Optički sklop - odašiljač i prijamnik

Elektronički se signali već desetljećima vrlo uspješno šalju standardnim 'žičanim' vezama ili korištenjem radio veza različitih vrsta koje su imale brojne nedostatke.

S druge strane, optičke veze, bilo da se koriste za audio ili video veze na velikim dometima ili za obradu malih udaljenosti, nude neke posebne prednosti u usporedbi s uobičajenim žičanim kabelima.

Kako optička vlakna djeluju

U tehnologiji optičkih vlakana veza optičkih vlakana koristi se za prijenos digitalnih ili analognih podataka u obliku svjetlosne frekvencije kroz kabel koji ima visoko reflektirajuću središnju jezgru.

Optičko vlakno se iznutra sastoji od visoko reflektirajuće središnje jezgre koja djeluje poput svjetlosnog vodiča za prijenos svjetlosti kroz njega kontinuiranim refleksijama na svojim reflektirajućim zidovima.

Optička veza obično uključuje krug pretvarača električne frekvencije u svjetlosnu frekvenciju, koji digitalne ili audio signale pretvara u svjetlosnu frekvenciju. Ova se frekvencija svjetlosti 'ubrizgava' na jedan od krajeva optičkog vlakna kroz snažna LED . Zatim se svjetlu omogućuje putovanje kroz optički kabel do željenog odredišta, gdje ga primaju fotoćelija i antena krug pojačala koji pretvara frekvenciju svjetlosti natrag u izvorni digitalni oblik ili oblik audio frekvencije.

Prednosti svjetlovodne optike

Jedna od glavnih prednosti veza optičkih vlakana je njihova savršena otpornost na električne smetnje i zalutale prolaze.

Standardne 'kabelske' veze mogle bi se dizajnirati kako bi se ovaj problem smanjio, no možda je puno izazovno potpuno iskorijeniti ovaj problem.

Suprotno tome, neelektrične karakteristike svjetlovodnog kabela pomažu da električne smetnje budu nematerijalne, osim nekih smetnji koje bi se mogle pojaviti na kraju prijemnika, ali to se također može ukloniti učinkovitim oklopom kruga prijemnika.

Potpuno slično, širokopojasni signali usmjereni preko uobičajenog električnog kabela često raspršuju električne smetnje uzrokujući ometanje radio i televizijskih signala u blizini.

Ali opet, u slučaju svjetlovodnog kabela on se uistinu može pokazati potpuno lišenim električnih emisija, pa iako odašiljačka jedinica može pokretati neko radiofrekvencijsko zračenje, prilično je jednostavno priložiti ga koristeći osnovne strategije probira.

Zahvaljujući ovoj pozitivnoj točki, sustavi koji uključuju mnogo optičkih kabela koji rade jedan uz drugi nemaju komplikacija ili problema s unakrsnim razgovorima.

Naravno, svjetlost bi mogla procuriti iz jednog kabela u sljedeći, ali optički kablovi obično su zatvoreni u svjetlosnu nepropusnu vanjsku čahuru koja idealno sprječava bilo kakav oblik propuštanja svjetlosti.

Ova snažna zaštita u optičkim vezama osigurava relativno siguran i pouzdan prijenos podataka.

Još jedna prednost je što optička vlakna nemaju problema s opasnošću od požara, jer nije uključena struja ili velika struja.

Također imamo dobru električnu izolaciju kroz cijelu vezu kako bismo osigurali da se ne mogu razviti komplikacije sa zemaljskim petljama. Kroz odgovarajuće krugove prijenosa i prijema postaje dobro prikladno za optičke veze za obradu značajnih opsega propusnosti.

Široke propusne veze mogu se stvoriti i putem koaksijalnih kabela za napajanje, iako moderni optički kabeli obično imaju smanjene gubitke u usporedbi s koaksijalnim tipovima u primjenama široke propusnosti.

Optički kabeli su obično tanki i lagani, a također imuni na klimatske uvjete i nekoliko kemijskih tvari. To im često omogućuje brzu primjenu u negostoljubivom okruženju ili nepovoljnim scenarijima gdje se električni kabeli, posebno koaksijalni tipovi, jednostavno pokažu vrlo neučinkovitima.

