保护和谐波检测;⑤动态范围大,能在大的动态范围内产生高线性度的响应;⑥适应了现在电力系统的数字化信号处理要求,它还可用于以保护、监控和测量为目的高速遥感、遥测系统;⑦整套测量装置结构紧凑、重量轻、体积小;⑧各个功能模块相对独立,便于安装和维护,适于网络化测量。由于光电互感器的诸多优点,光电互感器取代传统互感器将只是一个时间问题。国际上,光电互感器已逐步成熟,正以越来越快的速度推广运用。其中ABB、西门子等公司生产的光电互感器已有十几年的成功运行业绩。采用光电互感器的数字化变电站在欧洲也已经投入运行。我国光电互感器的研制和运用相对比较落后,仅有为数不多的变电站使用了一些进口的光电互感器。国内有二十余家企业和高校涉足了光电互感器的开发,经过多年的努力,已有若干套设备在现场试运行。
我国在有源式光电互感器的研究已走在无源式的前面,有的产品已在多个变电站试运行近一年的经验,运行情况良好,可满足保护和计量的要求,并通过了部级鉴定,达到国际先进水平。同时国内的二次设备制造商开发了可与光电互感器直接接口的数字接口继电保护装置、数字接口电能表等二次设备,为光电互感器的实际应用提供了基础。
光电互感器目前存在的问题对电能计量方面的影响:
①由于处在研究开发中,光电互感器性能仍不稳定。对于电能计量来说,光电互感器的稳定运行是保障计量准确的前提,尤其是一些在变电站计费的电能表,更加不能忽视光电互感器的性能稳定性。
②温度对光电互感器的精度有较大的影响。电能计量是对精度要求较高的专业,其对精度的要求往往要高于其他专业。而绝大多数的光电互感器均是装设在户外,南方春秋两季夜晚与白天温差较大,不可避免的对电能计量带来一定影响。
③电子互感器在A/D转换的过程中存在较大的角度误差。在光电互感器对采集到的模拟量转换为数字量的A/D转换中,会带来较大的角度误差,从而对电能计量的计量准确性又产生了一定的影响。
④与光电互感器相匹配的电能表必须具有国家法定计量检定机构的认证。由于光电互感器的结构特殊性,必须要采用与之相匹配的电能表进行计量,原先的电能表均无法实现计量功能,为此就出现了一个新的问题,新型的电能表作为一种“新”计量工具,按照国家法规就必须有具有国家法定计量检定机构的认证,因此新型电能表的认证也是必不可少的。
摘要：对数字化变电站中光电互感器的工作原理、结构上的特点和优点进行简单分析,同时阐述光电互感器的应用对电能计量方面的影响。
数字式光电计数器设计 篇4
数字化变电站是由智能化一次设备 (光电式互感器, 智能化开关等) , 网络化二次设备在IEC61850通信协议基础上分层构建, 能够实现智能化设备间信息共享和互操作的现代化变电站。IEC61850将数字化变电站分为过程层, 间隔层和站控层, 各层内部及各层之间采用高速网络通信。与常规变电站相比, 数字化变电站间隔层和站控层的设备及网络连接只是接口和通信模型发生了变化, 而过程层却要进行较大的改变。由传统的电流, 电压互感器, 一次设备以及一次设备与二次设备之间的电缆连接, 逐步改变为光电式互感器, 智能化一次设备, 合并单元, 光纤连接等内容。
目前在电力系统中广泛应用的是电磁式电压, 电流互感器。但是, 随着电力系统向大容量, 高电压的方向发展。厂, 站及系统数字化测量, 保护, 调度和控制已成为发展的趋势。对电力设备提出的小型化, 智能化和高可靠性的要求也越来越高。现有电磁式互感器由于其结构特点和存在的不足已不能满足这种要求。数字化互感器的特点是采样就地化。将原二次设备中采样模块前移, 在互感器内部完成采样, 直接输出数字量信号。
鑫源变110k V部分采用南京新宁OET711系列光电式互感器, 互感器由传感头部件、信号柱、合并器、光纤系统四部分组成。传感器头部件由串行感应分压器 (电压互感器) 、罗哥夫斯基线圈 (保护电流互感器) 、低功率测量线圈 (测量电流互感器) 、采集器等组成。
图1中传感头部件包括串联感应分压器、罗哥夫斯基线圈、小功率电流互感器和采集器单元等。传感器头部件与电力设备的高压部分等电位, 转变后的电压和电流模拟量由采集器就地转换成数字信号并通过光纤传送到合并器单元, 合并器单元接收并转换成符合IEC61850-9格式的数据通过光纤以太网提供给保护、测量等设备。采集器单元和合并器单元可以根据需要是一对一、一对多或多对一等多种组合形式。
