Száloptikai áramkör - adó és vevő

Az elektronikus jeleket évtizedek óta meglehetősen sikeresen elküldték szokásos „vezetékes” kapcsolatokon keresztül, vagy különféle típusú rádió linkek használatával, amelyeknek sok hátránya volt.

Másrészről az optikai összeköttetések, függetlenül attól, hogy audio vagy video összeköttetésekre használják-e őket hosszú távon, vagy kis távolságok kezelésére, különféle előnyöket nyújtanak a normál vezetékes kábelekhez képest.

Hogyan működik a száloptika

A száloptikai áramkörtechnikában egy optikai szálas összeköttetést használnak a digitális vagy analóg adatok fényfrekvenciás formában történő továbbítására egy olyan kábelen keresztül, amelynek erősen fényvisszaverő központi magja van.

Belső téren az optikai szál erősen visszaverő központi magból áll, amely fényvezetőként működik, és a fényvisszaverő falakon keresztüli folyamatos oda-vissza visszaverődések révén fényt visz át rajta.

Az optikai kapcsolat általában tartalmaz egy elektromos frekvencia-fény frekvenciaváltó áramkört, amely a digitális vagy audiojeleket fényfrekvenciává alakítja. Ezt a fényfrekvenciát az optikai szál egyik végére „befecskendezik” a erős LED . Ezután a fényt az optikai kábelen keresztül el kell juttatni a tervezett rendeltetési helyre, ahol egy fotocella és egy erősítő áramkör amely a fényfrekvenciát visszaalakítja az eredeti digitális formává vagy audiofrekvencia formává.

A száloptika előnyei

A száloptikás áramköri kapcsolatok egyik fő előnye, hogy tökéletesen ellenállnak az elektromos interferenciának és a kóbor felvételeknek.

A probléma megoldására szabványos „kábeles” linkeket lehetne kialakítani, azonban a probléma teljes felszámolása nagy kihívást jelenthet.

Éppen ellenkezőleg, a száloptikai kábel nem elektromos jellemzői segítik az elektromos interferenciát lényegtelenné tenni, eltekintve a vevő végén felvehető zavaroktól, de ez kiküszöbölhető a vevő áramkörének hatékony árnyékolásával is.

Hasonlóképpen, a szokásos elektromos kábelen keresztül vezetett szélessávú jelek gyakran eloszlatják az elektromos zavarokat, és a rádió- és televíziós jelek elakadását okozzák.

De megint: egy száloptikai kábel esetében valóban kiderülhet, hogy teljesen mentes az elektromos emissziótól, és annak ellenére, hogy az adóegység esetleg kikapcsol némi rádiófrekvenciás sugárzást, meglehetősen egyszerű az alap szűrési stratégiák alkalmazásával bekötni.

Ennek a plusz pontnak köszönhető, hogy a sok optikai kábelt magában foglaló rendszerek egymás mellett működnek, és nincsenek bonyodalmai vagy problémái a keresztbeszélgetésekkel.

Természetesen a fény szivároghat egyik kábelről a másikra, de az optikai kábeleket általában fényálló külső hüvelybe burkolják, amely ideális esetben megakadályozza a fényszivárgás bármilyen formáját.

Ez az erős árnyékolás a száloptikai kapcsolatokban ésszerűen biztonságos és megbízható adatátvitelt biztosít.

További előny, hogy a száloptika mentes a tűzveszélytől, mivel nincs áram vagy nagy áram.

Az összeköttetés egészében jó elektromos szigeteléssel is rendelkezünk annak biztosítása érdekében, hogy a földi hurkokkal járó szövődmények képtelenek legyenek kialakulni. Megfelelő adó- és vevőáramkörök révén jól alkalmazható száloptikai kapcsolatokra a jelentős sávszélesség-tartományok kezelésére.

Széles sávú kapcsolatok hozhatók létre koaxiális tápkábeleken keresztül is, bár a modern optikai kábelek általában kisebb veszteségeket tapasztalnak a koaxiális típusokhoz képest a széles sávszélességű alkalmazásokban.

Az optikai kábelek tipikusan vékonyak és könnyűek, és immunisak az éghajlati viszonyokra és számos vegyi anyagra is. Ez gyakran lehetővé teszi, hogy gyorsan alkalmazzák őket barátságtalan környezetben vagy kedvezőtlen esetekben, ahol az elektromos kábelek, különösen a koaxiális típusok egyszerűen nagyon hatástalannak bizonyulnak.