Mane

Iako optički sklop ima toliko prednosti, oni imaju i nekoliko donjih strana.

Očigledni nedostatak je taj što se električni signali ne mogu prenijeti izravno u optički kabel, a u nekoliko situacija troškovi i problemi s vitalnim krugovima kodera i dekodera postaju prilično nekompatibilni.

Ključna stvar koju treba imati na umu tijekom rada s optičkim vlaknima je da obično imaju određeni najmanji promjer, a kada su uvijeni oštrijom krivuljom, kabel na tom zavoju uzrokuje fizička oštećenja, što ga čini beskorisnim.

Minimalni radijus savijanja, kako se to obično naziva u tablicama podataka, obično je između približno 50 i 80 milimetara.

Posljedica takvih zavoja u normalnom žičanom mrežnom kabelu ne može biti ništa, međutim za optičke kablove čak i mali uski zavoji mogu ometati širenje svjetlosnih signala što dovodi do drastičnih gubitaka.

Osnove optičkih vlakana

Iako nam se može činiti da je optički kabel jednostavno sastavljen od staklene niti prekrivene unutarnjim svjetlosnim otpornim omotačem, situacija je zapravo puno naprednija od ove.

Danas je staklena nit uglavnom u obliku polimera, a ne stvarnog stakla, a postavljeni standard može biti kao što je prikazano na sljedećoj slici. Ovdje možemo vidjeti središnju jezgru koja ima visok indeks loma i vanjski štit sa smanjenim indeksom loma.

Refrakcija tamo gdje unutarnja nit i vanjska obloga međusobno djeluju omogućuju svjetlosno kretanje kroz kabel učinkovitim preskakanjem preko zida do zida do kraja kroz kabel.

Upravo to odbijanje svjetlosti preko zidova kabela omogućuje kabelu da prolazi poput svjetlosne vodilice, nesmetano noseći osvjetljenje oko uglova i krivina.

Razmnožavanje svjetlosti u načinu visokog reda

Kut pod kojim se svjetlost odražava određuje se svojstvima kabela i ulaznim kutom svjetlosti. Na gornjoj slici se vidi svjetlosna zraka provučena kroz 'način visokog reda' razmnožavanje.

Proširenje svjetlosti u načinu niskog reda

Međutim, pronaći ćete kabele s svjetlošću koja se napaja s plićim kutom zbog čega se odbija između zidova kabela s znatno širokim kutom. Ovaj donji kut omogućuje svjetlost da putuje na relativno većoj udaljenosti kroz kabel pri svakom odbijanju.

Ovaj oblik prijenosa svjetlosti naziva se 'način niskog reda' razmnožavanje. Praktično značenje oba ova načina je da svjetlost koja izlazi kroz kabel u načinu visokog reda mora putovati znatno dalje u usporedbi sa svjetlošću koja se širi u načinu niskog reda. To razmazuje signale koji se prenose niz kabel smanjujući frekvencijski raspon aplikacije.

Međutim, ovo je relevantno samo za izuzetno širokopojasne veze.

Kabel s jednim načinom rada

Također imamo 'Jedan način rada' kablovi koji su namijenjeni jednostavno za omogućavanje jednog načina širenja, ali zapravo nije potrebno koristiti ovaj oblik kabela s razmjerno uskim propusnim tehnikama detaljno opisanim u ovom članku. Dalje možete naići na zamjensku vrstu kabela s imenom 'stupnjevani indeks' kabel.

Ovo je zapravo prilično slično stupnjevitom indeksnom kablu o kojem smo ranije govorili, iako postoji progresivna transformacija od visokog indeksa loma blizu središta kabela do smanjene vrijednosti blizu vanjske čahure.

To uzrokuje da svjetlost prolazi duboko preko kabela na prilično sličan način kao što je ranije objašnjeno, ali s tim da svjetlost mora proći zakrivljenu rutu (kao na sljedećoj slici), umjesto da se širi ravnim linijama.