汉中鑫源变建设规模:110k V为单母接线, 31.5MVA主变两台, 10k V出线16回, 10k V电容器1组, 10k V消弧线圈出线2组, 10k V出线16条, 10k V分段开关及10k V分段联络各1回。根据以上规模光电式互感器和合并器配置如下:a) 110k V母线电压互感器配光电式互感器一组、10k V每段母线电压互感器配置电子式一组, 各电压互感器配置光电式电压合并器一台, 为二次装置提供各母线电压采样值;b) 110k V线路开关电流互感器配一个合并器, a线路电压互感器与线路开关电流互感器公用合并器;c) 主变各侧开关电流互感器公用两个合并器 (主保护、后备保护各一个) ;d) 10k V出线和分段电流互感器采用OET701J, 不含采集器和合并器。e) 电压互感器并列功能由软件实现;f) 进线备自投接收110k V电压互感器、2个110k V线路电压互感器合并器的输出数据;g) 10k V出线保护装置安装在开关柜上, 与罗果夫斯基线圈和电流测量线圈的距离很近, 直接采集它们的输出信号, 不需要独立的采集器和合并器。
鑫源数字化变电站为采用基于IEC 61850协议的分层分布式架构构建的全数字化变电站, 罗哥夫斯基线圈原理光电式电流互感器、感应分压原理光电式电压互感器、开关及主变设备加装智能终端实现一次设备全智能化, 站控层与过程层网络独立, 利用专用GOOSE交换机实现过程层实时数据交换, 并配置冗余保护初步实现数字化变电站的状态检修。自7月25日试运行以来, 1号主变带1号电容器运行, 12月10日对外送出3条专线用户, 截至目前未发生过设备故障, 装置运行正常, 监控系统未发生异常情况, 调度收到信息完整, 运行状况良好。
合并器作为交流输入回路中数据集散重分配的重要环节, 在试运行期间情况良好, 未发生该类装置损坏造成的系统故障, 即使系统同步时钟关闭, 系统采用插值同步技术实现采样同步, 各装置无告警或异常现象出现, 保护及其他装置的采样值正常, 同步完好。
保护装置运行稳定。由于采用电子式互感器, 从变压器空投时励磁涌流的波形来看, 应该更有利于保护区分励磁电流, 对保护算法本身可能会产生影响。变压器保护关于电子式互感器的特性也作了相应的技术处理。
光电互感器目前存在的问题对电能计量方面的影响: (1) 由于处在研究开发中, 光电互感
器性能仍不稳定。 (2) 温度对光电互感器的精度有较大的影响。 (3) 电子互感器在A/D转换的过程中存在较大的角度误差。 (4) 与光电互感器相匹配的电能表必须具有国家法定计量检定机构的认证。
结语
土壤仪器光电模块设计 篇5
许多土壤仪器,例如微生物含量等的测量,通常借助溶液的透光率来对比分析溶液中特定物质的含量。工业生产中检测溶液浓度的方法主要有比重法、化学法、超声波法、光学法等,这些方法原理各异,各有优点和不足,适用于不同的应用场景[1,2,3]。
光电传感检测的方法具有方便、快捷、不污染待测液体、易于实现信号处理和系统控制的特点,提供了测量溶质浓度的快捷途径[4]。论文针对土壤仪器中关键物理量的测量,基于朗伯-比尔定律[5],设计了光电模块子系统。该系统包含信号调理电路、基于单片机的微控制器、通信接口及外围电路,能够实现物理量的采集、处理和传输的自动化和网络化,精度高、成本低,具有一定的实用价值,也适应目前智能仪表的发展方向。
1 朗伯-比尔定律及透光率测量原理
当单色光透过含待测物质的溶液时,光线会被溶液吸收,光强度减弱的程度与溶液中物质的浓度满足一定的比例关系。定义吸光度A为入射光强度I0与透射光强度I的对数,即存在如下关系:
吸光度和吸收介质的浓度以及厚度满足朗伯-比尔定律[5]:
其中,K为吸收系数,C为溶液浓度,L为吸收层厚度,即光经过溶液的距离。因此,通过透光率的测量能够计算出溶液中物质的浓度。上述测量原理如图1所示。
2 系统设计
2.1 测量系统结构
