Optisko šķiedru shēma - raidītājs un uztvērējs

Elektroniskie signāli gadu desmitiem ir diezgan veiksmīgi nosūtīti, izmantojot standarta “vadu” savienojumus vai izmantojot dažāda veida radio saites, kurām bija daudz trūkumu.

No otras puses, optisko šķiedru saites neatkarīgi no tā, vai tās izmanto audio vai video saitēm lielos attālumos vai nelielu attālumu apstrādei, piedāvā dažas atšķirīgas priekšrocības salīdzinājumā ar parastajiem vadu kabeļiem.

Kā darbojas optiskā šķiedra

Optisko šķiedru ķēžu tehnoloģijā optisko šķiedru saite tiek izmantota digitālo vai analogo datu pārsūtīšanai gaismas frekvences formā caur kabeli, kam ir ļoti atstarojošs centrālais kodols.

Iekšēji optiskā šķiedra sastāv no ļoti atstarojoša centrālā kodola, kas darbojas kā gaismas virzītājs, lai gaismu pārnestu caur to, izmantojot nepārtrauktas refleksijas atstarojošās sienas.

Optiskā saite parasti ietver elektrisko frekvenci pret gaismas frekvences pārveidotāju, kas pārveido ciparu vai audio signālus gaismas frekvencē. Šī gaismas frekvence tiek “ievadīta” vienā no optiskās šķiedras galiem caur a jaudīgs LED . Pēc tam gaismai caur optisko kabeli ir atļauts virzīties uz paredzēto galamērķi, kur to uztver fotoelements un pastiprinātāja shēma kas pārveido gaismas frekvenci atpakaļ sākotnējā digitālajā formā vai audio frekvences formā.

Šķiedru optikas priekšrocības

Viena no optisko šķiedru ķēžu saikņu galvenajām priekšrocībām ir to pilnīga imunitāte pret elektriskiem traucējumiem un klaiņojošām uzņemšanām.

Varētu izveidot standarta “kabeļu” saites, lai mazinātu šo problēmu, tomēr šo problēmu pilnībā izskaust var būt ļoti grūti.

Gluži pretēji, optiskās šķiedras kabeļa neelektriskās īpašības palīdz padarīt elektriskus traucējumus nemateriālus, izņemot dažus traucējumus, kurus varēja uztvert uztvērēja galā, taču tos var novērst arī, efektīvi aizsargājot uztvērēja ķēdi.

Gluži līdzīgi platjoslas signāli, kas tiek virzīti pa parastu elektrības kabeli, bieži izkliedē elektriskos traucējumus, izraisot radio un televīzijas signālu traucējumus tuvumā.

Bet atkal, optiskās šķiedras kabeļa gadījumā tas patiešām var izrādīties pilnīgi bez elektriskās emisijas, un, lai gan raidītāja bloks, iespējams, izspiež kādu radiofrekvenču starojumu, to ir diezgan vienkārši noslēgt, izmantojot pamata skrīninga stratēģijas.

Šī plus punkta dēļ sistēmām, kurās ir daudz optisko kabeļu, kas darbojas viens otram blakus, nav sarežģījumu vai problēmu ar savstarpējām sarunām.

Protams, gaisma, iespējams, var noplūst no viena kabeļa uz nākamo, taču optisko šķiedru kabeļi parasti ir iekapsulēti ar gaismas necaurlaidīgu ārējo apvalku, kas ideālā gadījumā novērš jebkāda veida gaismas noplūdi.

Šis spēcīgais optisko šķiedru saišu aizsegs nodrošina pietiekami drošu un uzticamu datu pārsūtīšanu.

Vēl viena priekšrocība ir tā, ka šķiedru optikai nav problēmu ar ugunsbīstamību, jo tajā netiek iesaistīta elektrība vai liela strāva.

Mums visā savienojumā ir arī laba elektriskā izolācija, lai nodrošinātu, ka zemes cilpas komplikācijas nespēj attīstīties. Izmantojot piemērotas raidīšanas un uztveršanas shēmas, tas kļūst labi piemērots optisko šķiedru saitēm, lai apstrādātu ievērojamus joslas platuma diapazonus.

Plašas joslas saites varētu izveidot arī ar koaksiālajiem strāvas kabeļiem, lai gan mūsdienu optikas kabeļiem plaša joslas platuma lietojumprogrammās parasti ir samazināti zaudējumi, salīdzinot ar koaksiālajiem tipiem.

