CN111308157B - 具备快速建立时间的全光纤电流互感器及其信号处理单元 - Google Patents

Abstract

本发明属于全光纤电流互感器技术领域，具体涉及一种具备快速建立时间的全光纤电流互感器及其信号处理单元。信号处理单元包括主控模块、模数转换模块、第一数模转换模块、第二数模转换模块、第一增益控制模块、第二增益控制模块和切换开关；主控模块通过第一增益控制模块连接第一数模转换模块，通过第二增益控制模块连接第二模数转换模块，以及控制连接切换开关；切换开关的一端用于连接全光纤电流互感器中的相位调制器，另一端切换连接第一数模转换模块和第二数模转换模块。本发明可减少反馈调制信号边沿切换时间，即调制信号正负切换上升时间，增加有用信号采集区段，提升全光纤电流互感器测量频率的目的。

Description

具备快速建立时间的全光纤电流互感器及其信号处理单元

技术领域

本发明属于全光纤电流互感器技术领域，具体涉及一种具备快速建立时间的全光纤电流互感器及其信号处理单元。

背景技术

全光纤电流互感器敏感部分采用全光纤器件，具有绝缘性好，抗电磁干扰性能好、测量范围大、响应频带宽、可测量交直流、安装维护方便等优点，正在成为电子式电流互感器发展的趋势。

如图1所示，常用的全光纤电流互感器包括两部分，分别为信号处理单元和光路敏感单元。其中，基于偏置调制的闭环控制方法的常规全光纤电流互感器的电路如图2所示，光路敏感单元包括光源和探测器，在光源的发射光路上依次设置有耦合器(或环形器)、起偏器、相位调制器、延迟环和传感环，且探测器与耦合器连接。信号处理单元包括主控模块、模数转换模块、采样调理模块、增益控制模块、数模转换模块和反馈调理模块。主控模块依次通过模数转换模块、采样调理模块连接探测器，以将探测器采集的信号进行调理和采集，完成信号的调制、解调及参数匹配；主控模块依次通过增益控制模块、数模转换模块、反馈调理模块连接相位调制器，将反馈调制信号加载到相位调制器上。

为了进一步扩展全光纤电流互感器在高频测量中的应用，需要进一步减小调制周期，提高整体监测频率范围。当前最主要的方式就是减少波导与反射镜之间的光路长度，减少渡越时间，但是随着光纤长度的减少，对调制电路的建立时间要求就越严格，主要体现在对DAC(数模转换)的动态响应速度的要求上。

如图3所示为基于图2所示的全光纤电流互感器的反馈调制信号的边沿示意图。当采用常规的单DAC反馈时，由于调制信号幅度Pmod变化在DAC的正负量程之间，对DAC要求很高，导致信号从+Pmod变化到-Pmod或者从-Pmod变化到+Pmod时，下降或者上升时间存在斜坡，其延迟时间为ts。对于周期为ts+th+ts的调制信号来说，实际的保持时间只有th，因此，对于调制后的光路，其可供ADC采样用于计算的时间只有th。其有用信号采集区段较短，对于高频应用场景，2*ts时间是不可以用于采样，但是必须具备的时间，该时间将会导致无法继续提高采样频率。

也就是说，基于偏置调制的闭环控制方式，存在短时大范围幅度变化应用场景，包括在满量程之间和正负八分之一量程之间切换，切换时间要求在几十个ns时间以内，对DAC的动态响应能力要求很高，不利于互感器的采样频率的提高。

发明内容

本发明提供了一种具备快速建立时间的全光纤电流互感器及其信号处理单元，用以解决现有技术的全光纤电流互感器造成的无法提高采样频率的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括：

