Obvod optických vlákien - vysielač a prijímač

Elektronické signály sa už celé desaťročia pomerne úspešne vysielajú prostredníctvom štandardných „pevných drôtov“ alebo pomocou rádiových spojení rôzneho druhu, ktoré majú veľa nevýhod.

Na druhej strane optické odkazy, či už sa používajú na zvukové alebo obrazové odkazy na veľké vzdialenosti alebo na zvládnutie malých vzdialeností, ponúkajú oproti bežným káblovým káblom určité výrazné výhody.

Ako funguje vláknová optika

V technológii vláknových optických obvodov sa optické vláknové spojenie používa na prenos digitálnych alebo analógových údajov vo forme svetelnej frekvencie káblom, ktorý má vysoko reflexné centrálne jadro.

Optické vlákno sa vnútorne skladá z vysoko reflexného stredového jadra, ktoré funguje ako svetlovod na prenos svetla cez ne prostredníctvom nepretržitých odrazov od seba cez jeho reflexné steny.

Optické spojenie obvykle obsahuje obvod elektrického meniča na svetelnú frekvenciu, ktorý prevádza digitálne alebo zvukové signály na svetelnú frekvenciu. Táto svetelná frekvencia je „vstrekovaná“ na jeden z koncov optického vlákna cez a výkonná LED . Svetlo sa potom nechá cestovať optickým káblom do určeného cieľa, kde ho prijíma fotobunka a obvod zosilňovača ktorý prevádza svetelnú frekvenciu späť do pôvodnej digitálnej formy alebo zvukovej frekvencie.

Výhody vláknovej optiky

Jednou z hlavných výhod vláknových optických obvodov je ich dokonalá imunita voči elektrickému rušeniu a bludným snímačom.

Na zníženie tohto problému by mohli byť navrhnuté štandardné „káblové“ spojenia, avšak môže byť veľmi náročné tento problém úplne odstrániť.

Naopak, neelektrické vlastnosti kábla z optických vlákien napomáhajú tomu, aby bolo elektrické rušenie nehmotné, okrem určitých porúch, ktoré by sa mohli zachytiť na konci prijímača, ale to je možné eliminovať aj efektívnym tienením obvodu prijímača.

Celkom podobne širokopásmové signály smerované cez bežný elektrický kábel často rozptýlia elektrické rušenie, čo spôsobí rušenie rádiových a televíznych signálov v blízkosti.

Ale opäť, v prípade kábla z optických vlákien sa skutočne môže preukázať, že úplne postráda elektrické emisie, a aj keď jednotka vysielača môže vyzařovať rádiofrekvenčné žiarenie, je jednoduché ho uzavrieť pomocou základných skríningových stratégií.

Vďaka tomuto plusovému bodu nemajú systémy, ktoré obsahujú veľa optických káblov pracujúcich navzájom vedľa seba, žiadne komplikácie alebo problémy s rozhovormi.

Svetlo by samozrejme mohlo unikať z jedného kábla do druhého, ale káble z optických vlákien sú zvyčajne zapuzdrené v nepriepustnom vonkajšom puzdre, ktoré ideálne zabraňuje akejkoľvek forme úniku svetla.

Toto silné tienenie v optických spojoch zaisťuje primerane bezpečný a spoľahlivý prenos údajov.

Ďalšou výhodou je, že vláknová optika neobsahuje problémy s nebezpečenstvom požiaru, pretože do nej nie je zapojený elektrický prúd ani vysoký prúd.

V celom prepojení máme tiež dobrú elektrickú izoláciu, aby sme zabezpečili, že sa nebudú môcť vyvinúť komplikácie so zemnými slučkami. Prostredníctvom vhodných vysielacích a prijímacích obvodov sa stáva veľmi vhodným na spojenie s optickými vláknami na zvládnutie podstatných rozsahov šírky pásma.

Širokopásmové spojenia je možné vytvoriť aj prostredníctvom koaxiálnych silových káblov, aj keď moderné optické káble zvyčajne dosahujú znížené straty v porovnaní s koaxiálnymi typmi v aplikáciách so širokou šírkou pásma.

Optické káble sú zvyčajne tenké a ľahké a tiež odolné voči klimatickým podmienkam a niekoľkým chemickým látkam. To často umožňuje ich rýchle použitie v nehostinnom prostredí alebo v nepriaznivých scenároch, kde sa elektrické káble, konkrétne koaxiálne typy, ukážu ako veľmi neúčinné.

