Оптична схема - Предавател и приемник

Електронните сигнали се изпращат доста успешно в продължение на десетилетия чрез стандартни „жични“ връзки или чрез използване на радиовръзки от различни видове, които имаха много недостатъци.

От друга страна, оптичните връзки, независимо дали се използват за аудио или видео връзки на дълги разстояния, или за обработка на малки разстояния, предлагат някои очевидни предимства в сравнение с нормалните кабелни кабели.

Как работи оптичната оптика

В технологията на оптичните влакна се използва оптична връзка за пренос на цифрови или аналогови данни във формата на светлинна честота през кабел, който има силно отразяващо централно ядро.

Вътрешно оптичното влакно се състои от силно отразяващо централно ядро, което действа като светлинен водач за прехвърляне на светлина през него посредством непрекъснати отражения на отразяващите стени.

Оптичната връзка обикновено включва схема на преобразувател на електрическа честота към светлинна честота, която преобразува цифровите или аудио сигналите в светлинна честота. Тази честота на светлината се „инжектира“ в един от краищата на оптичното влакно чрез a мощен светодиод . След това светлината се оставя да пътува през оптичния кабел до желаното местоназначение, където се приема от фотоклетка и усилвателна верига което преобразува светлинната честота обратно в оригиналната цифрова форма или аудио честотна форма.

Предимства на оптичната оптика

Едно от основните предимства на оптичните връзки е оптималният им имунитет срещу електрически смущения и отклонения.

Стандартните „кабелни“ връзки могат да бъдат проектирани, за да намалят този проблем, но може да е много предизвикателно напълно да се изкорени този проблем.

Напротив, неелектрическите характеристики на оптичен кабел помагат да се направят електрическите смущения без значение, с изключение на някои смущения, които могат да бъдат избрани в края на приемника, но това може да бъде премахнато и чрез ефективно екраниране на веригата на приемника.

По същия начин широколентовите сигнали, насочени през обикновен електрически кабел, често разсейват електрическите смущения, причинявайки заглушаване на радио и телевизионни сигнали в близост.

Но отново, в случай на оптичен кабел, той наистина може да се окаже напълно лишен от електрически емисии и въпреки че предавателният блок може да излъчи някакво радиочестотно излъчване, е доста лесно да го затворите, като използвате основни скринингови стратегии.

Поради този плюс, системите, включващи много оптични кабели, работещи заедно един до друг, нямат усложнения или проблеми с кръстосани разговори.

Разбира се, светлината може да изтече от един кабел към следващия, но оптичните кабели обикновено са капсулирани в светлоустойчива външна втулка, която в идеалния случай предотвратява всяка форма на изтичане на светлина.

Тази силна екранировка във оптични връзки осигурява разумно безопасен и надежден трансфер на данни.

Друго предимство е, че оптичните влакна са без проблеми с опасност от пожар, тъй като не участват електричество или висок ток.

Също така имаме добра електрическа изолация по цялата връзка, за да гарантираме, че усложненията със земните контури не могат да се развият. Чрез подходящи вериги за предаване и приемане става много подходящо за оптични връзки да се справят със значителни диапазони на честотната лента.

Широколентови връзки могат да бъдат създадени и чрез коаксиални захранващи кабели, въпреки че съвременните оптични кабели обикновено изпитват намалени загуби в сравнение с коаксиалните типове в приложения с широка честотна лента.

Оптичните кабели обикновено са тънки и леки, а също така имунизирани срещу климатични условия и няколко химически вещества. Това често им позволява да се прилагат бързо в негостоприемна обстановка или неблагоприятни сценарии, когато електрическите кабели, особено коаксиални типове, просто се оказват много неефективни.

Недостатъци

Въпреки че оптичната верига има толкова много предимства, те имат и няколко странични страни.

Очевидният недостатък е, че електрическите сигнали не могат да се прехвърлят директно в оптичен кабел и в няколко ситуации разходите и проблемите, възникнали с жизненоважните схеми на енкодера и декодера, са склонни да станат доста несъвместими.

Важно нещо, което трябва да запомните, докато работите с оптични влакна, е, че те обикновено имат определен най-малък диаметър и когато те са усукани с по-остра крива, се получават физически повреди по кабела в този завой, което го прави безполезен.

Радиусът на „минимален завой“, както обикновено се нарича в таблиците с данни, обикновено е между приблизително 50 и 80 милиметра.

Последицата от такива завои в нормален кабелен мрежов кабел може да бъде просто нищо, но за оптични кабели дори малки тесни завои могат да попречат на разпространението на светлинните сигнали, което води до драстични загуби.

