【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

时间： 2018-02-14 来源：世强作者：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 Electronics的OPF2412，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

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