本系统的光电模块结构如图2所示。单色光经过待测溶液后照射到光度传感器,由光度传感器将光信号的强弱转换成电信号,微弱的电信号经过后续的放大处理,由模数转换器(A/D)实现数据采集并送给单片机处理。
2.2 放大电路
MAX406[6]是美信半导体公司(MAXIM)生产的低压/微功耗精密功放,能以1uA提供电流工作的运算放大器。MAX406的特点是高输入阻抗、内部补偿和微功耗,并且具有优异的直流特性。放大电路的要求是将噪声、失调电压、漂移等对电路的影响降至最低,且完成阻抗匹配、提高系统稳定性等[7]。本系统采用该芯片实现信号的放大,如图3所示。
为了验证可行性,我们基于EDA工具软件Multisim进行仿真。首先构建如图4所示仿真电路图,输入信号幅度为10mV,得到图5所示的幅度约为800mV的输出信号仿真结果,图中反映出信号失真度小,噪声低,增益满足要求。
2.3 模数转换电路
模数转换器是混合电子线路设计的关键[7],其原理图如图6所示。由于对测试结果的精度有较高要求,考虑到A/D芯片的稳定性和输出位数,本设计采用双向积分的ICL7135芯片,其具有自校准、正向和反向积分及过零检测等功能[8]。
2.4 微控制器系统
微控制器是系统的核心[9,10]。本设计采用性能可靠的STC89C58单片机[11]作为微控制器。本设计的单片机最小系统如图7所示,包括单片机及其时钟电路、复位电路、电源等。
2.5 液晶显示电路
显示屏主要完成结果的显示,是实现人机交互的重要部件。本设计采用LCD12864点阵液晶,此液晶显示屏可以显示汉字,广泛适用于各种不同的仪器及小型设备,只需将显示的图形或汉字对应的点阵信息写入对应的存储单元即可。
2.6 通信接口电路
单片机与上位机之间的通信采用多种接口可选的方法,包含有线和无线2种通信接口,其中有线接口有:RS-232串行通信接口,USB通信接口。采用MAX232电平转换芯片实现TTL逻辑电平和RS232电平之间的相互转换。转换之后的串行信号TXD、RXD直接与PC机的串口连接,利于现场实时信号采集、处理和监控;无线通信接口有蓝牙、WIFI、Zigbee通信接口。各种通信接口如图9所示。
3 软件设计
3.1 控制流程
控制系统以键盘输入判断和处理为框架,若键盘指令输入,则主程序根据输入信息,如功能和量程等,设置参数,否则等待输入后调用A/D转换子程序进行数据采集;采集后做某些技术处理,如线性化处理等;然后调用显示子程序将数据结果送LCD显示;开串行通信中断将数据送至上位机。
3.2 数据采集
单片机启动ICL7135开始A/D转换,将T0定时器设置成工作于模式1的计数器模式,即外部中断触发计数,计数器清零。当计数溢出中断,启动计数器,打开外部中断,判断是否为下降沿,若是,就进入中断处理函数保存结果。
3.3 按键扫描
按键处理以中断模式工作,通过键盘扫描和中断服务程序对按键动作进行识别,同时加入软件延时进行抖动消除,使得信息输入操作更准确。
3.4 串口通信与上位机系统
上位机软件的开发主要是在Visual Studio2015软件环境下搭建完成。Visual Studio可以构建功能比较强大和性能比较特别的应用程序,是一种基于组件的软件开发工具。本设计运用在Visual Studio 2015中.NET Framework 4.6提供的SerialPort类来实现串口数据通信。
打开上位机以后首先检测是否有串口存在,在确认有串口存在的情况下,打开相对应的串口接收数据,随即在textbox文本框中显示出相应的时间、温度、所接收的数据以及处理后的数据结果。系统用户界面软件流程图如图10所示。
光电模块硬件系统实物图如图11所示。
4 结束语
目前在诸多土壤仪器(如毒性仪、浊度仪和含氧量测试仪等)中,光电模块是其关键子系统。其工作原理基于光电转换和朗伯-比尔定律,其结构主要包含信号调理电路、模数转换、微处理器及外围电路和通信接口电路。论文设计的光电模块可用于透光率测量等诸多领域,通信接口丰富,可实现物理量采集、处理和传送的自动化和网络化,是土壤仪器发展的重要方向。
参考文献
[1]张文革.液浆浓度智能化在线检测技术与实现方法研究[D].西安:西北工业大学,2004.
