Kuituoptiikkapiiri - lähetin ja vastaanotin

Kokeile Instrumenttia Ongelmien Poistamiseksi





Elektronisia signaaleja on lähetetty melko menestyksekkäästi vuosikymmenien ajan tavallisten 'johdotettujen' yhteyksien kautta tai käyttämällä erityyppisiä radiolinkkejä, joilla oli monia haittoja.

Toisaalta valokuitulinkit, olivatpa ne sitten audio- tai videolinkkejä pitkillä etäisyyksillä tai pienten etäisyyksien käsittelemiseen, ovat tarjoaneet joitain selkeitä etuja verrattuna tavallisiin langallisiin kaapeleihin.



Kuinka kuituoptiikka toimii

Valokuitupiiritekniikassa optista kuitulinkkiä käytetään siirtämään digitaalista tai analogista dataa valotaajuuden muodossa kaapelin läpi, jossa on erittäin heijastava keskiydin.

Sisäisesti optinen kuitu koostuu erittäin heijastavasta keskisydämestä, joka toimii kuin valo-ohjain siirtämään valoa sen läpi jatkuvien heijastusten avulla heijastavien seinien yli.



Optinen linkki sisältää normaalisti sähkötaajuuden valotaajuusmuuttajapiiriksi, joka muuntaa digitaaliset tai audiosignaalit valotaajuuksiksi. Tämä valotaajuus 'injektoidaan' optisen kuidun toiseen päähän a voimakas LED . Sitten valon annetaan kulkea optisen kaapelin läpi aiottuun määränpäähän, missä valokenno ja vahvistinpiiri joka muuntaa valotaajuuden takaisin alkuperäiseksi digitaaliseksi muodoksi tai äänitaajuuslomakkeeksi.

Kuituoptiikan edut

Yksi valokaapelipiirilinkkien merkittävä etu on niiden täydellinen immuniteetti sähköisiin häiriöihin ja harhautuviin häiriöihin.

Tavalliset kaapelilinkit voitaisiin suunnitella vähentämään tätä ongelmaa, mutta ongelman täydellinen poistaminen voi olla paljon haastavaa.

Päinvastoin, kuitukaapelin ei-sähköiset ominaisuudet auttavat tekemään sähköisestä häiriöstä epäolennaisen lukuun ottamatta joitain häiriöitä, jotka voitaisiin poimia vastaanottimen päästä, mutta tämä voidaan poistaa myös vastaanottopiirin tehokkaalla suojauksella.

Vastaavasti tavallisen sähkökaapelin yli reititetyt laajakaistasignaalit haihduttavat usein sähköhäiriöt aiheuttaen radio- ja televisiosignaalien jumittumisen lähellä.

Mutta jälleen kerran, valokuitukaapelin tapauksessa se voi todellakin osoittautua täysin vailla sähköä, ja vaikka lähetinyksikkö saattaa mahdollisesti kiertää jonkin verran radiotaajuista säteilyä, on melko helppo sulkea se käyttämällä perusseulontastrategioita.

Tämän plus-pisteen ansiosta järjestelmillä, joissa on paljon optisia kaapeleita, jotka toimivat yhdessä vierekkäin, ei ole komplikaatioita tai ongelmia ristikkäisneuvotteluissa.

Valo voi tietysti vuotaa yhdestä kaapelista toiseen, mutta valokaapelit ovat yleensä kapseloitu valoa kestävään ulkoiseen holkkiin, joka ihanteellisesti estää kaikenlaisen valovuodon.

Tämä valokuitulinkkien vahva suojaus varmistaa kohtuullisen turvallisen ja luotettavan tiedonsiirron.

Toinen etu on, että kuituoptiikassa ei ole palovaaraa, koska siihen ei liity sähköä tai suurta virtaa.

Meillä on myös hyvä sähköeristys koko linkissä sen varmistamiseksi, että maasilmukoiden komplikaatiot eivät kykene kehittymään. Sopivien lähetys- ja vastaanottopiirien kautta se soveltuu hyvin kuituoptisille linkeille käsittelemään merkittäviä kaistanleveysalueita.

