【正文】 25 時 序 電 路1 0 位 A D C采 樣 保 持三 態(tài) 輸 出 緩沖內(nèi) 部 參 考 電 路C MD VD DD RD DA VD DC L KA I N +A I NN CR B L A SN CA G N DB GP D R E FR E FR E F B C M L D R G N DD [ 0 . . 9 ]sT B YOE 圖 36 ADS5102內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 引腳功能介紹 ： AVDD 模擬電源 CLK 時鐘輸入 AGND 模擬地 DGND 數(shù)字地 REFT 基準(zhǔn)電壓輸入（頂） DVDD 數(shù)字電源 REFB 基準(zhǔn)電壓輸入（低） DRDD驅(qū)動數(shù)字電源 CML 共模電平輸出，正常情況下為 D[0..9] 數(shù)字信號輸出 BG 帶隙耦合端 DRGND驅(qū)動數(shù)字地 PDREF 電源參考 AIN+ 差分模擬輸入正極 RBIAS 偏執(zhí)電阻 AIN 差分 模擬輸入負(fù)極 OE 數(shù)據(jù)輸出使能 NC 空腳 sTBY 電源模式選擇 26 A n a l o gC L KD [ 0 9 ]1 24 56 7 8 91 03T d( l a t e n c y )T ( e n ) Td ( o )td i ss 1s 2 s 3s 1 s 2 s 3 圖 37 ADS5102工。 7. 電源功耗 105mW，斷電模式下功耗為 336181。 4. 數(shù)字輸出與 。 2. 差分輸入。W，使用外部參考電壓時內(nèi)部 VREF電路可以斷電，常用模式下， ADS5102的微分模擬輸入提供了出色的噪音抑制功能和更好的表現(xiàn)性。 6. 功耗 不同采樣之下的能量消耗。 4. 輸入極性 入信號的極性，直流或是交流。 2. 量程 能轉(zhuǎn)換的電壓的范圍。 24 A/D 轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要部分，不同的轉(zhuǎn)換電路原理有很大的差別，性能也差別很大，轉(zhuǎn)換電路的種類非常多，按原理分可以分為：并行比較型，分級流水型，逐次逼近型，積分型，壓頻轉(zhuǎn)換型 [14]。在調(diào)節(jié)電路元件參數(shù)是要考慮其對 0? 的影響大小 ，也要考慮對 a的 影響。 在設(shè)計積分電路時，希望積分器在整個低頻段的增益都很少，并且能夠起到相位補(bǔ)償?shù)淖饔?，因此，新型積分電路是很好的選擇。 E0EsCR2+ 圖 34 改進(jìn)積分器 改進(jìn)積分器采用直流反饋穩(wěn)定其工作點(diǎn)，就是在積分電路上并聯(lián)一個放電電阻 R2， R2為緩慢變化的積分漂移電壓構(gòu)成了反饋通路，有效的抑制了積分漂移，R2通 常取的很大。 (310) 理想積分器 是有條件的， 限大 實際上各種原因不能實現(xiàn)積分功能。 +R 1 R 2ViV0c 2c 1R 3VbR 4 圖 32 濾波電路 濾波電路的傳遞函數(shù)為： ? ? ? ?? ? ? ?2 00222 1b oHHi HHHvs A A AAsv s B ssssQ Q?? ???? ? ? ????? ?????? (31) 1H RC? ? (32) 13vFQ A? ? (33) 21 4031vFRAA R? ? ? (34) 令 HSs??∕ 則 ? ?02 1AAs ss Q? ?? (35) 由二階巴特沃斯多項式 ? ? 212B s s s? ? ? (36) 可得 12Q?∕ R4=0,同時令 R3等于無窮，即 R3開路得到單位增益的低通濾波器， 由于 50HZ的干擾信號較強(qiáng)，故采用電通濾波器濾除 30HZ以上的信號，這樣就能消除 30HZ以上信號的干擾，所以有濾波范圍可得 C1= f， C2= F，可解得 R1=7860Ω ,R2=14648Ω ,對電阻取標(biāo)稱值，所以濾波器的參數(shù)為 C1= F，C2= f,R1=7860Ω ,R2=14648Ω . 積分電路 模擬積分器主要有高性能的運(yùn)算放大器構(gòu)建，常用的積分器電路。