Fiber Optic Circuit - saatja ja vastuvõtja

Elektroonilisi signaale on aastakümneid üsna edukalt saadetud tavaliste juhtmeta ühenduste kaudu või erinevat tüüpi raadiosidemete abil, millel oli palju puudusi.

Teisest küljest on kiudoptilised ühendused, olenemata sellest, kas neid kasutatakse pikkade heli- või videolinkide jaoks või väikeste vahemaade lahendamiseks, pakkunud tavaliste juhtmega kaablitega võrreldes mõningaid selgeid eeliseid.

Kuidas kiudoptiline töötab

Kiudoptilise vooluahela tehnoloogias kasutatakse optilise kiu linki digitaalsete või analoogandmete edastamiseks valgussageduse kujul kaabli kaudu, millel on väga peegeldav keskne südamik.

Seestpoolt koosneb optiline kiud väga peegeldavast kesksest südamikust, mis toimib valguse suunajana valguse ülekandmiseks läbi selle pidevate edasi-tagasi peegelduste abil läbi selle peegeldavate seinte.

Optiline link sisaldab tavaliselt elektrisagedust valguse sagedusmuunduri ahelat, mis muudab digitaalsed või helisignaalid valgussageduseks. See valgussagedus süstitakse optilise kiu ühte otsa läbi a võimas LED . Seejärel lastakse valgusel liikuda läbi optilise kaabli ettenähtud sihtkohta, kus seda võtavad vastu fotoelement ja võimendi ahel mis teisendab valgussageduse tagasi algseks digitaalseks vormiks või helisageduse vormiks.

Kiudoptika eelised

Kiudoptiliste vooluahelate üks suur eelis on nende ideaalne puutumatus elektriliste häirete ja hulkuvate kiirenemiste suhtes.

Selle probleemi vähendamiseks võiks välja töötada tavalised kaabelühendused, kuid selle probleemi täielik väljajuurimine võib olla palju keeruline.

Vastupidi, kiudoptilise kaabli mitteelektrilised omadused muudavad elektrilised häired ebaoluliseks, välja arvatud mõned häired, mida vastuvõtja otsast võis korjata, kuid selle saab kõrvaldada ka vastuvõtja vooluahela efektiivse varjestusega.

Üsna sarnaselt hajutavad tavalise elektrikaabli kaudu suunatavad lairibasignaalid sageli elektrilisi häireid, põhjustades raadio- ja telesignaalide segamist.

Kuid jällegi võib kiudoptilise kaabli korral osutuda elektrienergiast täiesti ilma ja kuigi saatjaüksus võib raadiosageduslikku kiirgust välja lülitada, on selle ühendamine põhiliste sõelumisstrateegiate abil üsna lihtne.

Selle plusspunkti tõttu ei ole süsteemidel, mis sisaldavad paljusid üksteise kõrval töötavaid optilisi kaableid, ristkõnelustega komplikatsioone ega probleeme.

Muidugi võib valgus ühest kaablist teise välja lekkida, kuid kiudoptilised kaablid on tavaliselt kapseldatud valguskindlasse välimisse hülsi, mis hoiab ideaalselt ära igasuguse valguse lekke.

See kiudoptiliste linkide tugev varjestus tagab piisavalt turvalise ja usaldusväärse andmeedastuse.

Teine eelis on see, et fiiberoptilistel pole tuleohtu, kuna sellega ei kaasne elektrit ega suurt voolu.

Samuti on meil kogu ühenduses hea elektriline isolatsioon, et tagada, et maandussilmadega seotud tüsistused ei saaks areneda. Sobivate edastavate ja vastuvõtvate ahelate kaudu sobib see hästi kiudoptiliste linkide jaoks, et hallata olulisi ribalaiuse vahemikke.

Ka koaksiaalsete toitekaablite kaudu saab luua laia ribalaiusega linke, ehkki tänapäevaste optiliste kaablite puhul on lairibaühenduse rakendustes koaksiaalsete tüüpidega võrreldes vähenenud kaod.

Optilised kaablid on tavaliselt õhukesed ja kerged ning immuunsed ka ilmastikutingimuste ja mitmete keemiliste ainete suhtes. See võimaldab neid sageli rakendada ebamugavates tingimustes või ebasoodsates olukordades, kus elektrikaablid, eriti koaksiaalsed tüübid, osutuvad lihtsalt väga ebaefektiivseteks.