Optiskie kabeļi parasti ir plāni un viegli, kā arī imūni pret klimatiskajiem apstākļiem un vairākām ķīmiskām vielām. Tas bieži ļauj tos ātri izmantot neviesmīlīgā vidē vai nelabvēlīgos apstākļos, kur elektriskie kabeļi, īpaši koaksiālie, vienkārši izrādās ļoti neefektīvi.

Trūkumi

Lai gan optiskās šķiedras ķēdei ir tik daudz priekšrocību, tām ir arī dažas apakšējās puses.

Acīmredzamais trūkums ir tāds, ka elektriskos signālus nevar tieši pārsūtīt optiskajā kabelī, un vairākās situācijās izmaksas un problēmas, ar kurām saskaras vitāli svarīgas kodētāja un dekodētāja shēmas, mēdz kļūt diezgan nesaderīgas.

Svarīga lieta, kas jāatceras, strādājot ar optiskajām šķiedrām, ir tas, ka tām parasti ir noteikts mazākais diametrs, un, ja tās savītas ar asāku līkni, kabelis šajā līkumā tiek fiziski bojāts, padarot to bezjēdzīgu.

“Minimālais liekuma” rādiuss, kā to parasti sauc par datu lapām, parasti ir aptuveni no 50 līdz 80 milimetriem.

Šādu izliekumu sekas parastajā vadu elektrības kabelī varētu būt tikai nekas, tomēr optisko šķiedru kabeļiem pat mazi, saspringti līkumi var kavēt gaismas signālu izplatīšanos, izraisot radikālus zaudējumus.

Šķiedru optikas pamati

Lai gan mums var šķist, ka optisko šķiedru kabeli vienkārši veido stikla pavedieni, kas pārklāti ar gaismas necaurlaidīgām ārējām piedurknēm, patiesībā situācija ir daudz progresīvāka nekā šī.

Mūsdienās stikla pavedieni galvenokārt ir polimēra, nevis faktiskā stikla formā, un uzstādītais standarts var būt tāds, kā izklāstīts nākamajā attēlā. Šeit mēs varam redzēt centrālo kodolu ar augstu refrakcijas indeksu un ārējo aizsargu ar samazinātu refrakcijas indeksu.

Refrakcija, ja mijiedarbojas iekšējais kvēldiegs un ārējais apšuvums, ļauj gaismai šķērsot kabeli, efektīvi lecot pa sienu līdz sienai līdz galam.

Tieši šī gaismas piepešana pāri kabeļa sienām ļauj kabelim darboties kā gaismas vadotnei, vienmērīgi pārnesot apgaismojumu ap stūriem un līkumiem.

Augstas kārtības režīma gaismas izplatīšanās

Leņķi, kurā gaisma atspoguļojas, nosaka kabeļa īpašības un gaismas ieejas leņķis. Iepriekš redzamajā attēlā gaismas staru var redzēt caur a 'augstas pasūtījuma režīms' pavairošana.

Zema pasūtījuma režīma gaismas izplatīšanās

Tomēr jūs atradīsit kabeļus ar gaismas padevi ar seklāku leņķi, kas lec starp kabeļu sienām ar ievērojami plašu leņķi. Šis apakšējais leņķis ļauj gaismai pārvietoties relatīvi lielākā attālumā caur kabeli katrā atlēcienā.

Šis gaismas pārneses veids tiek saukts 'zema pasūtījuma režīms' pavairošana. Abu šo režīmu praktiskā nozīme ir tāda, ka gaismai, izmantojot augsto pasūtījumu, caur kabeli ir jāceļo ievērojami tālāk, salīdzinot ar gaismu, kas izplatās zemas kārtas režīmā. Tas izsmērē signālus, kas tiek piegādāti pa kabeli, samazinot lietojuma frekvenču diapazonu.

Tomēr tas ir svarīgi tikai ārkārtīgi plaša joslas platuma saitēs.

Viena režīma kabelis

Mums ir arī “Vienrežīms” tipa kabeļi, kas paredzēti tikai viena izplatīšanās režīma iespējošanai, taču patiesībā nav jāizmanto šāda veida kabeļi ar salīdzinoši šauras joslas platuma metodēm, kas sīkāk aprakstītas šajā rakstā. Jūs varat arī sastapties ar cita veida kabeli, kas nosaukts 'šķirots indekss' kabelis.

Tas faktiski ir diezgan līdzīgs iepriekš apspriestajam pakāpeniskajam indeksa kabelim, lai gan pastāv pakāpeniska pārveidošanās no augsta refrakcijas indeksa kabeļa centra tuvumā uz samazinātu vērtību tuvu ārējai uzmavai.

Tas noved pie tā, ka gaisma dziļi šķērso kabeli diezgan līdzīgā veidā, kā paskaidrots iepriekš, bet gaismai jāiet cauri izliektam ceļam (kā parādīts nākamajā attēlā), nevis jāpāriet pa taisnām līnijām.