所選濾波器的階數(shù)不宜太高，容易導(dǎo)致電流電壓通道的移相誤差變大。常用的低通濾波器有巴特沃斯濾波器，車比雪夫 濾波器，貝塞爾濾波器。數(shù)據(jù)采集需要合并單元的同步信號控制。 19 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 高壓側(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)式互感器數(shù)字接口的一個部分，主要對傳感元件輸出的電流，電壓信號同步采樣并對型號編碼成光信號進(jìn)行傳輸。 01 1BEgUUI R ???? ? (217) V c cL E DI1T1U oU zI2DR aR bR cR dR eR fR g+I3D zR hH F B R 1 4 1 4 1 5 . 8 d B m光 功 率 圖 26 光源驅(qū)動電路 式中 UBE為基極與發(fā)射極間的電壓， β 為三極管的放大倍數(shù)。 光源驅(qū)動電路的設(shè)計 圖為光源的驅(qū)動電路，驅(qū)動電路中利用穩(wěn)壓管 Dz在反向工作狀態(tài)時的穩(wěn)壓特性來穩(wěn)定運(yùn)算 放大器的反相輸入端電壓，圖中 Ra主要用來為穩(wěn)壓管分壓， Fry是運(yùn)放的平衡電阻， Rh,Rc及可調(diào)電阻 Rb和二極管 D組成了一個溫度漂移的補(bǔ)償電路，該電路利用二極管 PN結(jié)正向壓降的負(fù)溫度系數(shù) (約 2mv/℃ )，來補(bǔ)償驅(qū)動電路的溫度漂移，由電工學(xué)知識可得： 18 2031e zdR IUURI??? ? ????? (216) 由式 (216)可以看出，只要適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)使 Uo與 Uz成線性關(guān)系，當(dāng) Uo恒定時，三極管的集電極就會產(chǎn)生恒定的電流，從而是 LED穩(wěn)定的發(fā)光，在實際 的應(yīng)用過程中，環(huán)境的溫度變化會影響運(yùn)算放大器的輸出電流和三極管集電極電流變大，導(dǎo)致 LED發(fā)光變強(qiáng)，由于電路采用了溫度補(bǔ)償電路，當(dāng)溫度升高時，式 (216)中 I2變小使輸出電壓 Uo變小，這樣就減小了溫度變化對電路的影響，使 LED發(fā)光對溫度的變化不敏感，可通過調(diào)節(jié) Rb來控制補(bǔ)償?shù)某潭?。?光 圖 24 偏振態(tài)變化過程圖 接收單元 電路的設(shè)計 接收單元由光電二極管和運(yùn)放組成 ,圖為接收單元電路，該光檢測電路是有放大器 A,B和反饋電阻 RF和反饋電容 CF組成，其交流輸出電壓為 U=SPRF （ 214） 其中 S為光電二極管靈敏度， P為入射光功率，在檢測弱光信號時，為提高增益RF盡量取的大一些，放大器的輸入偏置電流和輸入偏置電壓對輸出的電壓影響分別為 IRF V(1+RF/RS) (215) 17 RS為光電二極管內(nèi)阻，由公式可以看出減小 FRY可以減小以上的影響，但是同時會減小電路的增益，解決這個問題只好選用偏置電流和失調(diào)電壓均很低的運(yùn)算放大 器，這里選用的 OPA111型的高精度運(yùn)算放大器，其偏置電流約為 ，輸入失調(diào)電壓約為 100μ V，經(jīng)計算 RF在幾百 MΩ 時上述影響可忽略，提高了精確度。旋 光λ / 4波 片λ / 4波 片鍍 膜反 射λ / 4波 片λ / 4波 片λ / 4波 片 4 5 176。nynx圓 偏 振 光（ 傳 播 方 向 ） 圖 23 線偏振光通過波片變成圓偏振光的示意圖 16 YX光 源起 偏 耦 合λ / 4波 片 4 5 176。最后，攜帶該信息的光由耦合器耦合輸出進(jìn)入光電探測器。 的相位調(diào)制，從而使系統(tǒng)處在最靈敏的工作點(diǎn)。而另一路沒有經(jīng)過相位調(diào)制的光 (即原來沿 X方向，現(xiàn)在變成了沿 Y方向的線偏振光 )通過 λ /4波片和旋光器的組合，受到反向45176。 相位調(diào)制的線偏振光 (即原來沿 Y方向，現(xiàn)在變成了沿 X方向的線偏振光 )直接通過 90176。