Основи на оптичната оптика

Въпреки че може да ни се струва, че оптичният кабел просто е изграден от стъклена нишка, покрита с външна обвивка, устойчива на светлина, ситуацията всъщност е много по-напреднала от тази.

В днешно време стъклената нишка е предимно под формата на полимер, а не на истинско стъкло и стандартът може да бъде както е посочено на следващата фигура. Тук можем да видим централно ядро ​​с висок коефициент на пречупване и външен екран с намален показател на пречупване.

Пречупването, при което вътрешната нишка и външната облицовка си взаимодействат, дава възможност за преминаване на светлина през кабела чрез ефективно прескачане през стената до стената през целия кабел.

Именно това отскачане на светлината през стените на кабела прави възможно кабелът да се движи като светлинен водач, носейки плавно осветлението около ъглите и кривите.

Разпространение на светлина в режим с висока поръчка

Ъгълът, под който се отразява светлината, се определя от свойствата на кабела и входния ъгъл на светлината. На горната фигура светлинният лъч може да се види, поставен през „режим на висок ред“ размножаване.

Разпространение на светлина в режим на ниска поръчка

Ще откриете обаче кабели със светлина, захранвана с по-плитък ъгъл, който кара да скача между стените на кабела със значително широк ъгъл. Този по-нисък ъгъл позволява на светлината да пътува на относително по-голямо разстояние през кабела при всяко отскачане.

Тази форма на пренос на светлина се нарича „режим на ниска поръчка“ размножаване. Практическото значение и на двата режима е, че осветяването през кабела в режим на висок ред трябва да пътува значително по-далеч в сравнение със светлината, която се разпространява в режим на нисък ред. Това зацапва сигналите, подавани надолу по кабела, намалявайки честотния диапазон на приложението.

Това обаче е от значение само при изключително широки честотни ленти.

Еднорежимен кабел

Ние също имаме „Единичен режим“ тип кабели, които са предназначени просто за разрешаване на единичен режим на разпространение, но всъщност не се изисква да се използва тази форма на кабел със сравнително тесни техники на честотна лента, подробно описани в тази статия. По-нататък може да срещнете алтернативен вид кабел с име „степенуван индекс“ кабел.

Това всъщност е доста подобно на дискутирания по-рано стъпаловиден индексен кабел, въпреки че съществува прогресивна трансформация от висок индекс на пречупване близо до центъра на кабела до намалена стойност близо до външната втулка.

Това кара светлината да преминава дълбоко през кабела по доста подобен начин, както е обяснено по-рано, но светлината трябва да премине през извит маршрут (както е на следващата фигура), вместо да се разпространява през прави линии.

Размери на оптичните влакна

Типичният размер на кабелите с оптични влакна е 2,2 милиметра със среден размер на вътрешното влакно около 1 милиметър. Можете да намерите няколко конектора, достъпни за връзки през този размер на кабела, в допълнение към редица системи, които се свързват към еднакво съвпадащи кабели.

Нормалната система на съединителя включва 'щепсел', който е монтиран на върха на кабела и го предпазва към клемата 'гнездо', която обикновено поставя скоби над платката, имаща гнездо за поместване на фотоклетката (която образува излъчвателя или детектора на оптичната система).

Фактори, влияещи върху дизайна на оптичната верига

Един ключов аспект, който трябва да се запомни във влакнестата оптика, са пиковите спецификации на излъчвателя фотоклетка за дължината на вълната на светлината. Това трябва да бъде идеално избрано, за да съответства на честотата на предаване с подходяща чувствителност.

Вторият фактор, който трябва да запомните, е, че кабелът ще бъде определен само с ограничен диапазон на честотната лента, което означава, че загубите трябва да бъдат възможно най-малки.

Оптичните сензори и предаватели, които обикновено се използват в оптичните влакна, са най-вече оценени да работят в инфрачервен обхват с изключителна ефективност, докато някои може да са предназначени да работят най-добре със спектъра на видимата светлина.

Кабелите за оптични влакна често се доставят с недовършени крайни краища, което може да бъде много непродуктивно, освен ако краищата не са подходящо изрязани и обработени.

Обикновено кабелът ще осигури прилични ефекти, когато бъде нарязан под прав ъгъл с остър като бръснач нож за моделиране, като нарязва чиста края на кабела с едно действие.

Фин файл може да се използва за полиране на нарязаните краища, но ако току-що сте изрязали краищата, това може да не помогне за значително подобряване на ефективността на светлината. От решаващо значение е рязането да е рязко, хрупкаво и перпендикулярно на диаметъра на кабела.

