Obvod optických vláken - vysílač a přijímač

Elektronické signály byly po celá desetiletí docela úspěšně vysílány prostřednictvím standardních „drátových“ připojení nebo pomocí rádiových spojů různých druhů, které měly mnoho nevýhod.

Na druhé straně optické odkazy, ať už se používají pro audio nebo video odkazy na velké vzdálenosti, nebo pro zpracování na malé vzdálenosti, nabízejí oproti běžným kabelovým kabelům některé výrazné výhody.

Jak funguje optická vlákna

V technologii optických obvodů se optické vláknové spojení používá pro přenos digitálních nebo analogových dat ve formě světelné frekvence kabelem, který má vysoce reflexní centrální jádro.

Vnitřně se optické vlákno skládá z vysoce reflexního středového jádra, které funguje jako světelný vodič pro přenos světla skrz něj prostřednictvím kontinuálních odrazů tam a zpět přes jeho reflexní stěny.

Optický spoj normálně obsahuje obvod elektrického měniče kmitočtu na světelný kmitočet, který převádí digitální nebo zvukové signály na světelný kmitočet. Tato světelná frekvence je „vstřikována“ na jeden z konců optického vlákna prostřednictvím a výkonná LED . Světlo se poté nechá cestovat optickým kabelem do zamýšleného cíle, kde je přijímáno fotobuňkou a obvod zesilovače který převádí světelnou frekvenci zpět do původní digitální nebo zvukové frekvence.

Výhody vláknové optiky

Jednou z hlavních výhod propojení optickými vlákny je jejich dokonalá odolnost vůči elektrickému rušení a zbloudilým snímačům.

Standardní „kabelové“ odkazy by mohly být navrženy tak, aby tento problém zmenšily, avšak může být hodně náročné tento problém zcela vymýtit.

Naopak, neelektrické vlastnosti kabelu z optických vláken pomáhají učinit elektrické rušení nehmotným, na rozdíl od rušení, které by mohlo být zachyceno na konci přijímače, ale toto lze také eliminovat účinným stíněním obvodu přijímače.

Podobně širokopásmové signály směrované přes běžný elektrický kabel často rozptýlí elektrické rušení, což způsobí rušení rádiových a televizních signálů poblíž.

Ale opět, v případě kabelu z optických vláken se skutečně může ukázat, že zcela postrádá elektrické emise, a přestože vysílací jednotka může případně vyzařovat nějaké vysokofrekvenční záření, je poměrně jednoduché jej uzavřít pomocí základních strategií stínění.

Díky tomuto plusovému bodu nemají systémy zahrnující mnoho optických kabelů spolupracujících jeden vedle druhého žádné komplikace nebo problémy s křížovými rozhovory.

Světlo by samozřejmě mohlo prosakovat z jednoho kabelu na druhý, ale kabely z optických vláken jsou obvykle zapouzdřeny ve světle odolném vnějším pouzdru, které v ideálním případě zabraňuje jakékoli formě úniku světla.

Toto silné stínění ve vláknových optických spojích zajišťuje přiměřeně bezpečný a spolehlivý přenos dat.

Další výhodou je, že vláknová optika neobsahuje problémy s nebezpečím požáru, protože do ní není zapojen žádný proud ani vysoký proud.

V celém propojení máme také dobrou elektrickou izolaci, abychom zajistili, že se komplikace se zemními smyčkami nebudou moci vyvinout. Prostřednictvím vhodných vysílacích a přijímacích obvodů se stává velmi vhodným pro optické spoje, aby zvládly značné rozsahy šířky pásma.

Širokopásmové odkazy lze vytvořit také pomocí koaxiálních napájecích kabelů, i když u moderních optických kabelů obvykle dochází ke sníženým ztrátám ve srovnání s koaxiálními typy v širokopásmových aplikacích.