Puudused

Kuigi kiudoptilisel vooluringil on nii palju eeliseid, on neil ka mõned küljed.

Näiline puudus on see, et elektrilisi signaale ei saa otse optilisse kaablisse edastada ning mitmetes olukordades muutuvad elutähtsate kooderite ja dekoodrite ahelatega seotud kulud ja probleemid üsna ühildumatuks.

Optiliste kiududega töötamisel on oluline meeles pidada, et nende läbimõõt on tavaliselt kindlaks määratud ja kui need on teravama kõveraga keerdunud, põhjustavad kaablid selles paindes füüsilisi kahjustusi, muutes selle kasutuks.

Minimaalne painderaadius, nagu seda tavaliselt teabelehtedes nimetatakse, on tavaliselt umbes 50–80 millimeetrit.

Sellise painde tagajärg tavalises juhtmega elektrikaablis ei pruugi olla midagi, kuid fiiberoptiliste kaablite puhul võivad isegi väikesed tihedad painutused takistada valgussignaalide levikut, mis põhjustab drastilisi kadusid.

Kiudoptika põhitõed

Ehkki meile võib tunduda, et fiiberoptiline kaabel koosneb lihtsalt klaaskiust, mis on kaetud valguskindla välise hülssi abil, on olukord tegelikult sellest palju arenenum.

Tänapäeval on klaasniit enamasti polümeeri, mitte tegeliku klaasi kujul ja standardne komplekt võib olla järgmine joonisel. Siin näeme keskmist südamikku, millel on kõrge murdumisnäitaja ja välimine varjestus vähendatud murdumisnäitajaga.

Murdumine sisemise hõõgniidi ja väliskatte vastastikmõjus võimaldab valgusel läbida kaablit, hüpates tõhusalt kogu kaabli ulatuses seinast seina.

Just selline valguse põrkamine üle kaabli seinte võimaldab kaablil töötada nagu valguse juhik, kandes valgustust sujuvalt nurkade ja kõverate ümber.

Kõrge tellimusrežiimi valguse levik

Valguse peegeldumise nurk määratakse kaabli omaduste ja valguse sisendnurga järgi. Ülaltoodud joonisel on valguskiir näha läbi a 'kõrge tellimusrežiim' paljundamine.

Madala tellimusega režiimi valguse levik

Siiski leiate kaabli, mille valgust toidetakse madalama nurga all, põhjustades selle kaabliseinte vahel tunduvalt laia nurga all põrkumist. See madalam nurk võimaldab valgusel liikuda kaabli kaudu igal põrgatusel suhteliselt suuremal kaugusel.

Seda valgusülekande vormi nimetatakse 'madala tellimuse režiim' paljundamine. Mõlema režiimi praktiline tähendus on see, et kaabli kaudu kiirgav valgus peab kõrgema tellimusrežiimi korral liikuma märgatavalt kaugemale, võrreldes valgusega, mis levib madalas režiimis. See määrib kaabli kaudu edastatavad signaalid, vähendades rakenduse sagedusvahemikku.

Kuid see on asjakohane ainult äärmiselt laia ribalaiusega linkide korral.

Ühemoodiline kaabel

Meil on ka 'Üks režiim' tüüpi kaablid, mis on mõeldud lihtsalt ühe levimisrežiimi võimaldamiseks, kuid tegelikult pole seda tüüpi kaablit vaja kasutada selles artiklis kirjeldatud suhteliselt kitsa ribalaiuse tehnikaga. Lisaks võite kohata alternatiivset tüüpi kaablit 'hinnatud indeks' kaabel.

See on tegelikult üsna sarnane varem käsitletud astmelise indekskaabliga, ehkki kaabli keskosa lähedal on kõrge murdumisnäitaja järkjärguline muundumine vähendatud väärtuseni välimise hülsi lähedal.

See põhjustab valguse sügavuse üle kaabli üsna sarnasel viisil, nagu varem selgitatud, kuid valgus peab sirgjoonte levimise asemel läbima kõverat rada (nagu järgmisel joonisel).