Laajakaistaisia ​​linkkejä voitaisiin luoda myös koaksiaalisten virtakaapeleiden kautta, vaikka nykyaikaisilla optisilla kaapeleilla on tyypillisesti pienempi häviö kuin koaksiaalityypeillä laajakaistaisissa sovelluksissa.

Optiset kaapelit ovat tyypillisesti ohuita ja kevyitä, ja ne ovat myös immuuneja ilmasto-olosuhteille ja useille kemiallisille aineille. Tämä mahdollistaa usein niiden käytön nopeasti epäystävällisessä ympäristössä tai epäsuotuisissa tilanteissa, joissa sähkökaapelit, erityisesti koaksiaalityypit, osoittautuvat yksinkertaisesti erittäin tehottomiksi.

Haitat

Vaikka kuituoptiikkapiirillä on niin monia etuja, näillä on myös muutama alasivu.

Ilmeinen haitta on, että sähköisiä signaaleja ei voida siirtää suoraan optiseen kaapeliin, ja useissa tilanteissa elintärkeiden kooderi- ja dekooderipiirien kustannukset ja ongelmat ovat yleensä melko yhteensopimattomia.

Keskeinen asia muistaa työskenneltäessä optisten kuitujen kanssa on, että niillä on tavallisesti määritelty pienin halkaisija, ja kun niitä kierretään terävämmällä käyrällä, kaapelille aiheutuu fyysisiä vaurioita kyseisessä mutkassa, mikä tekee siitä hyödytön.

Pienin taivutussäde, sellaisena kuin sitä kutsutaan yleensä taulukoissa, on tyypillisesti noin 50-80 millimetriä.

Tällaisten taivutusten seuraukset normaalissa langallisessa verkkokaapelissa eivät voi olla mitään, mutta valokaapeleille pienetkin tiukat taivutukset voivat estää valosignaalien etenemisen, mikä johtaa dramaattisiin häviöihin.

Kuituoptiikan perusteet

Vaikka meille saattaa tuntua, että valokaapeli koostuu yksinkertaisesti lasikuitulangasta, joka on peitetty valonkestävässä ulkohylsyssä, tilanne on itse asiassa paljon edistyneempi kuin tämä.

Nykyään lasihehkulanka on enimmäkseen polymeerin eikä varsinaisen lasin muodossa, ja vakiomalli voi olla seuraavan kuvan mukainen. Täällä voimme nähdä keskitetyn ytimen, jolla on korkea taitekerroin, ja ulomman suojan, jolla on alennettu taitekerroin.

Taittuminen, kun sisäinen hehkulanka ja ulkovaippa ovat vuorovaikutuksessa, mahdollistavat valon kulkemisen kaapelin läpi hyppäämällä tehokkaasti seinän läpi seinään kaapelin läpi.

Juuri tämä valon heijastuminen kaapeliseinien yli antaa kaapelille mahdollisuuden kulkea kuin valo-ohjain, joka kuljettaa valaistuksen sujuvasti kulmien ja kaarien ympäri.

Korkean tilauksen tilan valon eteneminen

Kulma, jossa valo heijastuu, määräytyvät kaapelin ominaisuuksien ja valon tulokulman mukaan. Yllä olevassa kuvassa valonsäde näkyy a 'korkea tila tila' eteneminen.

Matalan tilauksen tilassa valon eteneminen

Löydät kuitenkin kaapeleita, joiden valoa syötetään matalammalla kulmalla, mikä saa sen hyppäämään kaapeliseinien välillä huomattavan laajalla kulmalla. Tämän alemman kulman ansiosta valo voi kulkea suhteellisen suuremmalla etäisyydellä kaapelin läpi jokaisella pomppimisella.