Hátrányok

Bár a száloptikai áramkörnek annyi előnye van, ennek is van néhány lefelé néző oldala.

A nyilvánvaló hátrány az, hogy az elektromos jeleket nem lehet közvetlenül továbbítani egy optikai kábelbe, és több esetben a létfontosságú kódoló és dekóder áramkörök költségei és problémái meglehetősen inkompatibilisek.

Az optikai szálakkal végzett munka során fontos megjegyezni, hogy általában meghatározott átmérőjük van, és ha ezeket élesebb görbével csavarják, akkor a kábel fizikai sérüléseket okoz az adott kanyarban, használhatatlanná téve azt.

A „minimális hajlítási” sugár, ahogy az adatlapokban szokás nevezni, jellemzően körülbelül 50 és 80 milliméter között van.

Az ilyen hajlítások következménye egy normál vezetékes hálózati kábelben csak semmi lehet, azonban egy száloptikai kábel esetében még a kis szoros kanyarok is akadályozhatják a fényjelek terjedését, ami drasztikus veszteségekhez vezet.

A száloptika alapjai

Noha számunkra úgy tűnhet, hogy az optikai kábel egyszerűen üvegszálból áll, amelyet fényálló külső hüvely borít, a helyzet ennél sokkal előrehaladottabb.

Manapság az üvegszál többnyire polimer és nem tényleges üveg formában van, és a felállított szabvány a következő ábrán látható lehet. Itt láthatunk egy központi törzset, amelynek nagy a törésmutatója, és egy külső árnyékolást, csökkentett törésmutatóval.

A fénytörés ott, ahol a belső izzószál és a külső burkolat kölcsönhatásban van, lehetővé teszi a fény áthaladását a kábelen keresztül azáltal, hogy hatékonyan ugrál a falon át a falig a kábelen keresztül.

Ez a fénynek a kábelfalakon való visszapattanása teszi lehetővé a kábel futását, mint egy fényvezető, amely simán viszi a megvilágítást a sarkokban és az ívekben.

Magas rendű üzemmódú fényterjesztés

A fény visszaverésének szögét a kábel tulajdonságai és a fény bemeneti szöge határozza meg. A fenti ábrán a fénysugár látható a „nagy rendelési mód” szaporítás.

Alacsony rendű üzemmódú fényterjesztés

Ugyanakkor talál olyan kábeleket, amelyeknek a fénye alacsonyabb szöggel táplálkozik, és ennek következtében a kábelfalak jelentősen széles szöget zárnak be. Ez az alacsonyabb szög lehetővé teszi, hogy a fény viszonylag nagyobb távolságban haladjon a kábelen keresztül minden egyes ugráláskor.

A fényátadásnak ezt a formáját nevezik „alacsony rendelési mód” szaporítás. Mindkét üzemmód gyakorlati jelentősége az, hogy a magas rendű üzemmódban a kábelen keresztül vezető fénynek jelentősen tovább kell haladnia az alacsony rendű üzemmódban terjedő fényhez képest. Ez elkenődik a kábelen továbbított jelek csökkentésével az alkalmazás frekvenciatartományában.

Ez azonban csak rendkívül széles sávszélességű kapcsolatoknál releváns.

Egymódos kábel

Nálunk is van „Single mode” típusú kábelek, amelyek egyszerűen egyetlen terjedési mód engedélyezésére szolgálnak, de valójában nem szükséges a kábel ilyen formájának használata a cikkben részletezett, viszonylag keskeny sávszélességű technikákkal. Ezenkívül találkozhat egy alternatív típusú kábellel is „osztályozott index” kábel.

Ez valójában meglehetősen hasonlít a korábban tárgyalt lépcsős indexkábelre, bár a kábel közepe közelében lévő magas törésmutatóból a külső hüvely közelében lévő csökkentett értékű progresszív átalakulás van.

Ez azt eredményezi, hogy a fény a kábelen mélyen áthalad a korábban ismertetett módon, de a fénynek görbe úton kell haladnia (a következő ábra szerint) ahelyett, hogy egyenes vonalakon terjedne.

Optikai szál méretek

Az optikai szálas kábelek tipikus mérete 2,2 milliméter, a belső szál átlagos mérete körülbelül 1 milliméter. Számos olyan csatlakozó található, amely hozzáférhető az ilyen méretű kábelek közötti csatlakozásokhoz, számos olyan rendszer mellett, amely összeköti az egyenlően megfelelő kábeleket.

