Optično vezje - oddajnik in sprejemnik

Elektronski signali se že desetletja dokaj uspešno pošiljajo prek standardnih „trdožičnih“ povezav ali z uporabo različnih vrst radijskih povezav, ki so imele številne pomanjkljivosti.

Po drugi strani pa optične povezave, ki se uporabljajo za avdio ali video povezave na velike razdalje ali za obdelavo majhnih razdalj, ponujajo nekaj posebnih prednosti v primerjavi z običajnimi žičnimi kabli.

Kako deluje optična vlakna

V tehnologiji optičnih vlaken se optična vlakna uporablja za prenos digitalnih ali analognih podatkov v obliki svetlobne frekvence prek kabla, ki ima močno odsevno osrednje jedro.

Optično vlakno je v notranjosti sestavljeno iz visoko odsevnega osrednjega jedra, ki deluje kot svetlobni vodnik za prenos svetlobe skozi njega s pomočjo neprekinjenih odsevov sem in tja po svojih odsevnih stenah.

Optična povezava običajno vključuje vezje pretvornika električne frekvence v svetlobno frekvenco, ki digitalne ali zvočne signale pretvori v svetlobno frekvenco. Ta svetlobna frekvenca se skozi injektor 'vbrizga' na enega od koncev optičnega vlakna močna LED . Nato lahko svetloba potuje skozi optični kabel do predvidenega cilja, kjer jo sprejme fotocelica in an ojačevalno vezje ki pretvori svetlobno frekvenco nazaj v prvotno digitalno obliko ali zvočno frekvenčno obliko.

Prednosti optične vlakne

Ena glavnih prednosti optičnih vezij je njihova popolna odpornost na električne motnje in nenamerne sprejemnike.

Standardne 'kabelske' povezave bi lahko zasnovali za zmanjšanje te težave, vendar je lahko popolno izkoreninjenje te težave veliko zahtevno.

Nasprotno, neelektrične značilnosti optičnega kabla pomagajo, da so električne motnje nepomembne, razen nekaterih motenj, ki bi jih lahko ujeli na koncu sprejemnika, vendar jih je mogoče odpraviti tudi z učinkovitim ščitenjem sprejemniškega vezja.

Podobno tudi širokopasovni signali, usmerjeni prek običajnega električnega kabla, pogosto razpršijo električne motnje, ki povzročajo motenje radijskih in televizijskih signalov v bližini.

Toda spet se lahko v primeru optičnega kabla resnično izkaže, da nima električnih emisij, in čeprav lahko oddajna enota morda sproži nekaj radiofrekvenčnega sevanja, je preprosto, če ga zaprete z uporabo osnovnih strategij presejanja.

Zaradi te pozitivne točke sistemi, ki vključujejo veliko optičnih kablov, ki delujejo skupaj, nimajo zapletov ali težav z navzkrižnimi pogovori.

Seveda lahko svetloba uhaja iz enega kabla v drugega, toda kabli iz optičnih vlaken so običajno zaprti v svetlobno odporno zunanjo oblogo, ki v idealnem primeru preprečuje kakršno koli uhajanje svetlobe.

Ta močna zaščita v optičnih povezavah zagotavlja razmeroma varen in zanesljiv prenos podatkov.

Druga prednost je, da optična vlakna nimajo nevarnosti požara, saj ne gre za elektriko ali močan tok.

V celotni povezavi imamo tudi dobro električno izolacijo, ki zagotavlja, da se zapleti z zemeljskimi zankami ne morejo razviti. Z ustreznimi oddajnimi in sprejemnimi vezji postanejo optične povezave primerne za obdelavo znatnega obsega pasovne širine.

Široke pasovne povezave bi lahko ustvarili tudi s koaksialnimi napajalnimi kabli, čeprav imajo sodobni optični kabli običajno izgube v primerjavi s koaksialnimi tipi v aplikacijah s široko pasovno širino.

Optični kabli so običajno tanki in lahki ter odporni na podnebne razmere in številne kemične snovi. To jim pogosto omogoča hitro uporabo v negostoljubnem okolju ali neugodnih scenarijih, kjer se električni kabli, zlasti koaksialni tipi, preprosto izkažejo za zelo neučinkovite.

