【技术大神】基于光纤收发器的智能配网光B码输入/输出电路设计

2018-02-14 世强 叵仄兮
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随着变电站自动化技术的快速发展,对变电站内时间的精确和统一要求越来越高。笔者曾参与一款智能配网产品的研发,产品是基于GPS的对时方式。GPS对时在实际工程应用中常用3种方式:

1.脉冲对时方式;

2.串行口对时方式;

3.IRIG-B时间编码对时方式。


脉冲对时和串行口对时各有优缺点,前者精度高但是无法直接提供时间信息,而后者对时精度比较低。IRIG-B码对时方式兼顾了两者的优点,是一种精度很高并且又含有绝对的精确时间信息的对时方式。因此,产品最终选择采用了IRIG-B码对时的方案,传输介质是光纤,设计要求如下:

光B码输入:由ST口光纤输入IRIG-B码信号,输出端接FPGA的I/O口,其为LVTTL电平标准。

光B码输出:输入为LVTTL电平的IRIG-B码信号,由ST口光纤输出,传输距离要大于1km距离。


笔者通过参考前辈设计加查询相关资料,光纤接收器选择了TT ElectronicsOPF2412,光纤发射器选择了OPF1414


OPF2412是一款低成本数字输出光纤接收器。透镜光学系统保持接收器对所有光纤尺寸的响应一致,使其适用于小至50/125μm的光纤。该款接收器包含一个由光电探测器组成的单片式IC和一个驱动集电极开路输出肖特基三极管的DC放大器,如图1所示,其采用+5V单电源供电,输出兼容TTLC和COMS电平。设计时,Vcc对GND需要加一个0.1μF旁路电容。OPF2412的引脚封装示意图如图2所示,使用起来非常简单。


图1 OPF2412内部结构框图


图2 引脚封装示意图


由图1可知OPF2412的输出引脚6为集电极开路输出,因此OPF2412输出连接到FPGA时必须要有上拉电阻。OPF2412的典型应用电路如图3所示:


图3 OPF2412典型应用示意图


由图3可知在OPF2412输出端接5V电源和上拉电阻后其输出电平符合TTL标准,TTL电平标准为:VOH>=2.4V,VIL<=0.4V。

但FPGA I/O是LVTTL电平标准,LVTTL电平分为3.3V标准、2.5V标准以及更低电压的标准:

3.3V LVTTL:VIH>=2V,VIL<=0.8V。

2.5V LVTTL:VIH>=1.7V,VIL<=0.7V。


虽然TTL电平逻辑能与LVTTL电平逻辑兼容,但LVTTL电平的FPGA I/O口不能承受5V电压,因此OPF2412的上拉电阻的电源应该为3.3V。所以接收模块设计的原理图为图4所示。


图4 接收模块设计原理图


其中C1 为旁路电容,C2为储能电容,R1为集电极开路上拉电阻,R1阻值不能过小,导致输出为0时OPF2412端输入电流过大,由OPF2412数据手册可知其能承受的最大电流为25mA。因此R1不能小于120Ω;R1阻值也不能过大,过大会使传输速率下降,本模块接收的是IRIG-B码,输入速率不高,而如果还需要传输IRIG-G码等高速信号,就需要折中选择R1的阻值。因此R1可以通过实际实验来确定最适合的阻值。


OPF1414是一款低成本高速光纤发射器产品,内部结构框图及引脚封装示意图如图5所示。其具有较低的功耗,正向输入电流峰值仅200mA,专为小光纤应用或具有较大固定损耗的应用而设计。OPF1414采用高速840nm GaAIAs LED技术,保证了数据通信的及时性,同时该LED与内部独特的封装透镜相结合,巧妙地将光有效地耦合到波长从50/125μm到200/230μm的多模光纤中;LED的高耦合效率和透镜化技术的采用,允许器件在低电流驱动电平下工作,从而降低了功耗并提高了系统的可靠性,这对于数据链路通信的质量和成本来说尤其重要。在信号耦合方面,该系列产品的耦合一致性较高,从一个部分到另一部分的变化量小于5dB,从而降低了对接收器动态范围的要求。OPF1414可100%进行时长为96h的LED老化试验,因此具有较高的热稳定性。


图5 内部结构框图及引脚封装示意图


OPF1414无需安装硬件,使用起来简单灵活,兼容性强,光B码输出电路原理图设计如图6所示。


图6 发射模块设计原理图


R1为上拉电阻。R2为可变电阻器。OPF1414的发射功率可以通过公式IF=(5V-VF)/R2计算得到,VF为发射器的正向输入电压,IF为发射器的正向输入电流,其关系如图7所示。


图7 OPF1414的I-V曲线和温度的关系


发射功率越大,传输距离越远,因而通过调节R2值大小来满足传输距离大于1km的设计要求。

技术顾问:程增木

授权代理商:世强先进(深圳)科技股份有限公司
技术资料,数据手册,3D模型库,原理图,PCB封装文件,选型指南来源平台:世强硬创平台www.sekorm.com
现货商城,价格查询,交期查询,订货,现货采购,在线购买,样品申请渠道:世强硬创平台电子商城www.sekorm.com/supply/
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