A normál csatlakozó rendszer tartalmaz egy „dugót”, amely a kábel hegyére van felszerelve, és rögzíti azt a „aljzat” terminálhoz, amely általában az áramköri lap tetején van, és van egy rése a fotocella befogadására (ez képezi a sugárzót vagy az érzékelőt). az optikai rendszer).

A száloptikai áramkörök tervezését befolyásoló tényezők

Az egyik fontos szempont, amelyre emlékezni kell a száloptikában, az emitter csúcskimeneti specifikációi fotocella a fény hullámhosszára. Ezt ideális esetben úgy kell kiválasztani, hogy megfeleljen az átviteli frekvenciának a megfelelő érzékenységgel.

A második szempont, amire emlékezni kell, hogy a kábelt csak korlátozott sávszélesség-tartományban kell megadni, ami azt jelenti, hogy a veszteségeknek a lehető legkisebbnek kell lenniük.

Az optikai szálakban általában használt optikai érzékelőket és adókat többnyire a számítógépen működnek infravörös tartomány a legnagyobb hatékonysággal, míg egyesek célja lehet, hogy a látható fényspektrummal működjenek a legjobban.

Az optikai kábeleket gyakran befejezetlen végződésekkel szállítják, ami nagyon eredménytelen lehet, hacsak a végeket nem megfelelően vágják le és nem dolgozzák meg.

Jellemzően a kábel tisztességes hatásokat fog biztosítani, ha egy borotvaéles modellező késsel derékszögben szeletelik, és egy lépésben tisztán aprítja a kábel végét.

Finom reszelő használható a szeletelt végek polírozásához, de ha csak a végeit vágta le, ez nem biztos, hogy jelentősen növeli a fényhatékonyságot. Rendkívül fontos, hogy a vágás éles, éles és merőleges legyen a kábel átmérőjére.

Ha a vágásnak van némi szöge, az jelentősen romolhatja a hatékonyságot a fénytáp szögének eltérése miatt.

Egyszerű száloptikai rendszer tervezése

A száloptikás kommunikációval kipróbálni vágyók számára egy audio link létrehozása az alapvető módszer.

Legelemibb formájában ez tartalmazhat egy egyszerű amplitúdó-modulációs áramkört, amely megváltoztatja a LED adó fényerő az audio bemeneti jel amplitúdójának megfelelően.

Ez ekvivalensen moduláló áramválaszt okozna a fotocella-vevőn, amelyet feldolgozva egy megfelelően változó feszültséget generálnak egy számított terhelési ellenálláson a fotocellával sorba.

Ezt a jelet felerősítjük, hogy továbbítsuk az audio kimeneti jelet. A valóságban ez az alapvető megközelítés saját hátrányokkal járhat, a legfontosabb lehet egyszerűen a fotocellák elégtelen linearitása.

A linearitás hiánya arányos torzítás formájában befolyásolja az optikai összeköttetést, amely később rossz minőségű lehet.

Általában lényegesen jobb eredményeket kínáló módszer a frekvencia modulációs rendszer, amely alapvetően megegyezik a szabványban alkalmazott rendszerrel VHF rádióadás .

Azonban ilyen esetekben 100 kHz körüli vivőfrekvencia vesz részt a hagyományos 100 MHz helyett, amelyet a 2. sáv rádióadásában használnak.

Ez a megközelítés meglehetősen egyszerű lehet, amint azt az alábbi blokkdiagram mutatja. Bemutatja azt az elvet, amelyet ennek a formának az egyirányú összekapcsolására hoztak létre. Az adó valójában egy feszültségvezérelt oszcillátor (VCO), és ahogy a cím is sugallja, ebből a kiviteli módból származó kimeneti frekvencia egy vezérlőfeszültségen keresztül állítható be.

Ez a feszültség lehet a hangbemenet átvitele, és amint a jel feszültsége felfelé és lefelé ingadozik, a VCO kimeneti frekvenciája is változik. A aluláteresztő szűrő beépítve van, hogy finomítsa az audio bemeneti jelet, mielőtt az a VCO-ra kerülne.

Ez segít abban, hogy a heterodin „sípok” ne keletkezzenek a feszültségvezérelt oszcillátor és az esetleges nagyfrekvenciás bemeneti jelek közötti ütemhangok miatt.