Nevýhody

Aj keď obvod s optickými vláknami má toľko výhod, má aj niekoľko dolných strán.

Zjavnou nevýhodou je, že elektrické signály nemožno prenášať priamo do optického kábla, a v niekoľkých situáciách bývajú náklady a problémy, ktoré sa vyskytujú pri dôležitých obvodoch kódovacieho zariadenia a dekodéra, dosť nekompatibilné.

Pri práci s optickými vláknami je potrebné pamätať na to, že majú zvyčajne určený najmenší priemer, a keď sú krútené s ostrejšou krivkou, vedie k fyzickému poškodeniu kábla v danom ohybe, čo ho robí zbytočným.

Polomer „minimálneho ohybu“, ako sa zvyčajne nazýva v údajových listoch, je zvyčajne medzi približne 50 a 80 milimetrami.

Dôsledkom takýchto ohybov v bežnom káblovom sieťovom kábli nemusí byť nič, avšak pre káble z optických vlákien môžu aj malé tesné ohyby brániť šíreniu svetelných signálov a viesť k drastickým stratám.

Základy vláknovej optiky

Aj keď sa nám môže zdať, že kábel z optických vlákien je jednoducho vyrobený zo sklenených vlákien pokrytých vonkajšou objímkou ​​odolnou proti svetlu, situácia je v skutočnosti oveľa vyspelejšia ako táto.

V súčasnosti je sklenené vlákno väčšinou vo forme polyméru a nie skutočného skla a štandardné nastavenie môže byť také, ako je uvedené na nasledujúcom obrázku. Tu vidíme centrálne jadro s vysokým indexom lomu a vonkajšie tienenie so zníženým indexom lomu.

Lom, v ktorom vzájomne pôsobia vnútorné vlákno a vonkajší plášť, umožňuje prechod svetla cez kábel efektívnym skokom cez stenu k stene až cez kábel.

Práve toto odrážanie svetla cez steny kábla umožňuje, aby kábel bežal ako svetlovod a hladko prenášal osvetlenie po rohoch a krivkách.

Šírenie svetla v režime vysokých rádov

Uhol, pod ktorým sa svetlo odráža, je určený vlastnosťami kábla a vstupným uhlom svetla. Na vyššie uvedenom obrázku je možné vidieť lúč svetla vedený cez a „režim vysokej objednávky“ rozmnožovanie.

Šírenie svetla v režime nízkej objednávky

Nájdete však káble, ktoré sú napájané svetlom s menším uhlom, ktorý spôsobuje, že sa odráža medzi stenami kábla so značne širokým uhlom. Tento nižší uhol umožňuje svetlu cestovať v relatívne väčšej vzdialenosti káblom pri každom odraze.

Táto forma prenosu svetla sa nazýva „režim nízkej objednávky“ rozmnožovanie. Praktický význam oboch týchto režimov spočíva v tom, že svetlo odchádzajúce cez kábel v režime vyššieho rádu musí cestovať zreteľne ďalej v porovnaní so svetlom šíreným v režime nízkeho rádu. Toto rozmazáva signály dodávané dolu káblom, ktoré znižujú frekvenčný rozsah aplikácie.

To je však relevantné iba v prípade extrémne širokopásmových odkazov.

Kábel pre jeden režim

Máme tiež „Jeden režim“ káble, ktoré sú určené len na umožnenie jedného režimu šírenia, ale nie je skutočne potrebné využívať túto formu kábla s pomerne úzkymi šírkami pásma podrobne opísanými v tomto článku. Ďalej môžete naraziť na alternatívny druh pomenovaného kábla „odstupňovaný index“ kábel.

Toto je v skutočnosti dosť podobné káblu so stupňovitým indexom, o ktorom sme hovorili už skôr, aj keď existuje progresívna transformácia z vysokého indexu lomu blízko stredu kábla na zníženú hodnotu blízko vonkajšej objímky.

To spôsobí, že svetlo prechádza hlboko cez kábel podobným spôsobom, ako bolo vysvetlené vyššie, ale musí prechádzať zakrivenou cestou (ako na nasledujúcom obrázku), namiesto toho, aby sa šírilo priamkami.

Rozmery optického vlákna

Typický rozmer pre káble z optických vlákien je 2,2 milimetra, pričom priemerný rozmer vnútorného vlákna je okolo 1 milimetra. Nájdete niekoľko konektorov prístupných pre pripojenie cez túto veľkosť kábla, okrem mnohých systémov, ktoré sa pripájajú k rovnako zhodným káblom.