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线性光电隔离电路的设计 篇6
在工业现场模拟信号的采集过程中,抗干扰是首先要解决的问题。如果不经隔离,各种电磁干扰信号就会和被测信号一起进入测量系统。干扰信号叠加在被测信号上,一方面降低了测量的准确度;另一方面,尖峰电磁脉冲将会给后级电路系统带来严重的破坏[1,2]。所以,模拟信号必须和后级的采集电路在电气上完全隔离。光电耦合器件利用光电转换,使用光信号进行信号传输,抗干扰能力强,性能良好,被非常广泛的应用在数传和采集系统信号隔离中[3,4,5]。 但是光电耦合器件由于发光二级管和光敏三极管的伏安特性,非线性失真非常严重,一般仅仅应用在数字信号的隔离中,对于模拟信号,不能直接使用光电耦合器件来进行隔离。对于数字光耦,可以使用反馈改善其输入输出的线性度,从而使用数字光耦得到模拟光电隔离电路。在此使用数字光耦TLP521-2和集成运放LM2904设计了深度负反馈电路,大大提高了光耦的线性度。试验表明:使用用数字光耦,经过负反馈电路设计,可以实现高精度的信号隔离。
1 数字光耦TLP521-2
TLP521-2是东芝公司的数字光耦器件,该芯片内部封装了两路独立的光耦,每一路光耦由一个发光二级管和一个光敏三极管组成。耦合原理:当给发光二级管加正向电压时,二极管导通发光,光线照射在光敏三极管的感光面上;如果同时给三极管的CE级加正向电压,则三极管的CE级产生集电极电流输出[2]。TLP521-2内部结构和管较排列如图1 所示。
由于二极管和三极管的伏安特性,光敏三极管集电极电流Ic和发光二极管正向电压Vf不是线性的[6,7,8],曲线图如图2所示。
2 深度负反馈电路设计
使用深度负反馈可以改善系统的线性度,根据这个原理,在此设计了模拟信号的光电隔离电路。在该电路中使用了1片LP521-2光耦和2片LM2904集成运放。LP521-2有两路光耦,其中一路用于信号转换,一路用于负反馈;运放2904-1A用于用于组成负反馈电路,运放2904-2A构成了电压跟随器,用于增加电路带负载能力。模拟信号光电隔离电路如图3所示。
电路输出电压和输入电压是线性关系:LP521-2的两路光耦通道的发光二极管串联,通过2个二极管的电流If1=If2。因为两路光耦封装在1个器件中,光电特性基本一致,理想情况下可以认为两路光耦的集电极输出电流相等,即Ice1=Ice2。
根据理想运放的性质[9],可以得到下面的公式:
所以Vo=(R2/R1)Vi,输出电压和输入电压成正比,比例系数由R1和R2确定。
3 电路具有输出保护功能
输出电压Vo=VCC-Vce,其中,Vce为光敏三极管c,e极的压降,所以,当输入电压很大时,输出电压Vo的值也不会超过VCC。这样就保护了后续电路,不受冲击电压的影响。增大VCC可以增大隔离电路的量程。
4 电路静态特性
使用可调稳压电源产生各种一系列不同电压加光电隔离电路输入端,并使用高精度数字万用表测量电路的输入/输出值,得到电路输入输出特性。表1列出了输入输出的典型值。(R1=R2=1 kΩ,VCC=12 V)。根据试验数据得到电路的输入输出曲线,如图4所示。
使用线性拟合[10],得到电路的理想特性曲线为:y=1.005 3x+0.003,线性度为0.014%。
5 结 语
光电隔离是模拟信号采集的一项关键措施,在此设计了线性光电隔离电路,该电路能实现模拟信号的隔离。当输入电压在在0~5 V范围内时,输出误差最大为27 mV,线性度达到0.014%。
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高速差分光电检测电路的设计 篇7
光电检测的一个应用就是作为连续变量量子密钥分发系统的信号接收器[4,5].连续变量量子密钥分配实验中采用微弱光脉冲代替单光子脉冲作为信息载体.微弱光信号在发送方经过调制,在信道上传输,到达接收方,在接收方利用零差相干检测技术,将信号光与本振光进行混频,输出的2路光信号利用差分光电检测电路进行光电转换,把光信号的差分信息转换为与功率成正比的电压信号,进行后续的信号采集与处理.