Optické kabely jsou obvykle tenké a lehké a také imunní vůči klimatickým podmínkám a několika chemickým látkám. To jim často umožňuje rychlé použití v nehostinném prostředí nebo v nepříznivých situacích, kdy se elektrické kabely, konkrétně koaxiální typy, jednoduše ukáží jako velmi neúčinné.

Nevýhody

Přestože obvod s optickými vlákny má tolik výhod, má také několik dolních stran.

Zjevnou nevýhodou je, že elektrické signály nelze přenést přímo do optického kabelu, a v několika situacích mají náklady a problémy, které se vyskytnou u důležitých obvodů kodéru a dekodéru, tendenci být docela nekompatibilní.

Při práci s optickými vlákny je důležité pamatovat na to, že obvykle mají specifikovaný nejmenší průměr, a když jsou zkrouceny s ostřejší křivkou, způsobí to fyzické poškození kabelu v tomto ohybu, což je zbytečné.

Poloměr „minimálního ohybu“, jak se obvykle nazývá v technických listech, je obvykle mezi přibližně 50 a 80 milimetry.

Důsledkem takových ohybů v normálním kabelovém síťovém kabelu nemusí být nic, nicméně u kabelů z optických vláken mohou i malé těsné ohyby bránit šíření světelných signálů, což vede k drastickým ztrátám.

Základy vláknové optiky

I když se nám může zdát, že kabel z optických vláken je jednoduše vyroben ze skleněného vlákna pokrytého vnějším pouzdrem odolným proti světlu, situace je ve skutečnosti mnohem vyspělejší než tato.

V dnešní době je skleněné vlákno většinou ve formě polymeru a nikoli skutečného skla a standardní nastavení může být takové, jaké je uvedeno na následujícím obrázku. Zde vidíme centrální jádro mající vysoký index lomu a vnější stínění se sníženým indexem lomu.

Lom, ve kterém dochází k interakci vnitřního vlákna a vnějšího pláště, umožňuje průchod světla kabelem účinným skokem přes zeď ke zdi až po kabel.

Právě toto odrážení světla přes stěny kabelu umožňuje, aby kabel běžel jako světlovod a plynule přenášel osvětlení kolem rohů a křivek.

Světelné šíření v režimu vysoké objednávky

Úhel, pod kterým se světlo odráží, je určen vlastnostmi kabelu a vstupním úhlem světla. Na výše uvedeném obrázku je světelný paprsek vidět procházející a „režim vysoké objednávky“ propagace.

Světelné šíření v režimu nízké objednávky

Najdete však kabely se světlem napájeným pod mělčím úhlem, což způsobí, že se mezi stěnami kabelů bude odrážet se značně širokým úhlem. Tento nižší úhel umožňuje světlu cestovat v relativně větší vzdálenosti kabelem při každém odrazu.

Tato forma přenosu světla se nazývá „režim nízké objednávky“ propagace. Praktický význam obou těchto režimů spočívá v tom, že světlo vyzařující kabelem v režimu vyššího řádu musí cestovat znatelně dále ve srovnání se světlem šířeným v režimu nízkého řádu. To rozmazává signály dodávané kabelem, které snižují frekvenční rozsah aplikace.

To je však relevantní pouze u extrémně širokopásmových odkazů.

Kabel pro jeden režim

Máme také 'Single mode' kabely typu, které jsou určeny jednoduše pro umožnění režimu jednoho šíření, ale není ve skutečnosti nutné využívat tuto formu kabelu s poměrně úzkými technikami šířky pásma podrobně popsanými v tomto článku. Dále můžete narazit na alternativní druh pojmenovaného kabelu ‚odstupňovaný index ' kabel.

To je ve skutečnosti docela podobné dříve diskutovanému kabelu se stupňovitým indexem, i když existuje progresivní transformace z vysokého indexu lomu poblíž středu kabelu na sníženou hodnotu poblíž vnějšího pouzdra.

To způsobí, že světlo prochází hluboko po kabelu podobným způsobem, jak bylo vysvětleno dříve, ale světlo musí projít zakřivenou cestou (jako na následujícím obrázku), místo aby se šířilo přímkami.