Bežný systém konektorov obsahuje „zástrčku“, ktorá je nainštalovaná na konci kábla, a zaisťuje ju na „zásuvkovej“ svorke, ktorá sa zvyčajne drží nad doskou plošných spojov so slotom na umiestnenie fotobunky (ktorý tvorí vysielač alebo detektor optický systém).

Faktory ovplyvňujúce dizajn obvodov optických vlákien

Jedným z rozhodujúcich aspektov, ktorý si treba vo vláknovej optike pamätať, je špičková výstupná špecifikácia vysielača fotobunka pre vlnovú dĺžku svetla. Toto musí byť ideálne zvolené tak, aby zodpovedalo prenosovej frekvencii s príslušnou citlivosťou.

Druhým faktorom, ktorý treba pamätať, je, že kábel bude špecifikovaný iba s obmedzeným rozsahom šírky pásma, čo znamená, že straty musia byť čo najmenšie.

Optické snímače a vysielače bežne používané v optických vláknach sú väčšinou dimenzované na prácu v infračervený dosah s najvyššou účinnosťou, zatiaľ čo niektoré môžu byť určené na to, aby najlepšie fungovali so spektrom viditeľného svetla.

Kabeláž z optických vlákien sa často dodáva s nedokončenými koncami, čo môže byť veľmi neproduktívne, pokiaľ konce nie sú správne orezané a opracované.

Kábel zvyčajne poskytne slušné efekty, keď je krájaný v pravom uhle pomocou modelovacieho noža ostrého ako britva, pričom koniec kábla môžete čisto sekať v jednej akcii.

Na leštenie nakrájaných koncov sa dá použiť jemný pilník, ale ak ste konce iba rozrezali, nemusí to pomôcť k výraznému zvýšeniu svetelnej účinnosti. Je nevyhnutné, aby bol rez ostrý, ostrý a kolmý na priemer kábla.

Ak má rez pod určitým uhlom, môže to vážne zhoršiť účinnosť v dôsledku odchýlky v uhle posuvu svetla.

Návrh jednoduchého systému z optických vlákien

Základným spôsobom, ako začať s každým, kto chce vyskúšať komunikáciu pomocou optických vlákien, by bolo vytvorenie zvukového spojenia.

Vo svojej najelementárnejšej podobe to môže zahŕňať jednoduché obvody amplitúdovej modulácie, ktoré menia LED vysielač jas v súlade s amplitúdou vstupného zvukového signálu.

To by spôsobilo ekvivalentne modulovanú odozvu prúdu naprieč prijímačom fotobunky, ktorá by sa spracovala tak, aby generovala zodpovedajúce meniace sa napätie naprieč vypočítaným záťažovým rezistorom v sérii s fotobunkou.

Tento signál by bol zosilnený, aby dodával zvukový výstupný signál. V skutočnosti môže mať tento zásadný prístup svoje nevýhody, hlavným prístupom môže byť jednoducho nedostatočná linearita fotobuniek.

Absencia linearity ovplyvňuje vo forme proporcionálnej úrovne skreslenia cez optické spojenie, ktoré môže byť následne zlej kvality.

Metódou, ktorá bežne ponúka podstatne lepšie výsledky, je systém frekvenčnej modulácie, ktorý je v zásade identický so systémom používaným v štandarde Rozhlasové vysielanie VHF .

V takýchto prípadoch je však použitá nosná frekvencia okolo 100 kHz namiesto konvenčných 100 MHz, ktoré sa používajú v rádiovom prenose v pásme 2.

Tento prístup môže byť dosť jednoduchý, ako ukazuje bloková schéma nižšie. Ukazuje princíp nastavený pre jednosmerný odkaz tohto formulára. Vysielač je vlastne napäťovo riadený oscilátor (VCO) a ako napovedá nadpis, výstupná frekvencia z tohto prevedenia sa dá upraviť pomocou riadiaceho napätia.

Týmto napätím môže byť prenos zvukového vstupu a keď bude signálne napätie kmitať hore a dole, bude sa meniť aj výstupná frekvencia VCO. A dolnopriepustný filter je zabudovaný na spresnenie zvukového vstupného signálu pred jeho použitím na VCO.