本发明的一种具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器的信号处理单元，包括主控模块、模数转换模块、第一数模转换模块、第二数模转换模块、第一增益控制模块、第二增益控制模块和切换开关；主控模块连接模数转换模块，用于采样连接全光纤电流互感器中的探测器；主控模块通过第一增益控制模块连接第一数模转换模块，通过第二增益控制模块连接第二模数转换模块，以及控制连接切换开关；切换开关的一端用于连接全光纤电流互感器中的相位调制器，另一端切换连接第一数模转换模块和第二数模转换模块，以将主控模块输出的数字量信号通过第一数模转换模块或者第二数模转换模块转换为模拟量信号加载至相位调制器。

本发明的一种具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器，包括光路敏感单元和信号处理单元；所述光路敏感单元包括光源和探测器，在光源的发射光路上依次设置有耦合器、起偏器、相位调制器、延迟环和传感环，探测器与耦合器连接；所述信号处理单元包括主控模块、模数转换模块、第一数模转换模块、第二数模转换模块、第一增益控制模块、第二增益控制模块和切换开关；主控模块连接模数转换模块，用于采样连接全光纤电流互感器中的探测器；主控模块通过第一增益控制模块连接第一数模转换模块，通过第二增益控制模块连接第二模数转换模块，以及控制连接切换开关；切换开关的一端用于连接全光纤电流互感器中的相位调制器，另一端切换连接第一数模转换模块和第二数模转换模块，以将主控模块输出的数字量信号通过第一数模转换模块或者第二数模转换模块转换为模拟量信号加载至相位调制器。

上述技术方案的有益效果为：本发明在全光纤电流互感器的信号处理单元中设置两路独立控制的DAC，即每路DAC均配置单独的增益控制模块，且每个增益控制模块独立与主控模块相连。通过主控模块，使两路DAC之间存在系数定期同步，确保信号经过这两路后达到相位调制器性能一致的目的，再配合可控的切换开关，将两路DAC分时加载至相位调制器，即这两路DAC同一时刻只有一路接入并加载至调制器，实现闭环反馈调制信号的实时切换。由于这两路分别输出幅值大小相等、方向相反的恒定信号，通过开关切换便可使这两路切换接入，实现输出所需的反馈调制信号加载至相位调制器。本发明可减少反馈调制信号边沿切换时间(即调制信号正负切换上升时间)，增加有用信号采集区段，提升全光纤电流互感器测量频率的目的。

作为信号处理单元及全光纤电流互感器的进一步改进，所述信号处理单元还包括采样调理模块，设置在探测器和模数转换模块之间。

作为信号处理单元及全光纤电流互感器的进一步改进，所述信号处理单元还包括反馈调理模块，设置在切换开关的一端与相位调制器之间。

作为信号处理单元及全光纤电流互感器的进一步改进，为了最大程度减少反馈调制信号边沿切换时间，所述切换开关为高速切换开关。

附图说明

图1是现有技术/本发明的全光纤电流互感器的单元框图；

图2是现有技术的全光纤电流互感器的具体结构框图；

图3是现有技术的常规反馈调制信号的边沿示意图；

图4是本发明的全光纤电流互感器的具体结构框图；

图5是本发明的外部无输入时两路DAC的输出示意图；

图6是本发明的两路DAC信号经过切换开关之后的信号示意图；

其中，1-信号处理单元，2-光路敏感单元，11-光源驱动模块，12-采样调理模块，13-模数转换模块，14-主控模块，15-增益控制模块A，16-增益控制模块B，17-数模转换模块A，18-数模转换模块B，19-切换开关，110-反馈调理模块，21-光源，22-耦合器/环形器，23-探测器，24-起偏器，25-相位调制器，26-延迟环，27-传感环。

具体实施方式

全光纤电流互感器实施例：

该实施例提供了一种具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器，同现有技术一样，该全光纤电流互感器同样包括信号处理单元1和光路敏感单元2两部分。

如图4所示，光路敏感单元2包括光源21和探测器23，在光源的发射光路上依次设置有耦合器/环形器22、起偏器24、相位调制器25、延迟环26和传感环27，探测器23与耦合器/环形器22连接。