Slabosti

Čeprav ima optično vezje toliko prednosti, imajo te tudi nekaj spodnjih strani.

Navidezna pomanjkljivost je, da električnih signalov ni mogoče prenesti neposredno v optični kabel, v več primerih pa so stroški in težave, s katerimi se srečujejo vitalni dajalniki in dekodirna vezja, precej nezdružljivi.

Ključnega pomena, ki si ga je treba zapomniti pri delu z optičnimi vlakni, je, da imajo običajno določen najmanjši premer, in ko so ti zviti z ostrejšo krivuljo, kabel na tem ovinku povzroči fizične poškodbe, zaradi česar je neuporaben.

Najmanjši polmer upogiba, kot se običajno imenuje v obrazcih, je običajno med približno 50 in 80 milimetri.

Posledica takšnih zavojev v običajnem žičnem omrežnem kablu ne bi bila prav nič, vendar pa lahko pri optičnih kablih tudi majhni ovinki ovirajo širjenje svetlobnih signalov, kar vodi do drastičnih izgub.

Osnove optične optike

Čeprav se nam morda zdi, da je optični kabel preprosto sestavljen iz steklenih filamentov, prekritih z zunanjo svetlobno zaščitno oblogo, so razmere v resnici precej bolj napredne od te.

Danes je steklena nitka večinoma v obliki polimera in ni dejansko steklo, standard pa je lahko tak, kot je prikazan na naslednji sliki. Tu lahko vidimo osrednje jedro z visokim lomnim količnikom in zunanjo zaščito z zmanjšanim lomnim količnikom.

Lom, pri katerem notranja žarilna nitka in zunanja obloga medsebojno delujeta, omogočata svetlobno prehod skozi kabel z učinkovitim preskakovanjem po steni do stene do konca skozi kabel.

To odbijanje svetlobe čez stene kablov omogoča, da kabel teče kot svetlobni vodnik in gladko prenaša osvetlitev okoli vogalov in ovinkov.

Razširjanje svetlobe v načinu visokega reda

Kot, pod katerim se odbija svetloba, je določen z lastnostmi kabla in vhodnim kotom svetlobe. Na zgornji sliki je svetlobni žarek viden skozi a 'način visokega reda' razmnoževanje.

Razširjanje svetlobe v načinu nizkega naročila

Vendar boste našli kable s svetlobo, ki se napaja z plitvejšim kotom, zaradi česar se ta odbija med stenami kablov s precej širokim kotom. Ta spodnji kot omogoča svetlobi, da potuje na sorazmerno večji razdalji skozi kabel pri vsakem odboju.

Ta oblika prenosa svetlobe se imenuje 'način nizkega reda' razmnoževanje. Praktični pomen obeh načinov je, da mora svetloba, ki izstopa po kablu v načinu visokega reda, potovati občutno dlje v primerjavi s svetlobo, ki se širi v načinu nizkega reda. To zabriše signale, oddane po kablu, kar zmanjša frekvenčno območje aplikacije.

Vendar je to pomembno le pri izredno širokopasovnih povezavah.

Enotni kabel

Imamo tudi 'En način' kabli, ki so namenjeni zgolj za omogočanje enega samega načina širjenja, vendar v resnici ni treba uporabljati te oblike kabla s sorazmerno ozko pasovno širino, podrobno opisanimi v tem članku. Nadalje lahko naletite na nadomestno vrsto kabla z imenom 'stopnjevan indeks' kabel.

To je pravzaprav precej podobno stopenjskemu indeksnemu kablu, o katerem smo že govorili, čeprav obstaja postopna preobrazba z visokega lomnega količnika blizu središča kabla na zmanjšano vrednost blizu zunanje obloge.

To povzroči, da svetloba prehaja globoko čez kabel na precej podoben način, kot je bilo razloženo prej, vendar mora svetloba iti po ukrivljeni poti (kot na naslednji sliki), namesto da bi se širila po ravnih črtah.