To pomáha zabrániť tomu, aby sa heterodynové „píšťalky“ produkovali z dôvodu rytmických tónov medzi napäťovo riadeným oscilátorom a akýmikoľvek vysokofrekvenčnými vstupnými signálmi.

Vstupný signál zvyčajne pokryje iba frekvenčný rozsah zvuku, ale na vyšších frekvenciách môžete nájsť obsah skreslenia a rádiové signály sa zachytávajú z káblov a interagujú so signálom VCO alebo harmonickými okolo výstupného signálu VCO.

Vysielacie zariadenie, ktorým môže byť jednoducho LED, je poháňané výstupom VCO. Pre optimálny výsledok je táto LED zvyčajne a vysoký výkon typu LED . To si vyžaduje použitie fázy vyrovnávacej pamäte vodiča na prevádzku LED napájania.

Táto ďalšia etapa je a monostabilný multivibrátor ktorý musí byť navrhnutý ako typ bez možnosti opätovného spustenia.

To umožňuje javisku generovať výstupné impulzy v intervaloch určených sieťou časovania C / R, ktorá je nezávislá od trvania vstupného impulzu.

Prevádzková krivka

To poskytuje ľahkú, ale efektívnu premenu frekvencie na napätie, pričom priebeh vlny, ako je znázornený na nasledujúcom obrázku, jasne vysvetľuje jeho prevádzkový vzorec.

Na obrázku (a) generuje vstupná frekvencia výstup z monostabilného prístroja s pomerom značkových priestorov 1: 3 a výstup je vo vysokom stave po dobu 25% času.

Priemerné výstupné napätie (ako je znázornené vo vnútri bodkovanej čiary) je výsledkom 1/4 výstupného stavu HIGH.

Na obrázku (b) vyššie vidíme, že vstupná frekvencia bola dvojnásobne zvýšená, čo znamená, že dostaneme dvakrát viac výstupných impulzov za určený časový interval s pomerom značkových priestorov 1: 1. To nám umožňuje získať priemerné výstupné napätie, ktoré je 50% z HIGH výstupného stavu, a 2-krát väčšiu veľkosť ako v predchádzajúcom príklade.

Jednoducho povedané, monostabilný nielen pomáha prevádzať frekvenciu na napätie, ale navyše umožňuje konverzii získať lineárnu charakteristiku. Samotný výstup z monostabilného prístroja nemôže vytvárať zvukový frekvenčný signál, pokiaľ nie je zabudovaný dolnopriepustný filter, ktorý zaisťuje stabilizáciu výstupu na správny zvukový signál.

Primárnym problémom tejto jednoduchej metódy premeny frekvencie na napätie je, že je potrebný vyšší útlm (v podstate 80 dB alebo vyšší) pri minimálnej výstupnej frekvencii VCO, aby bolo možné vytvoriť stabilizovaný výkon.

Ale táto metóda je skutočne jednoduchá a spoľahlivá v iných ohľadoch a spolu s modernými obvodmi nemusí byť ťažké navrhnúť stupeň výstupného filtra s primerane presným odrezaná charakteristika .

Malá úroveň signálu nadbytočnej nosnej na výstupe nemusí byť príliš kritická a možno ju ignorovať, pretože nosná frekvencia je zvyčajne na frekvenciách, ktoré nie sú v zvukovom rozsahu, a akýkoľvek únik na výstupe bude preto nepočuteľný.

Obvod vysielača optických vlákien

Celá schéma zapojenia vysielača z optických vlákien je uvedená nižšie. Nájdete veľa integrovaných obvodov vhodných na prácu ako VCO, spolu s mnohými ďalšími konfiguráciami zostavenými pomocou samostatných častí.

Ale pre nízkonákladovú techniku ​​je široko používaný NE555 sa stáva uprednostňovanou voľbou, a hoci je určite lacná, prichádza s pomerne dobrou výkonnosťou. Môže byť frekvenčne modulovaný integráciou vstupného signálu na pin 5 IC, ktorý sa spája s deličom napätia nakonfigurovaným na vytváranie spínacích limitov 1/3 V + a 2/3 V + pre IC 555.

Horná hranica sa v podstate zvyšuje a znižuje, aby sa čas, ktorý spotrebuje časovací kondenzátor C2 na prepínanie medzi dvoma rozsahmi, mohol zodpovedajúcim spôsobom zvýšiť alebo znížiť.

