Obwód światłowodowy - nadajnik i odbiornik

Sygnały elektroniczne były z dużym powodzeniem przesyłane od dziesięcioleci przez standardowe połączenia „przewodowe” lub przy użyciu różnego rodzaju łączy radiowych, które miały wiele wad.

Z drugiej strony łącza światłowodowe, niezależnie od tego, czy są używane do połączeń audio lub wideo na duże odległości, czy też do obsługi małych odległości, oferują pewne wyraźne zalety w porównaniu ze zwykłymi kablami przewodowymi.

Jak działa światłowód

W technologii obwodów światłowodowych łącze światłowodowe służy do przesyłania danych cyfrowych lub analogowych w postaci częstotliwości światła przez kabel, który ma wysoce odblaskowy rdzeń centralny.

Wewnętrznie światłowód składa się z silnie odblaskowego rdzenia centralnego, który działa jak światłowód, przenosząc przez niego światło za pomocą ciągłych odbić tam i z powrotem przez jego odbijające ściany.

Łącze optyczne zwykle zawiera obwód konwertera częstotliwości elektrycznej na światło, który przekształca sygnały cyfrowe lub audio na częstotliwość światła. Ta częstotliwość światła jest „wprowadzana” do jednego z końców światłowodu za pomocą przewodu mocna dioda LED . Światło może następnie przejść przez kabel optyczny do zamierzonego celu, gdzie jest odbierane przez fotokomórkę i kabel obwód wzmacniacza który konwertuje częstotliwość światła z powrotem do oryginalnej postaci cyfrowej lub formy częstotliwości dźwięku.

Zalety światłowodów

Jedną z głównych zalet łączy światłowodowych jest ich doskonała odporność na zakłócenia elektryczne i zbłąkane odbicia.

Standardowe łącza „kablowe” można zaprojektować w celu zmniejszenia tego problemu, jednak całkowite wyeliminowanie tego problemu może być dużym wyzwaniem.

Wręcz przeciwnie, nieelektryczne właściwości kabla światłowodowego sprawiają, że zakłócenia elektryczne stają się nieistotne, poza pewnymi zakłóceniami, które mogą być wykrywane po stronie odbiornika, ale można je również wyeliminować poprzez skuteczne ekranowanie obwodu odbiornika.

Zupełnie podobnie, sygnały szerokopasmowe przesyłane zwykłym kablem elektrycznym często rozpraszają zakłócenia elektryczne, powodując zagłuszanie sygnałów radiowych i telewizyjnych w pobliżu.

Ale znowu, w przypadku kabla światłowodowego naprawdę może się okazać, że jest on całkowicie pozbawiony emisji elektrycznych i chociaż zespół nadajnika może prawdopodobnie wydzielać pewne promieniowanie o częstotliwości radiowej, dość łatwo jest go zamknąć przy użyciu podstawowych strategii ekranowania.

Ze względu na tę zaletę systemy zawierające wiele współpracujących ze sobą kabli światłowodowych nie powodują żadnych komplikacji ani problemów z przesłuchami.

Oczywiście światło może prawdopodobnie wyciekać z jednego kabla do drugiego, ale kable światłowodowe są zwykle zamknięte w odpornej na światło osłonie zewnętrznej, która idealnie zapobiega wszelkim wyciekom światła.

To mocne ekranowanie w łączach światłowodowych zapewnia w miarę bezpieczny i niezawodny transfer danych.

Kolejną zaletą jest to, że światłowody są wolne od problemów związanych z zagrożeniem pożarowym, ponieważ nie ma w nich przepływu prądu elektrycznego lub wysokiego prądu.

Mamy również dobrą izolację elektryczną w całym łączu, aby zapewnić, że komplikacje związane z pętlami uziemienia nie mogą się rozwinąć. Dzięki odpowiednim obwodom nadawczym i odbiorczym staje się dobrze przystosowany dla łączy światłowodowych do obsługi znacznych zakresów przepustowości.

Szerokopasmowe łącza można tworzyć również za pomocą koncentrycznych kabli zasilających, chociaż współczesne kable światłowodowe zazwyczaj wykazują mniejsze straty w porównaniu z typami koncentrycznymi w zastosowaniach o szerokim paśmie.

Kable światłowodowe są zazwyczaj cienkie i lekkie, a także odporne na warunki klimatyczne i kilka substancji chemicznych. To często pozwala na szybkie zastosowanie ich w niegościnnym otoczeniu lub niekorzystnych scenariuszach, w których kable elektryczne, a zwłaszcza typy współosiowe, okazują się po prostu bardzo nieefektywne.

Niedogodności

Chociaż obwód światłowodowy ma tak wiele zalet, mają one również kilka wad.