Dimenzije optičkih vlakana

Tipična dimenzija kabela s optičkim vlaknima je 2,2 milimetra s prosječnom dimenzijom unutarnjeg vlakna oko 1 milimetar. Možete pronaći nekoliko priključaka dostupnih za veze preko ove veličine kabela, uz niz sustava koji se spajaju na podudarne kabele.

Uobičajeni sustav konektora uključuje 'utikač' koji je instaliran na vrh kabela i štiti ga do terminala 'utičnica' koji se obično drži preko pločice koja ima utor za smještaj fotoćelije (koja tvori emiter ili detektor optički sustav).

Čimbenici koji utječu na dizajn optičkih vlakana

Jedan presudni aspekt koji treba imati na umu u optičkoj vlakni su vršne izlazne specifikacije emitera fotoćelija za valnu duljinu svjetlosti. Ovo mora biti idealno odabrano kako bi podudaralo frekvenciju prijenosa s odgovarajućom osjetljivošću.

Drugi čimbenik koji treba zapamtiti jest da će kabel biti naveden samo s ograničenim opsegom propusnosti, što znači da gubici moraju biti što manji.

Optički senzori i odašiljači koji se obično koriste u optičkim vlaknima uglavnom su ocijenjeni da rade na infracrveni domet s najvećom učinkovitošću, dok će nekima možda biti namijenjeno da najbolje rade sa spektrom vidljive svjetlosti.

Kabeli s optičkim vlaknima često se isporučuju s nedovršenim završnim krajevima, što bi moglo biti vrlo neproduktivno, osim ako krajevi nisu odgovarajuće obrezani i obrađeni.

Tipično kabel pruža pristojne efekte kada ga sečete pod pravim kutom nožem za modeliranje oštrim kao britva, rezanjem kraja kabela u jednoj akciji.

Fina turpija može se koristiti za poliranje rezanih krajeva, ali ako ste tek izrezali krajeve, to možda neće pomoći da se značajno poboljša svjetlosna učinkovitost. Presudno je da rez bude oštar, oštar i okomit na promjer kabela.

Ako rezanje ima neki kut, može ozbiljno pogoršati učinkovitost zbog odstupanja u kutu dovoda svjetlosti.

Dizajniranje jednostavnog optičkog sustava

Osnovni način da započnu svi koji žele isprobati stvari s optičkim komunikacijama bio bi stvaranje audio veze.

U svom najelementarnijem obliku to može uključivati ​​jednostavan sklop modulacije amplitude koji varira LED odašiljač svjetlina u skladu s amplitudom audio ulaznog signala.

To bi prouzročilo ekvivalentno modulirajući trenutni odziv preko prijemnika fotoćelije, koji bi se obradio da bi generirao odgovarajuće promjenjivi napon na izračunatom otporu opterećenja u seriji s fotoćelijom.

Ovaj signal bi se pojačavao da bi se isporučio audio izlazni signal. U stvarnosti ovaj temeljni pristup može imati i svojih loših strana, a glavni je možda jednostavno nedovoljna linearnost fotoćelija.

Odsutnost linearnosti utječe na proporcionalnu razinu izobličenja na optičkoj vezi koja može biti loše kvalitete.

Metoda koja obično nudi znatno bolje ishode je sustav frekvencijske modulacije, koji je u osnovi identičan sustavu koji se koristi u standardu VHF radio emisije .

Međutim, u takvim slučajevima uključena je noseća frekvencija od oko 100 kHz umjesto uobičajenih 100 MHz kao što se koristi u radioprijenosu opsega 2.

Ovaj pristup može biti prilično jednostavan, kao što je prikazano na blok dijagramu u nastavku. Pokazuje princip postavljen za jednosmjernu vezu ovog oblika. Odašiljač je zapravo oscilator pod naponom (VCO) i kao što naslov govori, izlazna frekvencija iz ovog dizajna može se podesiti kroz upravljački napon.

Taj napon može biti ulazni prijenos zvuka, a kako napon signala oscilira gore-dolje, tako će izlazna frekvencija VCO-a varirati. A niskopropusni filtar ugrađen je za pročišćavanje ulaznog audio signala prije nego što se primijeni na VCO.