Tr1 je zapojený ako sledovač emitorov vyrovnávacia fáza, ktorá dodáva vysoký prúd pohonu potrebný na optimálne osvetlenie LED (D1). Aj keď samotný model NE555 ponúka dobrý prúd 200 mA pre LED, samostatný prúdový ovládač pre LED umožňuje presný a spoľahlivejšou metódou stanoviť požadovaný prúd LED.

R1 je umiestnený tak, aby fixoval prúd LED na približne 40 miliampéroch, ale keďže je LED zapnutá / vypnutá s rýchlosťou 50% pracovného cyklu, umožňuje LED pracovať iba s 50% skutočnej hodnoty, čo je asi 20 miliampérov.

Výstupný prúd je možné zvýšiť alebo znížiť úpravou hodnoty R1, kedykoľvek to bude potrebné.

Komponenty pre rezistory optických vlákien (všetky 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondenzátory
C1 = 220µ 10V vol
C2 = 390pF keramická doska
C3 = 1u 63V elekt
C4 = 330p keramická doska
C5 = 4n7 polyesterová vrstva
C6 = 3n3 polyesterová vrstva
C7 = 470n polyesterová vrstva
Polovodiče
IC1 = NE555
IC2 = 1458 ° C
Tr1 = BC141
D1 = pozri text
Zmiešaný
3,5mm jack zásuvka SK1
Doska s plošnými spojmi, puzdro, batéria atď

Obvod prijímača z optických vlákien

Schéma zapojenia primárneho optického prijímača je vidieť v hornej časti nižšie uvedeného diagramu, obvod výstupného filtra je nakreslený tesne pod obvodom prijímača. Výstup prijímača je možné vidieť spojený so vstupom filtra cez sivú čiaru.

D1 tvorí detektorová dióda , a pracuje v nastavení reverzného predpätia, v ktorom jeho únikový odpor pomáha vytvárať akýsi svetlo závislý rezistor alebo LDR efekt.

R1 funguje ako záťažový rezistor a C2 vytvára spojenie medzi fázou detektora a vstupom vstupného zosilňovača. Toto vytvára dvojstupňovú kapacitne prepojenú sieť, kde dva stupne fungujú spoločne v spoločný žiarič režim.

To umožňuje vynikajúci celkový zosilnenie napätia viac ako 80 dB. za predpokladu, že je dodávaný dosť silný vstupný signál, ponúka to adekvátne vysoké kmitanie výstupného napätia na kolektorovom kolíku Tr2, aby sa tlačila monostabilný multivibrátor .

Posledný z nich je štandardný typ CMOS skonštruovaný pomocou dvoch 2-vstupových brán NOR (IC1a a IC1b) s C4 a R7 fungujúcich ako časovacie prvky. Druhá dvojica brán IC1 sa nepoužíva, aj keď ich vstupy možno vidieť zahnuté k zemi v snahe zabrániť nesprávnemu prepínaniu týchto brán v dôsledku zblúdilého snímania.

Pokiaľ ide o stupeň filtra postavený na IC2a ​​/ b, je to zásadne filtračný systém 2/3. Rádu (18 dB na oktávu) so špecifikáciami bežne používanými v vysielacie obvody . Tieto sú zapojené do série, aby sa dosiahlo celkom 6 pólov a všeobecná miera útlmu 36 dB na oktávu.

To ponúka približne 100 dB útlmu nosného signálu v jeho minimálnom frekvenčnom rozsahu a výstupný signál s relatívne nízkou úrovňou nosného signálu. Obvod optických vlákien dokáže pracovať so vstupným napätím vyšším ako 1 volt RMS približne bez kritického skreslenia a pomáha pracovať s nepatrne menším než jednotným ziskom napätia pre systém.

Komponenty pre prijímač a filter z optických vlákien

Rezistory (všetky 1/4 wattu, 5%)
R1 = 22 tis
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 až R15 10k (6 vyp.)
Kondenzátory
C1 = 100µ10V elektrolytický
C2 = 2n2 polyester
C3 = 2n2 polyester
C4 = 390p keramika
C5 = 1µ 63V elektrolytický
C6 = 3n3 polyester
C7 = 4n7 polyester
C8 = 330pF keramika
C9 = 3n3 polyester
C10 = 4n7 polyester

Polovodiče
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458 ° C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 zľavy)
D1 = Pozri text
Zmiešaný
SK1 = 25-cestný konektor D.
Skrinka, doska plošných spojov, drôt atď.