Dimenzije optičnih vlaken

Tipična dimenzija kablov iz optičnih vlaken je 2,2 milimetra, povprečna dimenzija notranjega vlakna pa je približno 1 milimeter. Poleg številnih sistemov, ki priključijo enako ujemajoče se kable, lahko najdete tudi več priključkov, ki so dostopni za povezave te velikosti kabla.

Običajni konektorski sistem vključuje 'vtič', ki je nameščen na konici kabla in ga varuje pred 'vtičnico', ki je običajno pritrjena na vezje z režo za namestitev fotocelice (ki tvori oddajnik ali detektor optični sistem).

Dejavniki, ki vplivajo na zasnovo optičnih vlaken

Eden ključnih vidikov, ki si ga je treba zapomniti pri optični vlakni, so najvišje izhodne zahteve oddajnika fotocelico za svetlobno valovno dolžino. Ta mora biti idealno izbrana tako, da se frekvenca prenosa ujema z ustrezno občutljivostjo.

Drugi dejavnik, ki si ga je treba zapomniti, je, da bo kabel določen le z omejenim pasovno širino, kar pomeni, da morajo biti izgube čim manjše.

Optični senzorji in oddajniki, ki se običajno uporabljajo v optičnih vlaknih, so večinoma ocenjeni tako, da delujejo na infrardeče območje z največjo učinkovitostjo, medtem ko je nekaterim namenjeno, da najbolje delujejo s spektrom vidne svetlobe.

Kabli iz optičnih vlaken se pogosto dobavljajo z nedokončanimi zaključnimi konci, kar je lahko zelo neproduktivno, razen če so konci ustrezno obrezani in obdelani.

Običajno bo kabel prinesel spodobne učinke, če ga boste z rezalnim nožem za rezanje pod pravim kotom razrezali pod pravim kotom in v enem dejanju čisto sekali konec kabla.

Fino datoteko lahko uporabimo za poliranje narezanih koncev, če pa ste ravnokar odrezali konce, to morda ne bo pomagalo bistveno povečati svetlobne učinkovitosti. Ključno je, da je rez oster, hrustljav in pravokoten na premer kabla.

Če ima rezanje nekaj kota, lahko močno poslabša učinkovitost zaradi odstopanja kota podajanja svetlobe.

Oblikovanje enostavnega optičnega sistema

Osnovni način za začetek za vse, ki želijo preizkusiti stvari z optičnimi komunikacijami, bi bil ustvariti zvočno povezavo.

V svoji najosnovnejši obliki lahko to vključuje preprosto amplitudno modulacijsko vezje, ki spreminja LED oddajnik svetlost v skladu z amplitudo vhodnega zvočnega signala.

To bi povzročilo enakovredno modulirajoči odziv toka preko sprejemnika fotocelice, ki bi se obdelal, da bi ustvaril ustrezno spremenljivo napetost na izračunanem obremenitvenem uporu, zaporedno s fotocelico.

Ta signal bi bil ojačan za oddajanje izhodnega zvočnega signala. V resnici ima ta temeljni pristop lahko svoje slabosti, glavna pa je lahko preprosto nezadostna linearnost fotocelic.

Odsotnost linearnosti vpliva na sorazmerno stopnjo popačenja optične povezave, ki je lahko posledično slabe kakovosti.

Metoda, ki običajno ponuja bistveno boljše rezultate, je sistem frekvenčne modulacije, ki je v bistvu enak sistemu, ki se uporablja v standardu VHF radijske oddaje .

Vendar je v takih primerih vključena nosilna frekvenca približno 100 kHz namesto običajnih 100 MHz, kot se uporabljajo pri radiofrekvenčnem pasu 2.

Ta pristop je lahko precej preprost, kot je prikazano na spodnjem blokovnem diagramu. Prikazuje načelo, postavljeno za enosmerno povezavo te oblike. Oddajnik je dejansko napetostno nadzorovan oscilator (VCO) in, kot je razvidno iz naslova, je izhodno frekvenco te zasnove mogoče prilagoditi z nadzorno napetostjo.

Ta napetost je lahko prenos vhodnega zvoka in ko napetost signala niha navzgor in navzdol, bo tudi izhodna frekvenca VCO. A nizkopasovni filter je vgrajen za izboljšanje avdio vhodnega signala, preden se uporabi na VCO.