Rozměry optického vlákna

Typický rozměr kabelů z optických vláken je 2,2 milimetru, přičemž průměrný rozměr vnitřního vlákna je přibližně 1 milimetr. Najdete několik konektorů přístupných pro připojení přes tuto velikost kabelu, kromě řady systémů, které se připojují ke stejně shodným kabelům.

Normální konektorový systém zahrnuje „zástrčku“, která se instaluje na konec kabelu a chrání ji ke svorce „zásuvky“, která se obvykle drží nad deskou plošných spojů se slotem pro umístění fotobuňky (která tvoří vysílač nebo detektor optický systém).

Faktory ovlivňující design optických obvodů

Jedním z rozhodujících aspektů, které je třeba si ve vláknové optice pamatovat, jsou specifikace špičkového výstupu emitoru fotobuňka pro vlnovou délku světla. Toto musí být ideálně vybráno tak, aby odpovídalo vysílací frekvenci s příslušnou citlivostí.

Druhým faktorem, který je třeba pamatovat, je, že kabel bude specifikován pouze s omezeným rozsahem šířky pásma, což znamená, že ztráty musí být co nejmenší.

Optické senzory a vysílače běžně používané v optických vláknech jsou většinou dimenzovány pro práci v infračervený dosah s maximální účinností, zatímco některé mohou být navrženy tak, aby fungovaly nejlépe se spektrem viditelného světla.

Kabeláž z optických vláken se často dodává s nedokončenými zakončovacími konci, což může být velmi neproduktivní, pokud nejsou konce řádně oříznuty a opracovány.

Kabel obvykle poskytuje slušné efekty, když je krájen v pravém úhlu pomocí modelovacího nože ostrého jako břitva, který čistě seká konec kabelu v jedné akci.

K vyleštění nakrájených konců lze použít jemný pilník, ale pokud jste konce pouze zkrátili, nemusí to významně zvýšit účinnost světla. Je zásadní, aby řez byl ostrý, ostrý a kolmý na průměr kabelu.

Pokud má řez nějaký úhel, může to vážně zhoršit účinnost kvůli odchylce úhlu přívodu světla.

Návrh jednoduchého systému s optickými vlákny

Základní způsob, jak začít pro kohokoli, kdo si chce vyzkoušet komunikaci s optickými vlákny, by bylo vytvoření zvukového spojení.

Ve své nejzákladnější formě to může zahrnovat jednoduché obvody amplitudové modulace, které mění LED vysílač jas v souladu s amplitudou vstupního zvukového signálu.

To by způsobilo ekvivalentně modulační odezvu proudu napříč přijímačem fotobuňky, která by byla zpracována tak, aby generovala odpovídající proměnlivé napětí na vypočítaném zatěžovacím odporu v sérii s fotobuňkou.

Tento signál by byl zesílen tak, aby poskytoval výstupní zvukový signál. Ve skutečnosti může tento základní přístup přicházet s vlastními nevýhodami, hlavním přístupem může být jednoduše nedostatečná linearita fotobuněk.

Absence linearity ovlivňuje ve formě přiměřené úrovně zkreslení přes optické spojení, které může být následně špatné kvality.

Metodou, která obvykle nabízí výrazně lepší výsledky, je systém frekvenční modulace, který je v zásadě stejný jako systém používaný ve standardu VKV rozhlasové vysílání .

V takových případech je však namísto obvyklých 100 MHz používaných v rádiovém přenosu pásma 2 použita nosná frekvence kolem 100 kHz.

Tento přístup může být docela jednoduchý, jak ukazuje blokové schéma níže. Ukazuje princip nastavený pro jednosměrný odkaz tohoto formuláře. Vysílač je ve skutečnosti napěťově řízený oscilátor (VCO) a jak název napovídá, výstupní frekvenci z této konstrukce lze upravit pomocí řídicího napětí.