信号处理单元1包括光源驱动模块11、主控模块14、切换开关19(采用高速模拟开关，例如可采用型号为TS3A5223的高速模拟开关)、模数转换模块13、数模转换模块A17(第一数模转换模块)、数模转换模块B18(第二数模转换模块)、增益控制模块A15(第一增益控制模块)、增益控制模块B16(第二增益控制模块)、采样调理模块12、反馈调理模块110。

其中，采样调理模块12的作用是对光探测器输出的电信号进行预处理，把输出电平调整到模数转换模块适用的范围。反馈调理模块110的作用是把数模转换模块输出的模拟信号调整为相位调制器25适用的电压范围。采样调理模块12和反馈调理模块可根据需求选择合适的现有技术中的信号调理电路，具体电路这里不再给出。

主控模块14依次通过模数转换模块13、采样调理模块12采样连接探测器23，以将探测器采集的模拟量信号进行了信号调理、并转换为数字量信号供主控模块处理。

主控模块14通过增益控制模块A15连接数模转换模块A17，通过增益控制模块B16连接数模转换模块B18，分别负责完成DAC回路A和DAC回路B的增益控制。切换开关19的另一端切换连接数模转换模块A17和数模转换模块B18，以以实现两路DAC的快速切换，即在某一时刻，切换开关19只与数模转换模块A17或者数模转换模块B18保持连接；切换开关19的一端通过反馈调理模块110连接相位调制器25，将输出的信号通过反馈调理模块110加载到相位调制器25上。该切换开关19，实现两路DAC的快速切换，将两路DAC的输出分时加载到反馈调理模块110上，实现偏置调制和闭环反馈。该切换模块19的切换可由主控模块14进行控制，其控制信号的周期与需要调制的周期相匹配。

而且，主控模块还通过光源驱动模块11连接光源21。

上述两路DAC是独立的，每路DAC均配置单独的增益控制模块，并均与主控制模块连接。每路DAC的控制功能，均采用独立控制模块进行控制。且这两路DAC之间存在系数定期同步，确保信号通过两路之后，到达相位调制器性能的一致性。其中，独立控制模块是主控模块中的程序，实现DAC的输入数据的系数调整、增益控制模块的参数实时设置等功能。系数定期同步，是指为了保证两路DAC在任一时刻均能正常保持增益系数一致，在初始校准系数的基础上，对***计算得到的变量系数均进行同时调整相同量值，确保两路DAC相对于初始值的变化相同。需说明的是，该调整策略是基于两路增益控制模块及DAC均是相同批次的前提下，如果批次不同，可能会存在变化差异，但是该差异需在可接受范围之内。

而且，该实施例中对所使用的切换开关19要求较高，其切换速度优于30ns，以提高切换过程中反馈波形的陡峭度。

下面对上述介绍的全光纤电流互感器的DAC的输出信号进行说明。

如图5所示为上述全光纤电流互感器在外部无输入时两路DAC的输出示意图，当外部输入为0时，两路DAC分别输出幅值为+Pmod、-Pmod的恒定信号。在整个工作过程中，DAC均不需要进行大幅值范围的切换。

如图6所示为两路DAC的信号经过切换开关之后的信号示意图，由于采用切换开关，其切换速度远远大于ts，因此切换时间可以忽略不计，其输出波形为近似理想方波。其调制方波时间为th2，th2＝ts+th+ts，因此该方案实际采样时间多出2*ts。在同样采样点的情况下，该方案需要的调制时间只需要th，可实现提高互感器的采集频率。

整体来看，该光线电流互感器通过双路DAC及切换开关的组合，实现闭环反馈调制信号的实时切换，达到降低调制信号正负切换上升时间，增加有用信号采集区段，提升全光纤电流互感器测量频率的目的。其中，有用信号采集区段，是指光学互感器探测器信号的梳状波中的平滑底部区域，该区域采样值用于对电流信号的解调。而且，双路DAC之间通过同步功能，确保系数变化不会影响测试结果；独立的DAC控制及反馈增益调节电路，使得反馈链路控制更加精确。