Pozorną wadą jest to, że sygnały elektryczne nie mogą być przenoszone bezpośrednio do kabla optycznego, aw kilku sytuacjach koszty i problemy napotykane z kluczowymi obwodami kodera i dekodera stają się dość niekompatybilne.

Istotną rzeczą do zapamiętania podczas pracy ze światłowodami jest to, że zwykle mają one określoną najmniejszą średnicę, a skręcenie ich ostrzejszą krzywizną powoduje fizyczne uszkodzenia kabla na tym zgięciu, co czyni go bezużytecznym.

„Minimalny promień gięcia”, jak jest zwykle nazywany w arkuszach danych, wynosi zwykle od około 50 do 80 milimetrów.

Konsekwencją takich zagięć w normalnym przewodowym kablu sieciowym może być po prostu nic, jednak w przypadku kabli światłowodowych nawet małe ciasne zagięcia mogą utrudniać propagację sygnałów świetlnych, prowadząc do drastycznych strat.

Podstawy światłowodów

Choć może nam się wydawać, że światłowód składa się po prostu z włókna szklanego pokrytego światłoszczelną osłoną zewnętrzną, w rzeczywistości sytuacja jest o wiele bardziej zaawansowana.

Obecnie włókno szklane ma głównie postać polimeru, a nie rzeczywistego szkła, a standardowe ustawienie może być takie, jak przedstawiono na poniższym rysunku. Tutaj widzimy centralny rdzeń o wysokim współczynniku załamania i zewnętrzną osłonę o zmniejszonym współczynniku załamania.

Załamanie, w którym żarnik wewnętrzny i zewnętrzna powłoka wchodzą w interakcje, umożliwiają przechodzenie światła przez kabel, efektywnie przeskakując od ściany do ściany na całej długości kabla.

To właśnie odbijanie się światła po ścianach kabla umożliwia bieganie kabla jak światłowód, płynnie przenosząc oświetlenie po rogach i zakrętach.

Propagacja światła w trybie wysokiego rzędu

Kąt, pod jakim odbija się światło, zależy od właściwości kabla i kąta wejścia światła. Na powyższym rysunku promień światła można zobaczyć przechodząc przez „tryb wysokiego zamówienia” propagacja.

Propagacja światła w trybie niskiego rzędu

Znajdziesz jednak kable, w których światło zasilane jest mniejszym kątem, co powoduje, że odbija się ono między ściankami kabla pod znacznie szerokim kątem. Ten mniejszy kąt pozwala światłu przemieszczać się na stosunkowo większą odległość przez kabel przy każdym odbiciu.

Ta forma transferu światła jest nazywana „tryb niskiego zamówienia” propagacja. Praktyczne znaczenie obu tych trybów polega na tym, że światło przechodzące przez kabel w trybie wyższego rzędu musi podróżować znacznie dalej w porównaniu ze światłem, które jest propagowane w trybie niskiego rzędu. Powoduje to rozmazanie sygnałów dostarczanych przez kabel, zmniejszając zakres częstotliwości aplikacji.

Jest to jednak istotne tylko w przypadku łączy o bardzo dużej przepustowości.

Kabel jednomodowy

Mamy również 'Tryb pojedyńczy' typu kabli, które są przeznaczone po prostu do umożliwienia pojedynczego trybu propagacji, ale tak naprawdę nie jest wymagane stosowanie tej formy kabla ze stosunkowo wąskimi technikami szerokości pasma opisanymi w tym artykule. Możesz dalej natknąć się na inny rodzaj kabla o nazwie „indeksowany” kabel.

W rzeczywistości jest to bardzo podobne do omawianego wcześniej kabla ze stopniowanym indeksem, chociaż istnieje progresywna transformacja z wysokiego współczynnika załamania światła w pobliżu środka kabla do zmniejszonej wartości w pobliżu zewnętrznej osłony.

Powoduje to, że światło przechodzi głęboko w poprzek kabla w dość podobny sposób, jak wyjaśniono wcześniej, ale światło musi przejść przez zakrzywioną trasę (jak na poniższym rysunku) zamiast rozchodzić się po liniach prostych.

Wymiary światłowodu

Typowy wymiar dla kabli światłowodowych wynosi 2,2 milimetra, a średni wymiar włókna wewnętrznego wynosi około 1 milimetra. Możesz znaleźć kilka złączy dostępnych do połączeń na kablach tego rozmiaru, oprócz wielu systemów, które można podłączyć do równie pasujących kabli.

Zwykły system złączy obejmuje `` wtyczkę '', która jest instalowana na końcówce kabla i zabezpiecza ją do końcówki `` gniazda '', która zwykle jest zamocowana na płytce drukowanej, mającej gniazdo do umieszczenia fotokomórki (która tworzy nadajnik lub detektor układ optyczny).