To pomaga preprečevati nastajanje heterodinskih 'piščal' zaradi utripov med napetostno nadzorovanim oscilatorjem in morebitnimi visokofrekvenčnimi vhodnimi signali.

Običajno vhodni signal pokriva samo frekvenčno območje zvoka, vendar lahko na višjih frekvencah najdete popačeno vsebino in radijske signale, ki se zajemajo iz ožičenja in komunicirajo s signalom VCO ali harmoniki okoli izhodnega signala VCO.

Naprava za oddajanje, ki je lahko zgolj LED, poganja izhod VCO. Za optimalen rezultat je ta LED običajno a LED z visoko močjo . To zahteva uporaba stopnje medpomnilnika gonilnika za upravljanje moči LED.

Naslednja faza je monostabilen multivibrator ki mora biti zasnovan kot nepovratni tip.

To omogoča stopnji, da generira izhodne impulze skozi intervale, kot jih določa časovno omrežje C / R, ki je neodvisno od trajanja vhodnega impulza.

Operativni valovni oblik

To zagotavlja enostavno, a učinkovito pretvorbo frekvence v napetost, pri čemer valovna oblika, kot je prikazana na naslednji sliki, jasno pojasnjuje njen obratovalni vzorec.

Na sliki (a) vhodna frekvenca ustvari izhod iz monostabilnosti z razmerjem med 1 in 3 označenim prostorom, izhod pa je v visokem stanju 25% časa.

Povprečna izhodna napetost (kot je prikazano znotraj črtkane črte) je rezultat 1/4 izhodnega HIGH stanja.

Na sliki (b) zgoraj lahko vidimo, da se je vhodna frekvenca povečala za dvakrat, kar pomeni, da dobimo dvakrat več izhodnih impulzov za določen časovni interval z razmerjem razmika med znaki 1: 1. To nam omogoča, da dobimo povprečno izhodno napetost, ki je 50% VISOKEGA izhodnega stanja, in 2-krat večjo velikost prejšnjega primera.

Preprosto povedano, monostabilnost ne le pomaga pretvarjati frekvenco v napetost, temveč tudi pretvorbi omogoča linearno karakteristiko. Izhod samo iz monostabilnega zvoka ne more zgraditi zvočnega frekvenčnega signala, razen če je vgrajen nizkopasovni filter, ki zagotavlja stabilizacijo izhoda v ustrezen zvočni signal.

Primarna težava te preproste metode pretvorbe frekvence v napetost je ta, da je treba pri najmanjši izhodni frekvenci VCO zmanjšati dušenje na višji ravni (v bistvu 80 dB ali več), da lahko ustvari stabiliziran izhod.

Toda ta metoda je res preprosta in zanesljiva z drugih vidikov in skupaj s sodobnimi vezji morda ne bo težko načrtovati stopnje izhodnega filtra z ustrezno natančnostjo odrezana značilnost .

Majhna raven presežnega nosilnega signala na izhodu morda ni preveč kritična in bi jo lahko prezrli, ker je nosilec praviloma na frekvencah, ki niso znotraj zvočnega obsega, in kakršno koli puščanje na izhodu bo posledično neslišno.

Vezje optičnih vlaken

Celoten diagram vezja optičnih vlaken je prikazan spodaj. Našli boste veliko integriranih vezij, primernih za delo kot VCO, skupaj s številnimi drugimi konfiguracijami, zgrajenimi z ločenimi deli.

Toda za poceni tehniko se pogosto uporablja NE555 postane najprimernejša možnost, čeprav je zagotovo poceni, vendar ima dokaj dobro učinkovitost delovanja. Lahko se frekvenčno modulira z vključitvijo vhodnega signala na pin 5 IC, ki se poveže z delilnikom napetosti, konfiguriranim za ustvarjanje preklopnih mej 1/3 V + in 2/3 V + za IC 555.

V bistvu se zgornja meja poveča in zmanjša, tako da se čas porabe časovnega kondenzatorja C2 za preklop med obema območjema lahko ustrezno poveča ali zmanjša.