Optilise kiu mõõtmed

Kiudoptiliste kaablite tüüpiline mõõde on 2,2 millimeetrit ja sisemise kiu keskmine mõõde on umbes 1 millimeeter. Lisaks mitmele süsteemile, mis ühendavad võrdselt sobivad kaablid, leiate mitu pistikut, millele on juurdepääs kogu selle kaabli suuruse jaoks.

Tavaline ühendussüsteem sisaldab pistikut, mis on paigaldatud kaabli otsa ja kaitseb selle pistikupesa külge, mis tavaliselt kinnitatakse trükkplaadi kohal, millel on pesa fotoelemendi (mis moodustab emitteri või detektori). optiline süsteem).

Kiudoptiliste ahelate kujundamist mõjutavad tegurid

Üks ülioluline aspekt, mida kiudoptikas tuleb meeles pidada, on emitteri tippvõimsuse spetsifikatsioonid fotoelement valguse lainepikkuse jaoks. See peab olema ideaalselt valitud, et see vastaks edastussagedusele sobiva tundlikkusega.

Teine tegur, mida meeles pidada, on see, et kaabel määratakse ainult piiratud ribalaiuse vahemikuga, mis tähendab, et kaod peavad olema võimalikult väikesed.

Optilistes andurites ja saatjates, mida tavaliselt kasutatakse optilistes kiududes, hinnatakse enamasti töötama infrapunakiirgus ülima tõhususega, samas kui mõned võivad olla mõeldud kõige paremini töötama nähtava valguse spektriga.

Kiudoptilisi kaableid tarnitakse sageli viimistlemata otsaotstega, mis võib olla väga ebaproduktiivne, kui otsad pole nõuetekohaselt kärbitud ja töödeldud.

Tavaliselt pakub kaabel korralikke efekte, kui see on raseeritud terava modelleerimisnuga täisnurga all tükeldatud, tükeldades kaabliotsa ühe toiminguga puhtalt.

Viilutatud otste poleerimiseks võib kasutada peent faili, kuid kui olete alles otsad lõiganud, ei pruugi see valgusefektiivsust oluliselt suurendada. On ülioluline, et lõikamine oleks terav, karge ja risti kaabli läbimõõduga.

Kui lõikamisel on mõni nurk, võib valguse etteande nurga kõrvalekalde tõttu tõhusus tõsiselt halveneda.

Lihtsa kiudoptilise süsteemi kujundamine

Peamine viis kõigile, kes soovivad kiudoptilise kommunikatsiooniga asju proovida, oleks luua helilink.

Kõige elementaarsemas vormis võib see sisaldada lihtsat amplituudmodulatsiooni vooluringi, mis varieerub LED-saatja heledus vastavalt audiosisignaali amplituudile.

See põhjustaks fotoelemendi vastuvõtjas samaväärselt moduleerivat voolutugevust, mida töödeldaks fotorakuga järjestikku arvutatud koormustakisti vastava muutuva pinge genereerimiseks.

Helisignaali edastamiseks seda signaali võimendatakse. Tegelikult võib sellel põhimõttelisel lähenemisel olla oma varjukülg, peamine võib olla lihtsalt fotoelementide ebapiisav lineaarsus.

Lineaarsuse puudumine mõjutab proportsionaalset moonutustaset optilise lingi ulatuses, mis võib hiljem olla halva kvaliteediga.

Tavaliselt oluliselt paremaid tulemusi pakkuv meetod on sagedusmodulatsioonisüsteem, mis on põhimõtteliselt identne standardis kasutatava süsteemiga VHF raadiosaated .

Sellistel juhtudel on sagedusala 2 raadiosaates kasutatava tavapärase 100 MHz asemel kasutusel kandesagedus umbes 100 kHz.

See lähenemine võib olla üsna lihtne, nagu on näidatud allpool oleval plokkskeemil. See näitab põhimõtet, mis on loodud selle vormi ühesuunalise lingi jaoks. Saatja on tegelikult pingega juhitav ostsillaator (VCO) ja nagu pealkirigi ütleb, saaks selle konstruktsiooni väljundsagedust reguleerida juhtpinge abil.

See pinge võib olla heli sisendülekanne ja signaali pinge võnkumisel üles ja alla muutub ka VCO väljundsagedus. A madalpääsfilter on integreeritud heli sisendsignaali täpsustamiseks enne selle rakendamist VCO-le.