To pomaže u sprečavanju stvaranja heterodinskih 'zvižduka' zbog otkucaja između oscilatora kontroliranog naponom i bilo kojih ulaznih signala visoke frekvencije.

Uobičajeno je da ulazni signal pokriva samo raspon audio frekvencija, ali možda ćete pronaći sadržaj izobličenja na višim frekvencijama i radio signale koji se uzimaju iz ožičenja i komuniciraju s VCO signalom ili harmonikama oko izlaznog signala VCO.

Uređaj za emitiranje koji može biti jednostavno LED pokreće se VCO izlazom. Za optimalni rezultat ova je LED obično a vrsta velike snage LED . To zahtijeva upotreba stupnja međuspremnika upravljačkog programa za upravljanje LED napajanjem.

Sljedeća je faza monostabilni multivibrator koji mora biti dizajniran kao nepovratni tip.

To omogućuje stupnju da generira izlazne impulse kroz intervale utvrđene C / R vremenskom mrežom koja je neovisna o trajanju ulaznog impulsa.

Operativni valni oblik

To omogućuje laku, ali učinkovitu pretvorbu frekvencije u napon, jer valni oblik kao što je prikazano na sljedećoj slici jasno objašnjava njegov radni obrazac.

Na slici (a) ulazna frekvencija generira izlaz iz monostabiliteta s omjerom razmaka od 1 do 3, a izlaz je u visokom stanju 25% vremena.

Prosječni izlazni napon (kao što je prikazan unutar isprekidane crte) rezultat je 1/4 izlaznog HIGH stanja.

Na gornjoj slici (b) možemo vidjeti da je ulazna frekvencija povećana za dva puta, što znači da dobivamo dva puta više izlaznih impulsa za određeni vremenski interval s omjerom prostora oznaka 1: 1. To nam omogućuje da dobijemo prosječni izlazni napon koji je 50% od VISOKOG izlaznog stanja i 2 puta veću veličinu od prethodnog primjera.

Jednostavno rečeno, monostabilni ne samo da pretvara frekvenciju u napon, već dodatno omogućuje pretvorbi da dobije linearnu karakteristiku. Izlaz samo iz monostabilnog ne može stvoriti signal zvučne frekvencije, osim ako je ugrađen niskopropusni filtar koji osigurava stabilizaciju izlaza u odgovarajući audio signal.

Primarni problem ove jednostavne metode pretvorbe frekvencije u napon jest taj što je potrebno prigušenje veće razine (u osnovi 80 dB ili više) na minimalnoj izlaznoj frekvenciji VCO-a da bi se moglo stvoriti stabilizirani izlaz.

Ali, ova je metoda uistinu jednostavna i pouzdana u drugim razmatranjima, a zajedno s modernim krugovima možda neće biti teško dizajnirati stupanj izlaznog filtra koji ima odgovarajuće precizne odrezana karakteristika .

Sićušna razina viška nosača signala na izlazu možda nije previše kritična i mogla bi se zanemariti, jer se nosač uglavnom nalazi na frekvencijama koje nisu unutar zvučnog raspona, a svako propuštanje na izlazu kao rezultat toga neće biti čujno.

Optički sklop odašiljača

Cjelokupni dijagram sklopa optičkog vlakna može se vidjeti u nastavku. Pronaći ćete mnoge integrirane sklopove prikladne za rad poput VCO-a, zajedno s mnogim drugim konfiguracijama izgrađenim pomoću diskretnih dijelova.

Ali za jeftinu tehniku ​​široko se koristi NE555 postaje preferirana opcija, iako je sigurno jeftina, ali dolazi s prilično dobrom učinkovitošću izvedbe. Može se modulirati frekvencijom integriranjem ulaznog signala na pin 5 IC-a, koji se spaja s razdjelnikom napona konfiguriranim za stvaranje preklopnih ograničenja 1/3 V + i 2/3 V + za IC 555.

U osnovi se gornja granica povećava i smanjuje kako bi se vrijeme potrebno za kondenzator C2 za prebacivanje između dva raspona moglo na odgovarajući način povećati ili smanjiti.