Tätä valonsiirtomuotoa kutsutaan 'alhaisen tilauksen tila' eteneminen. Molempien tilojen käytännön merkitys on, että kaapelin kautta valon, joka on korkean tilauksen tilassa, on kuljettava huomattavasti pidemmälle kuin valossa, joka etenee matalamääräisessä tilassa. Tämä tahrii kaapelin kautta toimitetut signaalit vähentäen sovelluksen taajuusaluetta.

Tällä on kuitenkin merkitystä vain erittäin laajalla kaistanleveydellä.

Yksimoodikaapeli

Meillä on myös 'Yksittäinen tila' -tyyppiset kaapelit, jotka on tarkoitettu yksinkertaisesti yhden etenemismoodin mahdollistamiseksi, mutta ei todellakaan vaadita tämäntyyppisen kaapelin käyttöä tässä artikkelissa kuvattuihin suhteellisen kapeisiin kaistanleveystekniikoihin. Saatat törmätä vaihtoehtoiseen kaapelityyppiin 'luokiteltu indeksi' kaapeli.

Tämä on itse asiassa melko samanlainen kuin aiemmin keskusteltu porrastettu hakemistokaapeli, vaikka kaapelin keskiosan lähellä olevasta korkealta taitekerrokselta tapahtuu progressiivinen muutos pienempään arvoon lähellä ulkoholkkia.

Tämä saa valon kulkemaan syvälle kaapelin yli melko samalla tavalla kuin aiemmin selitettiin, mutta valon on kuljettava kaarevan reitin läpi (kuten seuraavassa kuvassa) sen sijaan, että se levisi suorien viivojen läpi.

Optisen kuidun mitat

Tyypillinen valokuitukaapelien koko on 2,2 millimetriä ja sisäkuidun keskimääräinen ulottuvuus on noin 1 millimetri. Löydät useita liittimiä, jotka ovat käytettävissä tämän kokoisen kaapelin kautta, sekä useita järjestelmiä, jotka kytkeytyvät yhtä sopiviin kaapeleihin.

Normaalissa liitinjärjestelmässä on 'pistoke', joka on asennettu kaapelin kärkeen ja suojaa sitä 'pistorasian' liittimelle, joka yleensä kiinnittyy piirilevyyn ja jossa on rako valokennon sijoittamiseksi (joka muodostaa lähettimen tai ilmaisimen). optinen järjestelmä).

Kuituoptiikkapiirien suunnitteluun vaikuttavat tekijät

Yksi tärkeä näkökohta, joka on muistettava kuituoptiikassa, on emitterin huipputeho valokenno valon aallonpituudelle. Tämä on valittava ihanteellisesti vastaamaan lähetystaajuutta sopivalla herkkyydellä.

Toinen muistettava tekijä on, että kaapeli määritetään vain rajoitetulla kaistanleveysalueella, mikä tarkoittaa, että häviöiden on oltava mahdollisimman pieniä.

Optisissa antureissa ja lähettimissä, joita tavallisesti käytetään optisissa kuiduissa, arvioidaan toimivan enimmäkseen infrapuna-alue suurimmalla tehokkuudella, kun taas joidenkin voidaan ajatella toimivan parhaiten näkyvän valon spektrin kanssa.

Valokaapelikaapelointi toimitetaan usein keskeneräisillä päätyillä, mikä voi olla hyvin tuottamatonta, ellei päät ole asianmukaisesti leikattu ja työstetty.

Tyypillisesti kaapeli tarjoaa kunnolliset vaikutukset, kun se on viipaloitu suorassa kulmassa partaterällä varustetulla malliveitsellä, joka leikkaa kaapelin pään puhtaasti yhdellä toiminnolla.

Viipaloitujen päiden kiillottamiseen voidaan käyttää hienoa viilaa, mutta jos olet vain leikannut päät, tämä ei välttämättä auta parantamaan merkittävästi valotehokkuutta. On erittäin tärkeää, että leikkaus on terävä, terävä ja kohtisuorassa kaapelin halkaisijaan nähden.

Jos leikkauksessa on jokin kulma, se voi heikentää tehokkuutta valosyötön kulmapoikkeaman vuoksi.