Optiskās šķiedras izmēri

Optisko šķiedru kabeļu tipiskais izmērs ir 2,2 milimetri, un vidējais iekšējās šķiedras izmērs ir aptuveni 1 milimetrs. Papildus vairākām sistēmām, kas savieno vienādi atbilstošus kabeļus, varat atrast vairākus savienotājus, kas pieejami savienojumiem visā šī izmēra kabeļos.

Parastā savienotāju sistēma ietver “kontaktdakšu”, kas ir uzstādīta uz kabeļa gala un nodrošina to pie “ligzdas” spailes, kas parasti ir iekavās virs shēmas plates ar slotu fotoelementa ievietošanai (kas veido izstarotāju vai detektoru). optiskā sistēma).

Faktori, kas ietekmē optisko šķiedru shēmu dizainu

Viens būtisks aspekts, kas jāatceras šķiedru optikā, ir izstarotāja maksimālās izejas specifikācijas fotoelements gaismas viļņa garumam. Tas ir ideāli jāizvēlas, lai pārraides frekvence atbilstu atbilstošai jutībai.

Otrs faktors, kas jāatceras, ir tas, ka kabelis tiks norādīts tikai ar ierobežotu joslas platuma diapazonu, kas nozīmē, ka zaudējumiem jābūt pēc iespējas mazākiem.

Optiskie sensori un raidītāji, ko parasti izmanto optiskajās šķiedrās, lielākoties ir novērtēti darbam pie infrasarkanais diapazons ar vislielāko efektivitāti, savukārt daži var būt paredzēti darbam ar redzamās gaismas spektru vislabāk.

Optisko šķiedru kabeļi bieži tiek piegādāti ar nepabeigtiem galiem, kas varētu būt ļoti neproduktīvi, ja vien galus pienācīgi neapgriež un neapstrādā.

Parasti kabelis nodrošinās pienācīgus efektus, kad tas tiek sagriezts taisnā leņķī ar asu modelēšanas nazi, vienā darbībā tīri sasmalcinot kabeļa galu.

Sagrieztu galu pulēšanai var izmantot smalku failu, taču, ja jūs tikai sagriezāt galus, tas var nepalīdzēt ievērojami uzlabot gaismas efektivitāti. Ir ļoti svarīgi, lai griezums būtu ass, kraukšķīgs un perpendikulārs kabeļa diametram.

Ja griešanai ir kāds leņķis, gaismas padeves leņķa novirzes dēļ var ievērojami pasliktināties efektivitāte.

Vienkāršas optiskās šķiedras sistēmas projektēšana

Pamata veids, kā sākt ikvienu, kurš vēlas izmēģināt lietas ar optisko šķiedru sakariem, būtu izveidot audio saiti.

Visvienkāršākajā formā tas var ietvert vienkāršu amplitūdas modulācijas shēmu, kas mainās LED raidītājs spilgtums atbilstoši audio ieejas signāla amplitūdai.

Tas izraisītu līdzvērtīgi modulējošu strāvas reakciju visā fotoelementu uztvērējā, kas tiktu apstrādāts, lai ģenerētu attiecīgi mainīgu spriegumu aprēķinātajā slodzes rezistorā virknē ar fotoelementu.

Šis signāls tiks pastiprināts, lai nodrošinātu audio izejas signālu. Patiesībā šai fundamentālajai pieejai var būt savi trūkumi, galvenā pieeja var būt vienkārši nepietiekama fotoelementu linearitāte.

Linearitātes trūkums ietekmē proporcionālu izkropļojumu līmeni optiskajā saitē, kas vēlāk var būt sliktas kvalitātes.

Metode, kas parasti piedāvā ievērojami labākus rezultātus, ir frekvences modulācijas sistēma, kas būtībā ir identiska standartā izmantotajai sistēmai VHF radio pārraides .

Tomēr šādos gadījumos tiek izmantota aptuveni 100 kHz nesēja frekvence, nevis tradicionālā 100 MHz, ko izmanto 2. joslas radio pārraidei.

Šī pieeja var būt diezgan vienkārša, kā parādīts zemāk esošajā blokshēmā. Tas parāda principu, kas izveidots šīs formas vienvirziena saiknei. Raidītājs faktiski ir ar spriegumu kontrolēts oscilators (VCO), un, kā norāda nosaukums, šīs konstrukcijas izejas frekvenci varētu noregulēt ar vadības spriegumu.