Tr1 je ožičen poput sljedbenik emitera međuspremnik koji osigurava visoku pogonsku struju potrebnu za optimalno osvjetljenje LED-a (D1). Iako sam NE555 ima dobru struju od 200 mA za LED, zasebni upravljački upravljač za LED koji omogućuje struju omogućuje određivanje željene LED struje na precizan način i pouzdanijom metodom.

R1 je pozicioniran da fiksira struju LED-a na približno 40 miliampera, ali budući da je LED UKLJUČEN / ISKLJUČEN po stopi od 50% radnog ciklusa, LED-u omogućuje rad sa samo 50% stvarne vrijednosti, što je oko 20 miliampera.

Izlazna struja može se povećati ili smanjiti podešavanjem vrijednosti R1 kad god se to osjeća potrebnim.

Komponente za otpornike optičkih vlakana (svi 1/4 vata, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondenzatori
C1 = 220µ 10V izab
C2 = 390pF keramička ploča
C3 = 1u 63V izbor
C4 = 330p keramička ploča
C5 = 4n7 poliesterski sloj
C6 = 3n3 poliesterski sloj
C7 = 470n poliesterski sloj
Poluvodiči
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = vidi tekst
Razno
SK1 utičnica 3,5 mm
Elektronska ploča, kućište, baterija itd

Krug optičkog prijamnika

Dijagram kruga primarnog svjetlovodnog prijemnika može se vidjeti u gornjem dijelu donjeg dijagrama, izlazni krug filtra nacrtan je odmah ispod kruga prijemnika. Izlaz prijamnika se vidi sivom crtom spojen s ulazom filtra.

D1 oblikuje detektorska dioda , a radi u obrnutom položaju pristranosti u kojem njegov otpor propuštanju pomaže stvoriti vrstu svjetlosno ovisnog otpornika ili LDR efekta.

R1 radi kao otpornik opterećenja, a C2 stvara vezu između stupnja detektora i ulaza ulaznog pojačala. To tvori dvostupanjsku kapacitivno povezanu mrežu u kojoj dvije faze zajedno funkcioniraju zajednički emiter način rada.

To omogućuje vrhunsko ukupno pojačanje napona veće od 80 dB. s obzirom na to da se isporučuje prilično moćan ulazni signal, to nudi osjetno osciliranje izlaznog napona na zavoju kolektora Tr2 za potiskivanje monostabilni multivibrator .

Potonji je standardni tip CMOS-a izgrađen pomoću nekoliko dvosmjernih NOR ulaza (IC1a i IC1b) s C4 i R7 koji funkcioniraju poput vremenskih elemenata. Ostala nekoliko ulaza IC1 se ne koriste, iako se njihovi ulazi mogu vidjeti zakačeni za zemlju u pokušaju da se zaustavi lažno prebacivanje tih vrata zbog zalutalog prihvata.

Odnoseći se na stupanj filtra izgrađen oko IC2a ​​/ b, u osnovi se radi o filtarskim sustavima 2/3 (18 dB po oktavi) sa specifikacijama koje se obično koriste u sklopovi odašiljača . Oni su spojeni u nizove kako bi se uspostavilo ukupno 6 polova i opća brzina slabljenja od 36 dB po oktavi.

To nudi otprilike 100 dB slabljenja nosačkog signala u njegovom minimalnom frekvencijskom opsegu i izlazni signal s relativno niskim razinama nosačkog signala. Optički sklop može se nositi s ulaznim naponima visokim od 1 volta RMS približno bez kritičnih izobličenja i pomoći u radu s neznatno manjim od jedinstvenog pojačanja napona za sustav.

Komponente za optički prijemnik i filtar

Otpornici (svi 1/4 vata 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 do R15 10k (6 popusta)
Kondenzatori
C1 = 100µ10V elektrolitski
C2 = 2n2 poliester
C3 = 2n2 poliester
C4 = 390p keramika
C5 = 1µ 63V elektrolitski
C6 = 3n3 poliester
C7 = 4n7 poliester
C8 = 330pF keramika
C9 = 3n3 poliester
C10 = 4n7 poliester

Poluvodiči
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 popusta)
D1 = Vidi tekst
Razno
SK1 = 25-polni D priključak
Kućište, pločica, žica itd.