Általában a bemeneti jel csak az audio frekvenciatartományt fedi le, de előfordulhat, hogy magasabb frekvenciákon torzító tartalmat talál, és a vezetékről felvett rádiójelek kölcsönhatásba lépnek a VCO jelével vagy a VCO kimeneti jele körüli harmonikusokkal.

A kibocsátó eszközt, amely lehet egyszerűen LED, a VCO kimenet vezérli. Az optimális eredmény érdekében ez a LED általában a nagy teljesítményű LED . Ez szükségessé teszi a a vezető puffer szakaszának használata a LED-áram működtetéséhez.

Ez a következő szakasz a monostabil multivibrátor amelyet nem lehet visszahúzható típusként megtervezni.

Ez lehetővé teszi a szakasz számára, hogy kimeneti impulzusokat generáljon a C / R időzítő hálózat által meghatározott időközönként, amely független a bemeneti impulzus időtartamától.

Működési hullámforma

Ez könnyű, mégis hatékony frekvencia-feszültség-átalakítást eredményez, amelynek hullámalakja a következő ábrán látható módon világosan megmagyarázza annak működési mintázatát.

Az a) ábrán a bemeneti frekvencia 1–3 jel-tér aránnyal generál kimenetet a monostabilból, és a kimenet az idő 25% -ában magas állapotban van.

Az átlagos kimeneti feszültség (a pontozott vonalon belül ábrázolva) ennek eredményeként a kimeneti HIGH állapot 1/4 része.

A fenti (b) ábrán láthatjuk, hogy a bemeneti frekvencia kétszeresére nőtt, ami azt jelenti, hogy kétszer több kimeneti impulzust kapunk egy meghatározott időintervallumra, 1: 1 jelterületi aránnyal. Ez lehetővé teszi számunkra, hogy átlagos kimeneti feszültséget kapjunk, amely a HIGH kimeneti állapot 50% -a, és az előző példa kétszerese.

Egyszerűbben fogalmazva: a monostabil nemcsak a frekvencia feszültséggé történő átalakítását segíti elő, hanem emellett lehetővé teszi az átalakítást, hogy lineáris karakterisztikát kapjon. A monostabil kimenet önmagában nem képes audio frekvenciajelet létrehozni, hacsak nincs beépítve egy aluláteresztő szűrő, amely biztosítja, hogy a kimenet megfelelő audio jellé stabilizálódjon.

A frekvencia-feszültség-átalakítás ezen egyszerű módszerének elsődleges problémája az, hogy a stabilizált kimenet létrehozásához a VCO minimális kimeneti frekvenciájánál magasabb szintű (lényegében 80 dB vagy nagyobb) csillapításra van szükség.

De ez a módszer valóban egyszerű és más szempontokból megbízható, és a modern áramkörökkel együtt nem biztos, hogy nehéz egy megfelelően pontos kimeneti szűrő fokozatot megtervezni levágott jellemző .

A kimeneten lévő többlet vivőjel kis szintje nem biztos, hogy túl kritikus és figyelmen kívül hagyható, mert a vivő általában olyan frekvenciákon van, amelyek nem tartoznak az audio tartományba, és ennek eredményeként a kimeneten fellépő esetleges szivárgások nem lesznek hallhatók.

Száloptikai adó áramkör

A teljes száloptikai adó kapcsolási rajza alább látható. Számos olyan integrált áramkört talál, amely alkalmas a VCO működéséhez, valamint sok más, különálló alkatrészek felhasználásával felépített konfigurációt.

De olcsó technika esetén a széles körben használt NE555 válik az előnyben részesített lehetőségké, és bár bizonyosan olcsó, mégis meglehetősen jó teljesítmény-hatékonysággal jár. Frekvencia modulálható a bemeneti jel integrálásával az IC 5. érintkezőjébe, amely összekapcsolódik azzal a feszültségosztóval, amely úgy van konfigurálva, hogy létrehozza az 1/5 V + és 2/3 V + kapcsolási határokat az IC 555 számára.

Lényegében a felső határt növelik és csökkentik, hogy a C2 időzítő kondenzátornak a két tartomány közötti váltásra fordított ideje ennek megfelelően növekedjen vagy csökkenjen.