Šis spriegums var būt skaņas ieejas pārraide, un, kad signāla spriegums svārstās uz augšu un uz leju, tāpat būs arī VCO izejas frekvence. A zemfrekvences filtrs ir iestrādāts, lai uzlabotu audio ieejas signālu, pirms tas tiek piemērots VCO.

Tas palīdz noturēt heterodīna “svilpes”, lai nerastos, ņemot vērā sitienu notis starp sprieguma kontrolēto oscilatoru un visiem augstfrekvences ieejas signāliem.

Parasti ieejas signāls aptver tikai audio frekvenču diapazonu, taču augstākās frekvencēs var atrast traucējumu saturu, un radio signāli tiek uztverti no elektroinstalācijas un mijiedarbojas ar VCO signālu vai harmonikām ap VCO izejas signālu.

Izstarojošo ierīci, kas var būt vienkārši LED, vada VCO izeja. Optimālam rezultātam šī LED parasti ir a augstas jaudas LED tips . Tas prasa vadītāja bufera posma izmantošana LED strāvas darbināšanai.

Šis nākamais posms ir a monostabils multivibrators kas jāprojektē kā neizvelkams tips.

Tas ļauj posmam ģenerēt izejas impulsus ar intervāliem, ko nosaka C / R laika tīkls, kas nav atkarīgs no ieejas impulsa ilguma.

Darbības viļņu forma

Tas nodrošina vieglu, tomēr efektīvu frekvences pārveidošanu spriegumam, un viļņu forma, kā parādīts nākamajā attēlā, skaidri izskaidro tā darbības modeli.

Attēlā (a) ieejas frekvence ģenerē izeju no monostabila ar 1 līdz 3 atzīmes un atstarpes attiecību, un izeja ir augstā stāvoklī 25% laika.

Rezultātā vidējais izejas spriegums (kā attēlots punktētās līnijas iekšpusē) ir 1/4 no izejas HIGH stāvokļa.

Iepriekš attēlā (b) mēs varam redzēt, ka ieejas frekvence ir palielināta divas reizes, tas nozīmē, ka mēs saņemam divas reizes vairāk izejas impulsu noteiktā laika intervālā ar atzīmes atstarpes attiecību 1: 1. Tas ļauj mums iegūt vidējo izejas spriegumu, kas ir 50% no HIGH izejas stāvokļa, un 2 reizes vairāk nekā iepriekšējā piemērā.

Vienkārši sakot, monostabils ne tikai palīdz pārveidot frekvenci spriegumā, bet tas papildus ļauj pārveidošanai iegūt lineāru raksturlielumu. Tikai monostabila izeja nevar izveidot audio frekvences signālu, ja vien nav iebūvēts zemfrekvences filtrs, kas nodrošina izejas stabilizāciju pareizā audio signālā.

Primārā problēma ar šo vienkāršo frekvences pārveidošanu sprieguma pārveidošanas metodē ir tā, ka pie minimālās VCO izejas frekvences ir nepieciešama augstāka līmeņa vājināšanās (būtībā 80 dB vai lielāka), lai varētu radīt stabilizētu izeju.

Bet šī metode ir patiešām vienkārša un uzticama citiem apsvērumiem, un kopā ar modernām shēmām var nebūt grūti izstrādāt izejas filtra pakāpi ar pietiekami precīzu nogriezts raksturlielums .

Neliels nesēja signāla līmenis izejā var nebūt pārāk kritisks un to var ignorēt, jo nesējs parasti atrodas frekvencēs, kas nav audio diapazonā, un jebkura noplūde izejā rezultātā nebūs dzirdama.

Optisko šķiedru raidītāja shēma

Visu optisko šķiedru raidītāju shēmu var redzēt zemāk. Jūs atradīsit daudzas integrētās shēmas, kas piemērotas darbam kā VCO, kā arī daudzas citas konfigurācijas, kas izveidotas, izmantojot atsevišķas detaļas.

Bet par zemu izmaksu tehniku ​​plaši izmanto NE555 kļūst par vēlamo variantu, un, lai arī tas noteikti ir lēts, tomēr tam ir diezgan laba veiktspējas efektivitāte. To var modulēt ar frekvenci, integrējot ieejas signālu IC 5. kontaktā, kas savienojas ar sprieguma dalītāju, kas konfigurēts, lai izveidotu 1/3 V + un 2/3 V + komutācijas robežas IC 555.

Būtībā augšējā robeža tiek palielināta un samazināta, lai laiku, kas patērēts laika kondensatoram C2, lai pārslēgtos starp diviem diapazoniem, varētu attiecīgi palielināt vai samazināt.