根据上述系统的要求,本文运用相关电路的设计思想优化电路结构,采用新型器件,设计出一个适用于连续变量量子密钥分配实验的高速差分光电检测电路.文中从基本原理出发,对电路设计进行分析,最后给出电路的测试方法及测试结果.
1 基本原理
1.1 光电二极管等效模型
光电二极管的等效电路模型如图1所示.
从图1可看出:光电二极管包括理想二极管、光电流、分路电阻RSH、结电容CJ的并联.
其中:结电容CJ的大小与结电流和反偏电压有关,当反偏电压上升时,结电容会随之减小.分路电阻较大(100 kΩ～100 GΩ),但是随温度变化比较明显,温度每上升10℃,分路电阻就减小1/2.
1.2 偏置方式选择
本实验采用的光电管为BPX65,在光照下根据外部电路的不同可以产生2种输出:
(1)开路电压输出
当光电管的两端处于开路状态时,在光照下会产生开路电压输出.但光电二极管的开路输出电压与光照强度成对数关系,且受温度变化的影响较大,开路电压输出的方式适合于太阳能电池方面的应用,不适用于光信号检测.
(2)短路电流输出
当光电二极管的两端处于短路状态时,在光照下会产生短路电流输出.短路电流输出与光照强度关系如图2所示.
从图2可以看出:光电二极管的短路输出电流在6～9个数量级的光强范围呈理想线性变化,因此短路电流输出方式适用于光信号检测.
本次设计的目的是要实现高速光信号检测,因此在偏置上采取了短路电流输出方式,使光电二极管工作在反偏状态下,并使前置放大器的输入电阻接近短路状态.在光电二极管输出的前置信号放大部分先用宽带互阻型放大器实现电流到电压的转换,再用电压放大器实现电压放大.整个检测电路只用2级放大,简单可行,且有利于减小噪声影响.
2 实验电路
高速光电检测电路原理图如图3所示.
检测电路总体上包括电源部分、光-电转换、前置放大电路、中级滤波、后级放大5个模块组成.以下将对各个模块进行分析.
(1)电源部分:产生各部分电路工作所需的合适电源.
电路工作需要多种电压供电:2个光电二极管差分驱动,工作时需要正负电源提供双偏置;前置放大器SA5212需要5 V供电,后级放大器UA733工作需要12 V供电.
电源部分的核心器为DC/DC转换电源模块,起隔离和稳压的作用.电路中共用了2个DC/DC转换模块:其中一个为5～±12 V转换,为光电管提供偏置电压,同时其中+12 V通过7805稳压芯片转换为5 V电压输出,为前置放大芯片SA5212供电;另一个为5～12 V转换,为后级放大芯片UA733供电.
(2)光-电转换:把光信号转换成电流信号.
根据系统要求,需要实现差分检测功能.因此电路中应用2个光电二极管实现差分驱动.2个光电二极管工作于12 V的反偏电压下,工作模式为光导模式.较高的偏置电压有利于减小光电二极管的结电容,提高二极管的响应速度.从手册可查得,光电管BPX65在12 V的反向偏置电压下的结电容约为2.5 pF.
(3)前置放大电路:把光电管转换出来的电流信号转换成差分电压输出.