A Tr1 úgy van bekötve, mint egy kibocsátó követő puffer fokozat, amely biztosítja a LED (D1) optimális megvilágításához szükséges nagy meghajtó áramot. Bár maga az NE555 jó 200 mA áramerősséggel rendelkezik a LED számára, a LED külön áramvezérelt meghajtója lehetővé teszi a kívánt LED-áram pontos és megbízhatóbb módszerrel történő létrehozását.

Az R1 úgy van beállítva, hogy a LED-áramot kb. 40 milliamperre rögzítse, de mivel a LED-et 50% -os munkaciklus mellett kapcsolják be / ki, ez lehetővé teszi a LED-nek, hogy a tényleges névleges értéknek csak 50% -ával működjön, ami kb.

A kimeneti áram növelhető vagy csökkenthető az R1 érték beállításával, amikor ez szükségesnek tűnik.

Alkatrészek száloptikai adóellenállásokhoz (mind 1/4 wattos, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondenzátorok
C1 = 220µ 10V választott
C2 = 390pF kerámialemez
C3 = 1u 63V választott
C4 = 330p kerámia lemez
C5 = 4n7 poliészter réteg
C6 = 3n3 poliészter réteg
C7 = 470n poliészter réteg
Félvezetők
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = lásd a szöveget
Vegyes
SK1 3,5 mm-es aljzat
Áramköri kártya, tok, akkumulátor stb

Száloptikai vevő áramkör

Az elsődleges száloptikai vevő kapcsolási rajza az alábbi ábra felső részében látható, a kimeneti szűrő áramköre éppen a vevő áramkör alá van rajzolva. A vevő kimenete látható egy szürke vonalon keresztül összekapcsolva a szűrő bemenetével.

D1 alkotja detektor dióda , és fordított előfeszítéssel működik, amelyben szivárgási ellenállása segít egyfajta fényfüggő ellenállás vagy LDR hatás létrehozásában.

Az R1 úgy működik, mint egy terhelési ellenállás, és a C2 kapcsolatot teremt az érzékelő fokozata és a bemeneti erősítő bemenete között. Ez egy kétlépcsős kapacitívan összekapcsolt hálózatot alkot, ahol a két szakasz együttesen működik a közönséges kibocsátó mód.

Ez lehetővé teszi a 80 dB-nél nagyobb felsőbb általános feszültségnövekedést. mivel meglehetősen erős bemeneti jelet adunk, ez a Tr2 kollektorcsapjánál megfelelő magas kimeneti feszültség-oszcillációt biztosít a monostabil multivibrátor .

Ez utóbbi egy szabványos CMOS típus, amelyet két 2-bemenetes NOR kapu (IC1a és IC1b) felhasználásával építettek, a C4 és R7 pedig időzítő elemként működnek. Az IC1 másik pár kapuját nem használják, bár a bemeneteik a földhöz kötődve láthatók annak érdekében, hogy megakadályozzák ezen kapuk hamis kapcsolását a kóbor felvétel miatt.

Az IC2a ​​/ b köré épített szűrőfokozatra hivatkozva alapvetően egy 2/3-as (18 dB / oktáv) szűrőrendszer, amelynek specifikációi általában a adó áramkörök . Ezeket sorba kötjük, így összesen 6 pólust és egy általános okt dB-es 36 dB-es csillapítási arányt hozunk létre.

Ez hozzávetőlegesen 100 dB vivőjelet képes csillapítani a minimális frekvenciatartományban, és egy kimeneti jelet viszonylag alacsony vivőjelszinttel. Az optikai áramkör képes 1 V RMS bemeneti feszültséget kezelni, hozzávetőlegesen kritikus torzítás nélkül, és segíthet a rendszer egységesnél kisebb feszültségerősítésénél kisebb mértékben dolgozni.

Száloptikai vevő és szűrő alkatrészei

Ellenállások (mind 1/4 wattos 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 - R15 10k (6 le)
Kondenzátorok
C1 = 100µ10V elektrolitikus
C2 = 2n2 poliészter
C3 = 2n2 poliészter
C4 = 390p kerámia
C5 = 1µ 63V elektrolitikus
C6 = 3n3 poliészter
C7 = 4n7 poliészter
C8 = 330pF kerámia
C9 = 3n3 poliészter
C10 = 4n7 poliészter

Félvezetők
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 kedvezmény)
D1 = Lásd a szöveget
Vegyes
SK1 = 25 utas D csatlakozó
Tok, áramköri kártya, vezeték stb.