Tímto napětím může být přenos zvukového vstupu a s tím, jak signální napětí kmitá nahoru a dolů, tak bude i výstupní frekvence VCO. A dolní propust je začleněno k vylepšení zvukového vstupního signálu před jeho aplikací na VCO.

To pomáhá udržovat heterodynové „píšťalky“ mimo produkci na základě rytmických not mezi napěťově řízeným oscilátorem a vysokofrekvenčními vstupními signály.

Vstupní signál obvykle pokryje pouze frekvenční rozsah zvuku, ale na vyšších frekvencích můžete najít obsah zkreslení a rádiové signály se zachytí z kabeláže a budou interagovat se signálem VCO nebo harmonickými kolem výstupního signálu VCO.

Vysílací zařízení, kterým může být jednoduše LED, je poháněno výstupem VCO. Pro optimální výsledek je tato LED obvykle a LED s vysokým příkonem . To vyžaduje použití fáze vyrovnávací paměti ovladače pro provoz LED napájení.

Tato další fáze je a monostabilní multivibrátor který musí být navržen jako typ bez možnosti opětovného spuštění.

To umožňuje fázi generovat výstupní impulzy v intervalech určených sítí časování C / R, která je nezávislá na délce vstupního impulzu.

Provozní křivka

To poskytuje snadnou, ale účinnou konverzi frekvence na napětí, přičemž průběh vlny, jak je znázorněn na následujícím obrázku, jasně vysvětluje jeho operační vzorec.

Na obrázku (a) vstupní frekvence generuje výstup z monostabilního s poměrem značek k prostoru 1 až 3 a výstup je ve vysokém stavu po dobu 25% času.

Průměrné výstupní napětí (jak je znázorněno uvnitř tečkované čáry) je výsledkem 1/4 stavu HIGH výstupu.

Na obrázku (b) výše vidíme, že vstupní frekvence byla dvojnásobně zvýšena, což znamená, že získáme dvakrát více výstupních pulzů pro zadaný časový interval s poměrem prostoru značek 1: 1. To nám umožňuje získat průměrné výstupní napětí, které je 50% stavu VYSOKÉHO výstupu a 2krát větší velikost oproti předchozímu příkladu.

Jednoduše řečeno, monostabilní nejen pomáhá převádět frekvenci na napětí, ale navíc umožňuje převodu získat lineární charakteristiku. Samotný výstup z monostabilního zařízení nemůže vytvářet zvukový kmitočtový signál, pokud není zabudován filtr dolní propusti, který zajišťuje stabilizaci výstupu do správného zvukového signálu.

Primárním problémem této jednoduché metody převodu frekvence na napětí je, že je vyžadován vyšší útlum (v podstatě 80 dB nebo vyšší) při minimální výstupní frekvenci VCO, aby bylo možné vytvořit stabilizovaný výstup.

Tato metoda je ale opravdu jednoduchá a spolehlivá v jiných ohledech a spolu s moderními obvody nemusí být obtížné navrhnout stupeň výstupního filtru s vhodně přesným mezní charakteristika .

Malá úroveň signálu nadbytečné nosné na výstupu nemusí být příliš kritická a může být ignorována, protože nosná je obvykle na frekvencích, které nejsou v audio rozsahu, a jakýkoli únik na výstupu bude ve výsledku neslyšitelný.

Obvod vysílače optických vláken

Níže je vidět celé schéma zapojení vysílače z optických vláken. Najdete mnoho integrovaných obvodů vhodných pro práci jako VCO, spolu s mnoha dalšími konfiguracemi vytvořenými pomocí samostatných částí.

Ale pro nízkonákladovou techniku ​​široce používanou NE555 se stává upřednostňovanou možností, a přestože je určitě levná, přesto přichází s poměrně dobrou efektivitou výkonu. Může být frekvenčně modulován integrací vstupního signálu na pin 5 IC, který se připojuje k děliči napětí nakonfigurovanému tak, aby vytvářel spínací limity 1/3 V + a 2/3 V + pro IC 555.