See aitab hoida heterodüüni 'viled' eemal tekitamisest, kuna pingel juhitava ostsillaatori ja kõigi kõrgsageduslike sisendsignaalide vahelised löögimärkmed on tekkinud.

Tavaliselt katab sisendsignaal ainult helisageduse vahemiku, kuid võite leida moonutuste sisu kõrgematel sagedustel ja raadiosignaalid, mis juhtmest üles võetakse ja suhtlevad VCO-signaali või VCO-väljundsignaali ümbritsevate harmoonilistega.

Kiirgavat seadet, mis võib olla lihtsalt LED, juhib VCO väljund. Optimaalse tulemuse saamiseks on see LED tavaliselt a suure võimsusega LED-tüüp . Selleks on vaja juhi puhveretapi kasutamine LED-toite töötamiseks.

See järgmine etapp on a monostabiilne multivibraator mis peab olema konstrueeritud taandamatu tüübina.

See võimaldab etapil genereerida väljundimpulsse intervallide kaudu, mille määrab C / R ajavõrk, mis ei sõltu sisendimpulsi kestusest.

Operatiivne lainekuju

See annab lihtsa, kuid samas efektiivse pinge muundamise sageduse, mille lainekuju, nagu on näidatud järgmisel joonisel, selgitab selgelt selle töömustrit.

Joonisel (a) genereerib sisendsagedus monostabiilist väljundi 1–3 kaubamärgi ja ruumi suhtega ning väljund on 25% ajast kõrge olekus.

Keskmine väljundpinge (nagu on kujutatud punktiirjoone sees) on 1/4 väljundi HIGH olekust.

Ülaltoodud joonisel (b) näeme, et sisendsagedust on suurendatud kaks korda, mis tähendab, et saame kindla ajaintervalli korral kaks korda rohkem väljundimpulsse märgimärgi suhtega 1: 1. See võimaldab meil saada keskmise väljundpinge, mis on 50% HIGH väljundseisundist, ja eelmise näite 2 korda suurema suurusjärgu.

Lihtsamalt öeldes ei aita monostabiil mitte ainult muundada sagedust pingeks, vaid võimaldab lisaks teisendada ka lineaarseid karakteristikuid. Ainult monostabiilse väljundiga ei saa helisagedussignaali luua, välja arvatud juhul, kui on sisse seatud madalpääsfilter, mis tagab väljundi stabiliseerimise õigeks helisignaaliks.

Selle lihtsa pinge muundamise meetodi peamine probleem on see, et stabiliseeritud väljundi loomiseks on VCO minimaalsel väljundsagedusel vaja kõrgema taseme summutust (sisuliselt 80 dB või rohkem).

Kuid see meetod on tõepoolest lihtne ja usaldusväärne muudest kaalutlustest lähtuvalt ning koos moodsate vooluahelatega ei pruugi olla keeruline kavandada väljundfiltri etappi, millel on piisavalt täpne ära lõigatud iseloomulik .

Väike üleliigse kandesignaali tase väljundis ei pruugi olla liiga kriitiline ja seda võib ignoreerida, kuna kandur on tavaliselt sagedustel, mis ei kuulu helivahemiku piiridesse ja mis tahes lekked väljundis on seetõttu kuuldamatud.

Kiudoptilise saatja ahel

Allpool on näha kogu fiiberoptilise saatja lülitusskeem. Leiate palju integreeritud vooluringe, mis sobivad töötamiseks nagu VCO, koos paljude muude diskreetsete osade abil ehitatud konfiguratsioonidega.

Kuid odava tehnika jaoks laialdaselt kasutatav NE555 saab eelistatud valikuks ja kuigi see on kindlasti odav, on see siiski üsna hea jõudlustõhususega. Seda võib moduleerida, integreerides sisendsignaali IC kontakti 5, mis ühendub pingejaguriga, mis on konfigureeritud IC 555 jaoks 1/3 V + ja 2/3 V + lülituspiiride loomiseks.

Põhimõtteliselt suurendatakse ja vähendatakse ülemist piiri, nii et ajastuskondensaatori C2 kahe vahemiku vahel vahetamiseks kulunud aega saaks vastavalt pikendada või vähendada.