Yksinkertaisen valokuitujärjestelmän suunnittelu

Perus tapa aloittaa jokaiselle, joka haluaa kokeilla asioita kuituoptisella viestinnällä, olisi luoda äänilinkki.

Alkeellisessa muodossaan tämä voi sisältää yksinkertaisen amplitudimodulointipiirin, joka vaihtelee LED-lähetin kirkkaus audiotulosignaalin amplitudin mukaan.

Tämä aiheuttaisi vastaavasti moduloivan virtavasteen valokennovastaanottimen yli, joka prosessoitaisiin generoimaan vastaavasti vaihteleva jännite lasketun kuormitusvastuksen yli sarjaan valokennon kanssa.

Tämä signaali vahvistettaisiin tuottamaan äänilähtösignaali. Todellisuudessa tällä perustavanlaisella lähestymistavalla voi olla omat haittapuolensa, suurin voi olla yksinkertaisesti riittämätön lineaarisuus valokennoista.

Lineaarisuuden puuttuminen vaikuttaa suhteellisen vääristymän muodossa optisen linkin yli, mikä voi myöhemmin olla huonolaatuista.

Menetelmä, joka tarjoaa yleensä huomattavasti parempia tuloksia, on taajuusmodulaatiojärjestelmä, joka on periaatteessa identtinen standardissa käytetyn järjestelmän kanssa VHF-radiolähetykset .

Tällaisissa tapauksissa kyseessä on kuitenkin noin 100 kHz: n kantotaajuus tavanomaisen 100 MHz: n sijasta, jota käytetään kaistan 2 radiolähetyksessä.

Tämä lähestymistapa voi olla melko yksinkertainen, kuten alla olevassa lohkokaaviossa on esitetty. Se osoittaa periaatteen, joka on luotu tämän lomakkeen yksisuuntaiselle linkille. Lähetin on itse asiassa jänniteohjattu oskillaattori (VCO), ja kuten otsikosta käy ilmi, tämän rakenteen lähtötaajuutta voitaisiin säätää ohjausjännitteen avulla.

Kuituoptiikkalohkokaavio

Tämä jännite voi olla äänitulon lähetys, ja kun signaalin jännite värähtelee ylös ja alas, niin myös VCO: n lähtötaajuus. A alipäästösuodatin on sisällytetty audiosignaalin tarkentamiseen ennen sen levittämistä VCO: lle.

Tämä auttaa pitämään heterodeenin 'pillit' poissa tuotannosta johtuen jänniteohjatun oskillaattorin ja mahdollisten suurtaajuisten tulosignaalien välistä lyöntiäänistä.

Tyypillisesti tulosignaali peittää vain äänen taajuusalueen, mutta saatat löytää vääristymäsisältöä korkeammilla taajuuksilla, ja radiosignaalit kerääntyvät johdotuksesta ja ovat vuorovaikutuksessa VCO-signaalin tai harmonisten yliaaltojen kanssa VCO: n lähtösignaalin ympärillä.

Lähtölaite, joka voi olla yksinkertaisesti LED, ohjataan VCO-lähdöllä. Optimaalisen tuloksen saavuttamiseksi tämä LED on yleensä a korkean tehon LED-tyyppi . Tämä edellyttää kuljettajan puskurivaiheen käyttö LED-virran käyttämiseen.

Tämä seuraava vaihe on a monostabiili monivibraattori joka on suunniteltava ei-uudelleenkäynnistettäväksi tyypiksi.

Tämä mahdollistaa vaiheen generoida lähtöimpulsseja C / R-ajoitusverkon määrittelemien aikaväleiden kautta, joka on riippumaton tulopulssin kestosta.

Operatiivinen aaltomuoto

Tämä tarjoaa helpon mutta tehokkaan taajuuden jännitteen muuntamiseen, kun aaltomuoto, kuten seuraavassa kuvassa on esitetty, selittää selvästi sen toimintamallin.

Kuvassa (a) tulotaajuus tuottaa lähdön monostabiilista 1 - 3 merkkitila-suhteella, ja lähtö on korkeassa tilassa 25% ajasta.