Czynniki wpływające na projekt obwodu światłowodowego

Jednym z kluczowych aspektów, o którym należy pamiętać w przypadku światłowodów, są parametry szczytowej mocy wyjściowej emitera fotokomórka dla długości fali światła. Należy to idealnie dobrać, aby dopasować częstotliwość transmisji z odpowiednią czułością.

Drugim czynnikiem, o którym należy pamiętać, jest to, że kabel zostanie określony tylko z ograniczonym zakresem przepustowości, co oznacza, że ​​straty muszą być jak najmniejsze.

Czujniki i nadajniki optyczne zwykle używane w światłowodach są w większości przystosowane do pracy w zasięg podczerwieni z najwyższą wydajnością, podczas gdy niektóre mogą najlepiej działać w widmie światła widzialnego.

Okablowanie światłowodowe jest często dostarczane z niedokończonymi końcówkami, które mogą być bardzo nieproduktywne, chyba że końcówki zostaną odpowiednio przycięte i przetworzone.

Zwykle kabel zapewnia przyzwoite efekty, gdy jest przecinany pod kątem prostym ostrym jak brzytwa nożem modelarskim, odcinając czysto koniec kabla jednym ruchem.

Drobny pilnik może być użyty do polerowania pokrojonych końcówek, ale jeśli tylko obciąłeś tylko końce, może to nie pomóc w znacznym zwiększeniu wydajności świetlnej. Ważne jest, aby cięcie było ostre, ostre i prostopadłe do średnicy kabla.

Jeśli cięcie ma pewien kąt, może poważnie pogorszyć wydajność z powodu odchylenia kąta lekkiego posuwu.

Projektowanie prostego systemu światłowodowego

Podstawowym sposobem na rozpoczęcie dla każdego, kto chce wypróbować komunikację światłowodową, byłoby utworzenie łącza audio.

W swojej najbardziej elementarnej formie może to obejmować prosty obwód modulacji amplitudy, który zmienia Nadajnik LED jasność zgodnie z amplitudą sygnału wejściowego audio.

Spowodowałoby to równoważną modulację odpowiedzi prądowej w odbiorniku fotokomórki, która byłaby przetwarzana w celu wytworzenia odpowiednio zmieniającego się napięcia na obliczonym rezystorze obciążającym szeregowo z fotokomórką.

Ten sygnał byłby wzmacniany, aby dostarczyć wyjściowy sygnał audio. W rzeczywistości to fundamentalne podejście może mieć swoje wady, z których głównym może być po prostu niewystarczająca liniowość fotokomórek.

Brak liniowości wpływa w postaci proporcjonalnego poziomu zniekształceń w łączu optycznym, które mogą być następnie złej jakości.

Metodą, która zwykle zapewnia znacznie lepsze wyniki, jest system modulacji częstotliwości, który jest zasadniczo identyczny z systemem używanym w standardzie Transmisje radiowe VHF .

Jednak w takich przypadkach wykorzystywana jest częstotliwość nośna wynosząca około 100 kHz zamiast konwencjonalnej 100 MHz, jaką stosuje się w transmisji radiowej w paśmie 2.

Takie podejście może być całkiem proste, jak pokazano na poniższym schemacie blokowym. Przedstawia zasadę ustanowioną dla łącza w jedną stronę w tym formularzu. Nadajnik jest w rzeczywistości oscylatorem sterowanym napięciem (VCO) i jak sugeruje tytuł, częstotliwość wyjściową z tego projektu można regulować za pomocą napięcia sterującego.

To napięcie może być sygnałem wejściowym dźwięku, a gdy napięcie sygnału oscyluje w górę iw dół, tak samo będzie z częstotliwością wyjściową VCO. ZA Filtr dolnoprzepustowy jest wbudowany w celu udoskonalenia sygnału wejściowego audio przed jego doprowadzeniem do VCO.

Pomaga to w utrzymaniu heterodynowych `` gwizdów '' z dala od generowania dźwięków dudnienia między oscylatorem sterowanym napięciem a sygnałami wejściowymi o wysokiej częstotliwości.

Zwykle sygnał wejściowy obejmuje tylko zakres częstotliwości audio, ale przy wyższych częstotliwościach można znaleźć zniekształcenia, a sygnały radiowe są odbierane z okablowania i wchodzą w interakcję z sygnałem VCO lub harmonicznymi wokół sygnału wyjściowego VCO.

Urządzenie emitujące, które może być po prostu diodą LED, jest sterowane przez wyjście VCO. Aby uzyskać optymalny wynik, ta dioda LED jest zwykle a typ diody LED o dużej mocy . To wymaga zastosowanie stopnia buforowego kierowcy do obsługi zasilania LED.