V zásadě je horní mez zvýšena a snížena, takže čas spotřebovaný časovacím kondenzátorem C2 pro přepínání mezi dvěma rozsahy by mohl být odpovídajícím způsobem zvýšen nebo snížen.

Tr1 je zapojen jako sledovač emitorů vyrovnávací stupeň, který dodává vysoký proud pohonu potřebný pro optimální osvětlení LED (D1). Přestože samotný model NE555 má dobrý proud 200 mA pro LED, samostatný proudový ovladač pro LED umožňuje stanovit požadovaný proud LED přesným způsobem a spolehlivější metodou.

R1 je umístěn tak, aby fixoval proud LED na přibližně 40 miliampérech, ale protože je LED zapnutá / vypnutá při rychlosti 50% pracovního cyklu, umožňuje LED pracovat pouze s 50% skutečné hodnoty, což je přibližně 20 miliampérů.

Výstupní proud lze zvýšit nebo snížit úpravou hodnoty R1, kdykoli to bude považovat za nutné.

Komponenty pro rezistory vysílače optických vláken (všechny 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 deska
C3 = 1u 63V elekt
C4 = 330p keramická deska
C5 = polyesterová vrstva 4n7
C6 = 3n3 polyesterová vrstva
C7 = 470n polyesterová vrstva
Polovodiče
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = viz text
Smíšený
SK1 3,5 mm jack zásuvka
Deska plošných spojů, pouzdro, baterie atd

Obvod přijímače optických vláken

Schéma zapojení primárního optického přijímače je vidět v horní části níže uvedeného schématu, obvod výstupního filtru je nakreslen těsně pod obvodem přijímače. Výstup přijímače lze vidět spojený se vstupem filtru přes šedou čáru.

D1 tvoří detektorová dioda , a funguje v nastavení reverzního předpětí, ve kterém jeho únikový odpor pomáhá vytvořit jakýsi světelně závislý rezistor nebo LDR efekt.

R1 funguje jako zátěžový rezistor a C2 vytváří spojení mezi fází detektoru a vstupem vstupního zesilovače. Tím se vytvoří dvoustupňová kapacitně propojená síť, kde dva stupně společně fungují v společný emitor režimu.

To umožňuje vynikající celkový zisk napětí větší než 80 dB. vzhledem k tomu, že je dodáván poměrně silný vstupní signál, nabízí to adekvátně vysoké kmitání výstupního napětí na kolektorovém kolíku Tr2, aby monostabilní multivibrátor .

Posledně jmenovaný je standardní typ CMOS postavený pomocí dvou 2-vstupních NOR bran (IC1a a IC1b) s C4 a R7 fungujících jako časovací prvky. Druhý pár bran IC1 se nepoužívá, ačkoli jejich vstupy lze vidět zaháknuté k zemi ve snaze zastavit falešné přepínání těchto bran v důsledku zbloudilého vyzvednutí.

Pokud jde o filtrační stupeň postavený na IC2a ​​/ b, jedná se v zásadě o filtrační systémy 2/3. Řádu (18 dB na oktávu) se specifikacemi běžně používanými v obvody vysílače . Ty jsou spojeny do série a vytvářejí celkem 6 pólů a obecný útlum 36 dB na oktávu.

To nabízí přibližně 100 dB útlumu nosného signálu v jeho minimálním frekvenčním rozsahu a výstupní signál s relativně nízkou úrovní nosného signálu. Fiber Optic Circuit dokáže pracovat se vstupním napětím až 1 volt RMS přibližně bez kritického zkreslení a pomáhá pracovat s nepatrně menším než jednotným napětím pro systém.

Komponenty pro přijímač a filtr z optických vláken

Rezistory (všechny 1/4 watt 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 vypnuto)
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 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 slevy)
D1 = Viz text
Smíšený
SK1 = 25kolíkový konektor D.
Skříň, deska plošných spojů, vodič atd.