前一级光电转换的结果为与光功率成正比的微弱电流信号.要进行采集,必须转换成电压信号.若直接用电阻完成电流-电压的转换,由于结电容CJ的影响,会缩小检测电路的有效带宽.因此比较通常的解决方法是采用运放加反馈电阻构成电流-电压转换电路.文献[2,3]分析了光电检测前置放大电路的解决方案及设计高速检测电路时的注意事项.本系统中,这一部分采用跨阻型放大器SA5212实现.
SA5212是Philips公司生产的一款宽带、低噪声、差分输出的跨阻型放大器,在其应用时,不需要任何外加电路即可实现14 kΩ的跨阻放大.其典型特性为[11]:①极低噪声:2.5 pA/rtHz;②单5 V电源供电;③高带宽:140 MHz;④差分输出;⑤低输入/输出阻抗;⑥14 kΩ的差分跨阻;⑦ESD保护.
以上特性使SA5212特别适用于模拟或数字光通信的光接收器,以及其他高阻信号源的宽带小信号电流放大,如电流-电压转换模块等.
在本系统中,以前一级差分光检测的光电管输出电流作为前置放大器的输入,经过前置放大器后输出为差分电压.差分电压输出的方式有利于与后级放大电路采用隔离地方式连接,可避免共模偏移的影响.
(4)中级滤波电路:去除高频干扰的影响.
因为有源滤波器不仅结构复杂,且通常的有源滤波器其有效带宽相对较小,本系统中采用的滤波器为无源三阶巴特沃斯滤波器.滤波器的电路图如图4所示:
令R=R1+R2,L=L1+L2,根据图4电路图,可计算滤波器的幅频特性为:
实验中,要求电路的截止频率为fc=3 MHz.代入式(1)计算,取L=100 μH,C2=50 pF,C1=17 pF,R=1.5 kΩ,得三阶巴特沃斯滤波器的频率为fc=3.18 MHz.
(5)后级电压放大部分:
对上一级输出的差分电压进行放大,达到可检测范围.采用宽带放大芯片UA733实现.UA733的前级电路如图5[12].
从图5可看出:UA733内部结构没有提供直流偏置,因此在芯片外部电路中增加R4、R5、R6、R7以提供直流偏置.偏置电阻使差分放大器输入端的共模电压被控制在正负电源的中点.而输入端的差模电压由前级的电流-电压转换器决定.电压放大部分与前级的电流-电压转换部分2级的供电系统彼此隔离.
另外,为增强电路的抗干扰性能,在整个电路的外部增加一个金属屏蔽盒并将其接地,以防止外部电磁干扰对电路的影响.
3 电路测试及实验结果
为测试电路功能,设计了一个光源发生模块,以验证电路的频率响应特性及差分检测功能.电路由信号源模块、分频器(74HC161)、缓冲驱动器(74HC125)及LED发光管组成.电路原理图如图6所示.
信号源模块可用有源晶振,也可外接信号发生器产生任意频率的驱动信号;分频器用于产生2路不同的发光管驱动信号源,用于测试差分功能;缓冲驱动器(74HC125)为一三态门,用于提高信号源的驱动能力.通过输入与输出波形的分析可判断是否实现差分检测.输入信号波形与预计的输出信号波形关系如图7所示.
实验中采用双踪示波器,因此只检测LED1和光检测结果的输出波形.调节信号发生器,使得驱动信号的频率为1 MHz时,实际检测波形结果如图8所示.
图8中上半部分的方波为LED1的驱动信号波形,对应图7中的第1个波形;下半部分为检测电路的输出波形,对应图7中第3个波形.将图7与图8进行比较,所测试结果与预计波形形状基本一致,说明电路在高速信号条件下正确地实现了光信号的差分检测.
4 结 论
本文完成了高速差分检测电路的理论分析、电路设计、制作,以及最后的功能验证.设计出的电路实现了1 MHz光信号的差分检测,可用于配合连续变量量子密钥分配实验,作为系统中的信号检测模块.
摘要：为配合连续变量量子密钥分配实验,本实验设计了一个光信号检测电路,在参考相关设计资料的基础上,采用新型器件,实现了光信号的高速差分检测.从光检测器件基本原理入手,讨论实验方案,再对设计电路的各个模块进行分析,最后给出测试方法及测试结果.
关键词：光电检测,差分,SA5212,UA733
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