Tr1 ir vads kā izstarotājs sekotājs bufera posms, kas nodrošina lielu piedziņas strāvu, kas nepieciešama LED (D1) optimālai apgaismošanai. Kaut arī NE555 pati par sevi ir laba 200 mA strāva LED, atsevišķs strāvas kontrolēts LED draiveris ļauj precīzi noteikt vēlamo LED strāvu un izmantojot ticamāku metodi.

R1 ir novietots, lai fiksētu LED strāvu aptuveni 40 miliamperos, bet, tā kā gaismas diode tiek ieslēgta / izslēgta ar 50% darba ciklu, tas ļauj LED darboties tikai ar 50% no faktiskā vērtējuma, kas ir aptuveni 20 miliamps.

Izejas strāvu varētu palielināt vai samazināt, pielāgojot R1 vērtību, kad vien tas var šķist vajadzīgs.

Optisko šķiedru raidītāju rezistoru komponenti (visi 1/4 vati, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondensatori
C1 = 220µ 10V ievēlēts
C2 = 390pF keramikas plāksne
C3 = 1u 63V ievēlēts
C4 = 330p keramikas plāksne
C5 = 4n7 poliestera slānis
C6 = 3n3 poliestera slānis
C7 = 470n poliestera slānis
Pusvadītāji
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = skatīt tekstu
Dažādi
SK1 3,5 mm ligzdas ligzda
Shēmas plate, korpuss, akumulators utt

Optisko šķiedru uztvērēju ķēde

Primārā optiskās šķiedras uztvērēja ķēdes shēma ir redzama zemāk redzamās diagrammas augšējā sadaļā, izejas filtra ķēde ir uzzīmēta tieši zem uztvērēja ķēdes. Uztvērēja izeju var redzēt savienotu ar filtra ievadi caur pelēku līniju.

D1 veido detektora diode , un tas darbojas apgrieztā slīpuma iestatījumā, kurā tā noplūdes pretestība palīdz radīt sava veida gaismas atkarīgu rezistoru vai LDR efektu.

R1 darbojas kā slodzes rezistors, un C2 izveido saiti starp detektora pakāpi un ieejas pastiprinātāja ieeju. Tas veido divpakāpju kapacitatīvi saistītu tīklu, kurā abi posmi darbojas kopā parasts izstarotājs režīmā.

Tas ļauj izcilu kopējo sprieguma pieaugumu, kas lielāks par 80 dB. ņemot vērā to, ka tiek piegādāts diezgan jaudīgs ieejas signāls, tas piedāvā pietiekami augstu izejas sprieguma svārstību pie Tr2 kolektora tapas, lai monostabils multivibrators .

Pēdējais ir standarta CMOS tips, kas būvēts, izmantojot divus 2 ieejas NOR vārtus (IC1a un IC1b) ar C4 un R7, kas darbojas kā laika elementi. Pārējie pāris IC1 vārti netiek izmantoti, lai gan to ieejas var redzēt saķertas ar zemi, cenšoties apturēt šo vārtu nepatiesu pārslēgšanos klaiņojošas uzņemšanas dēļ.

Atsaucoties uz filtru pakāpi, kas izveidota ap IC2a ​​/ b, tā būtībā ir 2/3 pakāpes (18 dB uz oktāvu) filtru sistēma ar specifikācijām, kuras parasti izmanto raidītāju shēmas . Tie ir savienoti virknē, lai izveidotu 6 polus un vispārējo vājināšanas ātrumu 36 dB uz oktāvu.

Tas nodrošina nesēja signāla vājinājumu aptuveni 100 dB minimālajā frekvenču diapazonā un izejas signālu ar relatīvi zemu nesēja signāla līmeni. Optisko šķiedru shēma var tikt galā ar ieejas spriegumiem, kas ir aptuveni 1 volti RMS, bez kritiskiem traucējumiem, un var palīdzēt strādāt ar nedaudz mazāku nekā vienības sprieguma pieaugumu sistēmā.

Optisko šķiedru uztvērēju un filtru komponenti

Rezistori (visi 1/4 vati 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 līdz R15 10k (6 atlaides)
Kondensatori
C1 = 100µ10V elektrolītisks
C2 = 2n2 poliesteris
C3 = 2n2 poliesteris
C4 = 390p keramika
C5 = 1µ 63V elektrolītisks
C6 = 3n3 poliesteris
C7 = 4n7 poliesteris
C8 = 330 pF keramika
C9 = 3n3 poliesteris
C10 = 4n7 poliesteris

Pusvadītāji
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 atlaides)
D1 = Skatīt tekstu
Dažādi
SK1 = 25 ceļu D savienotājs
Korpuss, shēma, vads utt.