Ако рязането има някакъв ъгъл, може силно да влоши ефективността поради отклонение в ъгъла на подаването на светлина.

Проектиране на проста оптична система

Основен начин да започнете за всеки, който иска да изпробва нещата с оптични комуникации, би бил създаването на аудио връзка.

В най-елементарната си форма това може да включва проста схема на амплитудна модулация, която варира LED предавател яркост в съответствие с амплитудата на входния аудио сигнал.

Това би довело до еквивалентно модулираща токова реакция през приемника на фотоклетката, която ще бъде обработена, за да генерира съответно променящо се напрежение в изчисления резистор на натоварване последователно с фотоклетката.

Този сигнал ще бъде усилен, за да достави изходния аудио сигнал. В действителност този фундаментален подход може да дойде със своите недостатъци, основният може да е просто недостатъчна линейност от фотоклетките.

Липсата на линейност влияе под формата на пропорционално ниво на изкривяване на оптичната връзка, което впоследствие може да бъде с лошо качество.

Метод, който обикновено предлага значително по-добри резултати, е система за честотна модулация, която по същество е идентична на системата, използвана в стандарта УКВ радио излъчвания .

Въпреки това, в такива случаи е включена носеща честота от около 100 kHz вместо конвенционалните 100 MHz, използвани в радиопредаването от 2 ленти.

Този подход може да бъде доста прост, както е показано на блок-схемата по-долу. Той демонстрира принципа, създаден за еднопосочна връзка на тази форма. Предавателят всъщност е осцилатор с контролирано напрежение (VCO) и както подсказва заглавието, изходната честота от този дизайн може да се регулира чрез управляващо напрежение.

Това напрежение може да бъде входното предаване на звука и тъй като напрежението на сигнала се колебае нагоре и надолу, така ще се изменя и изходната честота на VCO. A нискочестотен филтър е включен за прецизиране на аудио входния сигнал, преди да бъде приложен към VCO.

Това помага да се предпази хетеродинните „свирки“ далеч от произвеждането поради ноти на ритъма между осцилатора, контролиран от напрежението, и всякакви високочестотни входни сигнали.

Обикновено входният сигнал ще покрива само аудиочестотния диапазон, но може да откриете съдържание на изкривяване при по-високи честоти и радиосигнали, които се улавят от окабеляването и взаимодействат с VCO сигнала или хармониците около изходния сигнал на VCO.

Излъчващото устройство, което може да бъде просто светодиод, се задвижва от изхода на VCO. За оптимален резултат този светодиод обикновено е a LED тип с висока мощност . Това налага използване на етап буфер на драйвера за управление на мощността на светодиода.

Този следващ етап е a моностабилен мултивибратор които трябва да бъдат проектирани като тип, който не може да се повтори.

Това позволява на етапа да генерира изходни импулси през интервали, определени от C / R мрежата за синхронизация, която е независима от продължителността на входния импулс.

Оперативна форма на вълната

Това осигурява лесно, но ефективно преобразуване на честота в напрежение, като формата на вълната, както е изобразена на следващата фигура, ясно обяснява нейния работен модел.

На фигура (а) входната честота генерира изход от моностабилния със съотношение 1 до 3 марки и пространство, а изходът е във високо състояние за 25% от времето.

Средното изходно напрежение (както е показано в пунктираната линия) е в резултат 1/4 от състоянието на HIGH на изхода.

На фигура (b) по-горе можем да видим, че входната честота е увеличена с два пъти, което означава, че получаваме два пъти повече изходни импулси за определен интервал от време със съотношение на пространството за маркиране 1: 1. Това ни позволява да получим средно изходно напрежение, което е 50% от ВИСОКОто изходно състояние и 2 пъти повече от предишния пример.

С прости думи, моностабилният не само помага да преобразува честотата в напрежение, но допълнително позволява преобразуването да получи линейна характеристика. Изходът само от моностабилния не може да изгради звуков честотен сигнал, освен ако не е вграден нискочестотен филтър, който гарантира, че изходът е стабилизиран в правилен аудио сигнал.

Основният проблем с този прост метод за преобразуване на честота в напрежение е, че се изисква по-високо затихване (по същество 80 dB или по-високо) при минималната изходна честота на VCO, за да може да се създаде стабилизиран изход.

Но този метод е наистина прост и надежден по други съображения и заедно със съвременните схеми може да не е трудно да се проектира етап на изходен филтър, който да има подходящо точен отсечена характеристика .

Малко ниво на излишен носещ сигнал на изхода може да не е прекалено критично и може да бъде игнорирано, тъй като носителят обикновено е на честоти, които не са в рамките на звуковия обхват, и в резултат на това изтичането на изхода ще бъде нечуто.