Tr1 on juhtmega nagu kiirgaja jälgija puhveraste, mis varustab LED-i (D1) optimaalseks valgustamiseks vajalikku suurt ajamivoolu. Ehkki NE555 iseenesest on LED-i jaoks hea 200 mA vool, võimaldab LED-i jaoks eraldi vooluga juhitav draiver määrata soovitud LED-voolu täpselt ja usaldusväärsema meetodi abil.

R1 on paigutatud LED-voolu fikseerimiseks umbes 40 milliamprile, kuid kuna LED lülitatakse sisse / välja 50% töötsükliga, võimaldab LED töötada ainult 50% tegelikust, mis on umbes 20 milliamprit.

Väljundvoolu saab suurendada või vähendada, kohandades R1 väärtust alati, kui see võib vajalikuks osutuda.

Kiudoptiliste saatjate takistite komponendid (kõik 1/4 vatti, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondensaatorid
C1 = 220 u 10V valitud
C2 = 390 pF keraamiline plaat
C3 = 1u 63V valitud
C4 = 330p keraamiline plaat
C5 = 4n7 polüesterkiht
C6 = 3n3 polüesterkiht
C7 = 470n polüesterkiht
Pooljuhid
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = vaata teksti
Mitmesugust
SK1 3,5 mm pistikupesa
Trükkplaat, korpus, aku jne

Kiudoptilise vastuvõtja vooluring

Esmase kiudoptilise vastuvõtja vooluahela skeemi on näha alloleva skeemi ülemisest osast, väljundfiltri ahel on tõmmatud vahetult vastuvõtja vooluahela alla. Vastuvõtja väljundit saab näha ühendatud halli joone kaudu filtri sisendiga.

D1 moodustab detektordiood ja see töötab vastupidises eelhäälestuses, kus selle lekkekindlus aitab luua mingi valgust sõltuva takisti või LDR-efekti.

R1 töötab nagu koormustakisti ja C2 loob seose detektori astme ja sisendvõimendi sisendi vahel. See moodustab kaheastmelise mahtuvuslikult ühendatud võrgu, kus kaks etappi toimivad võrgus koos tavaline emitter režiimis.

See võimaldab kõrgemat üldist pingetõusu üle 80 dB. arvestades, et tarnitakse üsna võimas sisendsignaal, pakub see Tr2 kollektori tihvti jaoks piisavalt kõrget väljundpinge võnkumist, et monostabiilne multivibraator .

Viimane on tavaline CMOS-tüüp, mis on ehitatud paarist 2 sisendiga NOR-väravast (IC1a ja IC1b), kusjuures C4 ja R7 töötavad nagu ajastuselemendid. Ülejäänud paari IC1 väravat ei kasutata, ehkki nende sisendeid võib maa külge kinnitada, püüdes peatada nende väravate vale ümberlülitamine hulkuva kiirenemise tõttu.

IC2a / b ümber ehitatud filtritasemele viidates on see põhimõtteliselt 2/3-astmeline (18 dB oktaavi kohta) filtrisüsteem, mille spetsifikatsioonidega kasutatakse tavaliselt saatja ahelad . Need ühendatakse järjestikku, et luua kokku 6 poolust ja üldine sumbumiskiirus 36 dB oktavi kohta.

See pakub kandesignaali summutamist minimaalses sagedusalas umbes 100 dB ja suhteliselt madala kandesignaali väljundsignaali. Kiudoptiline vooluahel suudab hakkama saada kuni 1-voldise RMS sisendpingega, ilma et sellel oleks kriitilisi moonutusi, ja aitab töötada süsteemi pisut väiksema kui ühtsuspinge võimendusega.

Kiudoptilise vastuvõtja ja filtri komponendid

Takistid (kõik 1/4 vatti 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 kuni R15 10k (6 välja)
Kondensaatorid
C1 = 100µ10V elektrolüütiline
C2 = 2n2 polüester
C3 = 2n2 polüester
C4 = 390p keraamika
C5 = 1µ 63V elektrolüütiline
C6 = 3n3 polüester
C7 = 4n7 polüester
C8 = 330 pF keraamika
C9 = 3n3 polüester
C10 = 4n7 polüester

Pooljuhid
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 välja)
D1 = Vaadake teksti
Mitmesugust
SK1 = 25-tee D-pistik
Korpus, trükkplaat, traat jne.