Keskimääräinen lähtöjännite (kuten katkoviivan sisällä) on tuloksena 1/4 ulostulon HIGH-tilasta.

Yllä olevasta kuvasta (b) voimme nähdä, että tulotaajuutta on korotettu kaksinkertaiseksi, mikä tarkoittaa, että saamme kaksi kertaa enemmän lähtöpulsseja määrätylle aikavälille merkkitilan suhteen ollessa 1: 1. Tämä antaa meille mahdollisuuden saada keskimääräinen lähtöjännite, joka on 50% HIGH-lähtötilasta, ja kaksi kertaa suurempi edellisen esimerkin suuruus.

Yksinkertaisesti sanottuna, monostabiili ei vain auta muuntamaan taajuutta jännitteeksi, vaan se mahdollistaa lisäksi muunnoksen saamaan lineaarisen ominaisuuden. Pelkkä monostabiilin lähtö ei voi muodostaa äänitaajuussignaalia, ellei sisäänrakenneta alipäästösuodatinta, joka varmistaa, että lähtö vakiintuu oikeaan audiosignaaliin.

Tämän yksinkertaisen taajuuden ja jännitteen muuntamisen menetelmän ensisijainen ongelma on, että vaaditaan korkeamman tason vaimennusta (olennaisesti 80 dB tai enemmän) VCO: n vähimmäislähtötaajuudella stabiloidun lähdön luomiseksi.

Mutta tämä menetelmä on todella yksinkertainen ja luotettava muista näkökohdista, ja yhdessä nykyaikaisten piirien kanssa ei välttämättä ole vaikeaa suunnitella riittävän tarkkaa ulostulosuodatinvaihetta leikattu ominaisuus .

Pieni taso ylimääräistä kantoaaltosignaalia lähdössä ei välttämättä ole liian kriittinen ja se voidaan jättää huomiotta, koska kantoaalto on yleensä taajuuksilla, jotka eivät ole äänialueen sisällä, ja mahdolliset vuodot ulostulossa ovat seurauksena.

Kuituoptisen lähettimen piiri

Koko kuituoptisen lähettimen piirikaavio voidaan nähdä alla. Löydät monia integroituja piirejä, jotka soveltuvat toimimaan kuten VCO, sekä monia muita kokoonpanoja, jotka on rakennettu erillisillä osilla.

Mutta edulliseen tekniikkaan laajalti käytetty NE555 tulee ensisijainen vaihtoehto, ja vaikka se on varmasti halpa, mutta silti se on melko hyvä suorituskyky. Se voidaan moduloida taajuudella integroimalla tulosignaali IC: n napaan 5, joka yhdistää jännitteenjakajaan, joka on konfiguroitu muodostamaan 1/3 V + ja 2/3 V + kytkentärajat IC 555: lle.

Pohjimmiltaan ylärajaa nostetaan ja pienennetään siten, että aika, joka kuluu ajastuskondensaattorille C2 kahden alueen välillä vaihtamiseen, voidaan vastaavasti lisätä tai vähentää.

Tr1 on kytketty kuten lähettäjän seuraaja puskurivaihe, joka tuottaa suuren käyttövirran, jota tarvitaan LEDin (D1) valaisemiseen optimaalisesti. Vaikka NE555: ssä itsessään on hyvä 200 mA: n virta LED: lle, erillinen virranohjattu ohjain LED: lle mahdollistaa halutun LED-virran määrittämisen tarkalla tavalla ja luotettavammalla menetelmällä.

R1 on sijoitettu kiinnittämään LED-virta noin 40 milliampeeriin, mutta koska LED kytketään päälle / pois 50%: n käyttöjaksolla, LED voi toimia vain 50%: lla todellisesta nimellisarvosta, joka on noin 20 milliampeeria.

Lähtövirtaa voitaisiin lisätä tai vähentää säätämällä R1-arvoa aina, kun se saattaa tuntua tarpeelliselta.