Оптична верига на предавателя

Цялата електрическа схема на оптичния предавател може да се види по-долу. Ще намерите много интегрални схеми, подходящи за работа като VCO, заедно с много други конфигурации, изградени с помощта на дискретни части.

Но за евтина техника широко използваната NE555 се превръща в предпочитан вариант и макар със сигурност да е евтин, но се предлага с доста добра ефективност на работата. Той може да бъде модулиран по честота чрез интегриране на входния сигнал към щифт 5 на IC, който се свързва с делителя на напрежението, конфигуриран да създаде граници на превключване 1/3 V + и 2/3 V + за IC 555.

По същество горната граница се увеличава и намалява, така че времето, необходимо за превключване на синхронизиращия кондензатор С2 между двата диапазона, да може съответно да бъде увеличено или намалено.

Tr1 е свързан като последовател на излъчвателя буферна степен, която доставя високия ток на задвижване, необходим за оптимално осветяване на светодиода (D1). Въпреки че самият NE555 се отличава с добър ток от 200 mA за светодиода, отделен управляван по ток драйвер за светодиода позволява да се установи желаният LED ток по точен начин и чрез по-надежден метод.

R1 е позициониран да фиксира светодиодния ток на приблизително 40 милиампера, но тъй като светодиодът е включен / изключен със скорост от 50%, работният цикъл позволява на светодиода да работи само с 50% от действителната номинална стойност, което е около 20 милиампера.

Изходният ток може да бъде увеличен или намален чрез регулиране на стойността R1, когато това се почувства необходимо.

Компоненти за резистори с оптичен предавател (всички 1/4 вата, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Кондензатори
C1 = 220µ 10V избор
C2 = 390pF керамична плоча
C3 = 1u 63V изб
C4 = 330p керамична плоча
C5 = 4n7 полиестерен слой
C6 = 3n3 полиестерен слой
C7 = 470n полиестерен слой
Полупроводници
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = виж текста
Разни
SK1 3,5 мм жак
Платка, кутия, батерия и др

Оптична схема на приемника

Схемата на първичния оптичен приемник на оптични влакна може да се види в горния раздел на диаграмата по-долу, веригата на изходния филтър е нарисувана точно под веригата на приемника. Изходът на приемника може да се види, свързан с входа на филтъра през сива линия.

D1 образува детектор диод и работи при настройка на обратното пристрастие, при която неговата устойчивост на течове помага да се създаде вид светлозависим резистор или LDR ефект.

R1 работи като товарен резистор, а C2 създава връзка между каскада на детектора и входа на входния усилвател. Това формира двустепенна капацитивно свързана мрежа, където двата етапа функционират заедно в общ излъчвател режим.

Това позволява превъзходно общо усилване на напрежението над 80 dB. като се има предвид, че се подава доста мощен входен сигнал, това предлага достатъчно високо трептене на изходното напрежение на щифта на колектора Tr2, за да изтласка моностабилен мултивибратор .

Последният е стандартен тип CMOS, изграден с помощта на няколко входа NOR с 2 входа (IC1a и IC1b) с C4 и R7, функциониращи като синхронизиращи елементи. Другите няколко порти на IC1 не се използват, въпреки че техните входове могат да се видят закачени на земята в опит да се спре фалшивото превключване на тези порти поради отклоняване.

По отношение на етапа на филтриране, изграден около IC2a ​​/ b, той по същество представлява филтърни системи от 2/3-ти ред (18 dB на октава) със спецификации, често използвани в вериги на предавателя . Те се обединяват последователно, за да се установят общо 6 полюса и обща степен на затихване от 36 dB на октава.

Това предлага приблизително 100 dB затихване на носещия сигнал в неговия минимален честотен диапазон и изходен сигнал с относително ниски нива на носещ сигнал. Оптичната верига може да се справи с входни напрежения до 1 волта RMS приблизително без критично изкривяване и да помогне за работа с малко по-малко от единично усилване на напрежението за системата.

Компоненти за оптичен приемник и филтър

Резистори (всички 1/4 вата 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 до R15 10k (6 отстъпки)
Кондензатори
C1 = 100µ10V електролитен
C2 = 2n2 полиестер
C3 = 2n2 полиестер
C4 = 390p керамика
C5 = 1µ 63V електролитен
C6 = 3n3 полиестер
C7 = 4n7 полиестер
C8 = 330pF керамика
C9 = 3n3 полиестер
C10 = 4n7 полиестер

Полупроводници
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 отстъпки)
D1 = Вижте текста
Разни
SK1 = 25 пътен D конектор
Калъф, платка, тел и др.