這兩束正交模式的光再由偏振分離 器分為兩路后再次通過相位調(diào)制器。經(jīng)由傳感光纖端面的鏡面反射后，兩束圓偏振光的偏 振模式互 15 換 (即左旋光變?yōu)橛倚?，右旋光變?yōu)樽笮?)[24]，再次通過傳感光纖，并再次和電流產(chǎn)生的磁場相互作用，使產(chǎn)生的相位變化加倍。當(dāng)這兩束正交模式的光耦合成一路后由保偏光纖傳輸線送入 λ /4波片，通過 λ /4波片后，分別轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮陀倚膱A偏振光，進(jìn)入傳感光纖。這樣，兩束光相互正交并且有了 45176。 焊接 (快軸對慢軸，慢軸對快軸的焊接 )的傳輸光纖后， 偏振面旋轉(zhuǎn)了 90176。 ，最后再由 λ/4波片恢復(fù)為 Y方向上的 線偏振光。 ，因為是圓偏振光，所以當(dāng)它的偏振面旋轉(zhuǎn)了 45176。線偏振光由 2x2保偏光纖耦合器平均分為兩束 。 這里起偏器采用了泰勒棱鏡，消光比為 105，透光性好，波長為定性好，易于調(diào)整 。 光纖耦合器的主要功能是分光，其原理是 將耦合區(qū)的光波分成兩個模態(tài)的光波，對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)，這兩種模態(tài)的光在光纖中的傳播速度有差異從而達(dá)到分光的效果，分光的效果與耦合區(qū)的長度有關(guān)， 用熔融拉錐的技術(shù)制造光耦合器是將兩端剝出包層的光纖平行的貼在一起，再對耦合區(qū)加熱并在光纖的一頭輸入光源，同時另外 兩端進(jìn)行耦合監(jiān)控，在拉伸的時候要用高精度的拉伸控制器來控制耦合區(qū)的長度，達(dá)到要求后停止加熱，在兩條光纖熔燒的過程中一條纖芯的模態(tài)能 從纖芯跳到另外一個纖芯，在另一根光纖纖芯內(nèi)傳播，纖芯的功率有包層模態(tài)的相對位置決定的，光纖元器件的光纖結(jié)構(gòu)不會想起他結(jié)構(gòu)那樣有界面或不連續(xù)的情況出現(xiàn) [23]，使光在內(nèi)部傳輸?shù)臅r候不會有太多的損失。 光電管和光電倍增管就是利用外光電效應(yīng)原理，外光電效應(yīng)的電子逸出功表達(dá)式為： 212 amv hV P?? (211) 其中 m— 為電子質(zhì)量， v— 為逸出電子的速度， h— 普朗克常數(shù)， V— 為入射光的頻率， pa為逸出功，產(chǎn)生電子的能量與光強(qiáng)度無關(guān)與光的頻率有關(guān)，當(dāng)產(chǎn)生電子的動能為零時對應(yīng)的光子頻率為： aav P h? ∕ (212) 波長為： (213) C為真空中的光速， a? 產(chǎn)生外光電效應(yīng)的最大 波長。扭轉(zhuǎn)光纖可以減小光纖內(nèi)剩余應(yīng)力引起的內(nèi)在的線性雙折射，退火光纖可以減小由于彎曲導(dǎo)致的線性雙折射可以將兩種方法結(jié)合起來，將扭轉(zhuǎn)光纖經(jīng)過退火處理制作的傳感頭，拉絲光纖這種光纖在生產(chǎn)的時候早期采用光纖旋轉(zhuǎn)，為了形成超低雙折射而抗彎曲，因此傳感光纖要采用能夠抗彎曲，抗溫度變化的圓保偏光纖， 拉絲光纖的制作成本很高而且制作困難，所以本系統(tǒng)的采用扭轉(zhuǎn)光纖為 傳感光纖，加工成本低，制造工藝簡單，將一根普通的 單模光纖 用外力加以旋轉(zhuǎn)，在力的作用下纖芯中產(chǎn)生的切向應(yīng)力能部分消除由于制造工藝不均勻而引起的線性雙折射，是的扭轉(zhuǎn)光纖具有弱圓雙折射特性扭轉(zhuǎn)光纖的扭轉(zhuǎn)率為： 2a N m?? 弧 度 ∕ (28) N為扭轉(zhuǎn)圈數(shù)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)變力產(chǎn)生的圓形雙折射率 n與扭轉(zhuǎn)率 α 成正比，表示為： ? ?2012 92nn P P z N a?? ? ? (29) 其中 n0為纖芯的折射率， p1和 p2為扭轉(zhuǎn)時兩個相反方向上的光彈系數(shù)，若扭轉(zhuǎn)光纖以具有線性雙折