信号处理单元实施例：

该实施例提供了一种具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器的信号处理单元，该信号处理单元即为全光纤电流互感器实施例中的信号处理单元，由于在全光纤电流互感器实施例中对其介绍已足够清楚，这里不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器的信号处理单元，其特征在于，包括主控模块、模数转换模块、第一数模转换模块、第二数模转换模块、第一增益控制模块、第二增益控制模块和切换开关；

主控模块连接模数转换模块，用于采样连接全光纤电流互感器中的探测器；

主控模块通过第一增益控制模块连接第一数模转换模块，通过第二增益控制模块连接第二模数转换模块，用于分别完成两路DAC的增益控制；

所述两路DAC包括DAC回路A与DAC回路B；其中，DAC回路A包括第一数模转换模块与第一增益控制模块；DAC回路B包括第二数模转换模块与第二增益控制模块；

主控模块控制连接切换开关，用于控制所述切换开关的切换，实现所述控制的控制信号周期与需要调制的周期相匹配；

主控模块中包括独立控制模块，所述独立控制模块用于DAC的输入数据的系数调整和增益控制模块的参数实时设置，使两路DAC之间存在系数定期同步，确保两路DAC相对于初始值的变化相同；所述两路DAC在外部输入为0时分别输出幅值大小相等、方向相反的恒定信号；

切换开关的一端用于连接全光纤电流互感器中的相位调制器，另一端切换连接第一数模转换模块和第二数模转换模块，以将主控模块输出的数字量信号通过第一数模转换模块或者第二数模转换模块转换为模拟量信号加载至相位调制器。

2.根据权利要求1所述的具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器的信号处理单元，其特征在于，所述信号处理单元还包括采样调理模块，设置在探测器和模数转换模块之间。

3.根据权利要求1所述的具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器的信号处理单元，其特征在于，所述信号处理单元还包括反馈调理模块，设置在切换开关的一端与相位调制器之间。

4.根据权利要求1~3任一项所述的具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器的信号处理单元，其特征在于，所述切换开关为高速切换开关。

5.一种具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器，其特征在于，包括光路敏感单元和信号处理单元；

所述光路敏感单元包括光源和探测器，在光源的发射光路上依次设置有耦合器、起偏器、相位调制器、延迟环和传感环，探测器与耦合器连接；

所述信号处理单元包括主控模块、模数转换模块、第一数模转换模块、第二数模转换模块、第一增益控制模块、第二增益控制模块和切换开关；

主控模块连接模数转换模块，用于采样连接全光纤电流互感器中的探测器；

主控模块通过第一增益控制模块连接第一数模转换模块，通过第二增益控制模块连接第二模数转换模块，用于分别完成两路DAC的增益控制；

主控模块控制连接切换开关，用于控制所述切换开关的切换，实现所述控制的控制信号周期与需要调制的周期相匹配；

主控模块中包括独立控制模块，所述独立控制模块用于DAC的输入数据的系数调整和增益控制模块的参数实时设置，使两路DAC之间存在系数定期同步，确保两路DAC相对于初始值的变化相同；所述两路DAC在外部输入为0时分别输出幅值大小相等、方向相反的恒定信号；

切换开关的一端用于连接全光纤电流互感器中的相位调制器，另一端切换连接第一数模转换模块和第二数模转换模块，以将主控模块输出的数字量信号通过第一数模转换模块或者第二数模转换模块转换为模拟量信号加载至相位调制器。

6.根据权利要求5所述的具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器，其特征在于，所述信号处理单元还包括采样调理模块，设置在探测器和模数转换模块之间。

7.根据权利要求5所述的具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器，其特征在于，所述信号处理单元还包括反馈调理模块，设置在切换开关的一端与相位调制器之间。

8.根据权利要求5~7任一项所述的具备快速建立时间功能的全光纤电流互感器，其特征在于，所述切换开关为高速切换开关。

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