Tr1 je ožičen kot zasledovalec oddajnika medpomnilnik, ki napaja visok pogonski tok, potreben za optimalno osvetlitev LED (D1). Čeprav ima sam NE555 dober tok 200 mA za LED, ločen trenutno krmiljen gonilnik za LED omogoča natančen in zanesljivejši način določanja želenega toka LED.

R1 je nameščen tako, da pritrdi tok LED na približno 40 miliamperov, ker pa je LED vklopljen / izklopljen s hitrostjo 50% delovnega cikla, LED lahko deluje le s 50% dejanske moči, kar je približno 20 miliamperjev.

Izhodni tok bi lahko povečali ali zmanjšali s prilagoditvijo vrednosti R1, kadar koli se to zdi potrebno.

Sestavni deli za uporovnike z optičnimi vlakni (vsi 1/4 vata, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondenzatorji
C1 = 220µ 10V izb
C2 = 390pF keramična plošča
C3 = 1u 63V izvol
C4 = 330p keramična plošča
C5 = 4n7 poliestrska plast
C6 = 3n3 poliestrska plast
C7 = 470n poliestrska plast
Polprevodniki
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = glej besedilo
Razno
SK1 3,5 mm vtičnica
Vezje, ohišje, baterija itd

Vezje optičnega sprejemnika

Shemo primarnega optičnega sprejemnika sprejemnika lahko vidite v zgornjem delu spodnjega diagrama, vezje izhodnega filtra je narisano tik pod vezjem sprejemnika. Izhod sprejemnika je viden skupaj z vhodom filtra skozi sivo črto.

D1 tvori detektorska dioda in deluje v nastavitvi vzvratne pristranskosti, pri kateri njegova odpornost proti puščanju pomaga ustvariti nekakšen svetlobno odvisen upor ali učinek LDR.

R1 deluje kot obremenitveni upor, C2 pa ustvarja povezavo med stopnjo detektorja in vhodom vhodnega ojačevalnika. To tvori dvostopenjsko kapacitivno povezano omrežje, kjer dve stopnji delujeta skupaj v skupni oddajnik način.

To omogoča vrhunsko skupno povečanje napetosti nad 80 dB. glede na to, da je dobavljen dokaj močan vhodni signal, to ponuja dovolj visoko nihanje izhodne napetosti na zatiču kolektorja Tr2, da potisne monostabilen multivibrator .

Slednji je standardni tip CMOS, zgrajen z uporabo dveh vhodnih NOR vrat (IC1a in IC1b) s C4 in R7, ki delujeta kot časovni elementi. Preostalih nekaj vrat IC1 se ne uporablja, čeprav je mogoče videti, da so njihovi vhodi pritrjeni na zemljo, da bi preprečili napačno preklapljanje teh vrat zaradi zablode.

Glede stopnje filtra, zgrajene okoli IC2a ​​/ b, gre v bistvu za filtrirni sistem 2/3 (18 dB na oktavo) s specifikacijami, ki se običajno uporabljajo v oddajna vezja . Ti so združeni v seriji, da se vzpostavi skupno 6 polov in splošna stopnja dušenja 36 dB na oktavo.

Ta ponuja približno 100 dB slabljenja nosilnega signala v njegovem minimalnem frekvenčnem območju in izhodni signal z razmeroma nizkimi nivoji nosilnega signala. Optično vezje lahko obravnava vhodne napetosti do 1 volta efektivne efektivne vrednosti približno brez kritičnega popačenja in pomaga pri delu z nekoliko manjšim kot enotnim ojačanjem napetosti za sistem.

Komponente za optični sprejemnik in filter

Upori (vsi 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 popustov)
Kondenzatorji
C1 = 100µ10V elektrolitsko
C2 = 2n2 poliester
C3 = 2n2 poliester
C4 = 390p keramika
C5 = 1µ 63V elektrolitsko
C6 = 3n3 poliester
C7 = 4n7 poliester
C8 = 330pF keramika
C9 = 3n3 poliester
C10 = 4n7 poliester

Polprevodniki
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 popusta)
D1 = Glej besedilo
Razno
SK1 = 25-potni konektor D
Ohišje, vezje, žica itd.