Komponentit kuituoptisille lähetinvastuksille (kaikki 1/4 wattia, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondensaattorit
C1 = 220 u 10 V valittu
C2 = 390 pF keraaminen levy
C3 = 1u 63V valittu
C4 = 330p keraaminen levy
C5 = 4n7 polyesterikerros
C6 = 3n3 polyesterikerros
C7 = 470n polyesterikerros
Puolijohteet
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = katso teksti
Sekalaiset
SK1 3,5 mm: n liitin
Piirilevy, kotelo, akku jne

Kuituoptiikkavastaanotinpiiri

Ensisijaisen valokuituvastaanottimen piirikaavio voidaan nähdä alla olevan kaavion yläosassa, ulostulosuodatinpiiri on piirretty juuri vastaanotinpiirin alapuolelle. Vastaanottimen lähtö voidaan nähdä yhdistettynä suodattimen tuloon harmaan viivan kautta.

D1 muodostaa ilmaisindiodi ja se toimii päinvastaisessa esijännitysasennossa, jossa sen vuotovastus auttaa luomaan eräänlaisen valosta riippuvan vastuksen tai LDR-vaikutuksen.

R1 toimii kuin kuormitusvastus, ja C2 luo yhteyden ilmaisimen vaiheen ja tulovahvistimen tulon välille. Tämä muodostaa kaksivaiheisen kapasitiivisesti liitetyn verkon, jossa nämä kaksi vaihetta toimivat yhdessä yleinen päästö -tilassa.

Tämä mahdollistaa ylivoimaisen kokonaisjännitteen vahvistuksen, joka on yli 80 dB. koska syötetään melko voimakas tulosignaali, tämä tarjoaa riittävän korkean lähtöjännitteen värähtelyn Tr2-keräystapissa monostabiili monivibraattori .

Jälkimmäinen on tavallinen CMOS-tyyppi, joka on rakennettu käyttämällä pari 2-tuloista NOR-porttia (IC1a ja IC1b), ja C4 ja R7 toimivat kuten ajastuselementit. Paria muuta IC1-porttia ei käytetä, vaikka niiden tulot voidaan nähdä koukussa maahan pyrkiessään estämään näiden porttien väärä kytkentä harhautuneen nousun vuoksi.

Viitaten IC2a ​​/ b: n ympärille rakennettuun suodatinvaiheeseen, se on pohjimmiltaan 2/3 asteen (18 dB / oktaavi) suodatinjärjestelmä, jonka spesifikaatiot ovat yleisiä lähetinpiirit . Ne on yhdistetty sarjaan muodostamaan yhteensä 6 napaa ja yleinen vaimennusnopeus 36 dB / oktaavi.

Tämä tarjoaa noin 100 dB kantoaaltosignaalin vaimennusta minimitaajuusalueellaan ja lähtösignaalin, jolla on suhteellisen matala kantoaaltosignaalitaso. Kuituoptiikkapiiri pystyy käsittelemään jopa 1 voltin RMS: n tulojännitteitä suunnilleen ilman kriittisiä vääristymiä ja auttamaan työskentelemään järjestelmän pienemmällä kuin yhtenäisjännitevahvistuksella.

Kuituoptisen vastaanottimen ja suodattimen komponentit

Vastukset (kaikki 1/4 wattia 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1 M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 - R15 10k (6 pois päältä)
Kondensaattorit
C1 = 100µ10V elektrolyyttinen
C2 = 2n2 polyesteri
C3 = 2n2 polyesteri
C4 = 390p keraaminen
C5 = 1 u 63 V elektrolyyttinen
C6 = 3n3 polyesteri
C7 = 4n7 polyesteri
C8 = 330 pF keraaminen
C9 = 3n3 polyesteri
C10 = 4n7 polyesteri

Puolijohteet
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 pois päältä)
D1 = Katso teksti
Sekalaiset
SK1 = 25-tie D-liitin
Kotelo, piirilevy, johto jne.




Pari: Zener-diodipiirit, ominaisuudet, laskelmat Seuraava: Peruselektroniikka selitetty