Ten następny etap to multiwibrator monostabilny który musi być zaprojektowany jako typ bez ponownego wyzwalania.

Umożliwia to stopniowi generowanie impulsów wyjściowych w odstępach określonych przez sieć taktowania C / R, która jest niezależna od czasu trwania impulsu wejściowego.

Operacyjny przebieg

Zapewnia to łatwą, ale skuteczną konwersję częstotliwości na napięcie, a przebieg przedstawiony na poniższym rysunku jasno wyjaśnia jego wzorzec działania.

Na rysunku (a) częstotliwość wejściowa generuje sygnał wyjściowy z monostabilnego ze stosunkiem odstępów między znacznikami 1 do 3, a wyjście jest w stanie wysokim przez 25% czasu.

Średnie napięcie wyjściowe (jak pokazano wewnątrz przerywanej linii) jest wynikiem 1/4 stanu wyjścia HIGH.

Na powyższym rysunku (b) widzimy, że częstotliwość wejściowa została zwiększona dwukrotnie, co oznacza, że ​​otrzymujemy dwa razy więcej impulsów wyjściowych w określonym przedziale czasu ze stosunkiem przestrzeni znaczników 1: 1. To pozwala nam uzyskać średnie napięcie wyjściowe, które jest 50% stanu wyjściowego WYSOKI i 2 razy większe niż w poprzednim przykładzie.

Mówiąc prościej, monostabilny nie tylko pomaga przekształcić częstotliwość na napięcie, ale dodatkowo umożliwia konwersję do uzyskania charakterystyki liniowej. Wyjście z samego monostabilnego nie może zbudować sygnału częstotliwości audio, chyba że jest wbudowany filtr dolnoprzepustowy, który zapewnia stabilizację wyjścia na prawidłowy sygnał audio.

Podstawowym problemem związanym z tą prostą metodą konwersji częstotliwości na napięcie jest to, że wyższy poziom tłumienia (zasadniczo 80 dB lub więcej) jest wymagany przy minimalnej częstotliwości wyjściowej VCO, aby móc wytworzyć stabilizowany sygnał wyjściowy.

Ale ta metoda jest naprawdę prosta i niezawodna w innych rozważaniach, a wraz z nowoczesnymi obwodami może nie być trudne zaprojektowanie stopnia filtra wyjściowego o odpowiednio precyzyjnym odciąć charakterystykę .

Niewielki poziom nadwyżki sygnału nośnej na wyjściu może nie być zbyt krytyczny i można go zignorować, ponieważ nośna jest generalnie na częstotliwościach, które nie mieszczą się w zakresie audio, a każdy wyciek na wyjściu będzie w rezultacie niesłyszalny.

Obwód nadajnika światłowodowego

Cały schemat obwodu nadajnika światłowodowego można zobaczyć poniżej. Znajdziesz wiele układów scalonych nadających się do pracy jak VCO, a także wiele innych konfiguracji zbudowanych z części dyskretnych.

Ale dla taniej techniki szeroko stosowana NE555 staje się preferowaną opcją i choć z pewnością jest tania, ma jednak dość dobrą wydajność. Może być modulowany częstotliwościowo przez zintegrowanie sygnału wejściowego z pinem 5 układu scalonego, który łączy się z dzielnikiem napięcia skonfigurowanym do tworzenia limitów przełączania 1/3 V + i 2/3 V + dla układu IC 555.

Zasadniczo górna granica jest zwiększana i zmniejszana, tak że czas potrzebny kondensatorowi taktowania C2 na przełączanie między tymi dwoma zakresami może być odpowiednio zwiększony lub zmniejszony.

Tr1 jest podłączony jak zwolennik emitera stopień buforowy, który zapewnia wysoki prąd napędu wymagany do optymalnego oświetlenia diody LED (D1). Chociaż sama NE555 ma dobry prąd 200 mA dla diody LED, osobny sterownik sterowany prądem dla diody LED pozwala precyzyjnie i pewniej ustalić żądany prąd diody LED.

R1 jest ustawiony tak, aby ustalał prąd diody LED na poziomie około 40 miliamperów, ale ponieważ dioda LED jest włączana / wyłączana z szybkością 50% cyklu roboczego, dioda LED może pracować tylko z 50% rzeczywistej wartości znamionowej, czyli około 20 miliamperów.

Prąd wyjściowy można zwiększyć lub zmniejszyć, dostosowując wartość R1, gdy jest to konieczne.

Komponenty do rezystorów nadajników światłowodowych (wszystkie 1/4 W, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100 tys
Kondensatory
C1 = 220µ 10V el
C2 = płyta ceramiczna 390pF
C3 = 1u 63 V elekt
C4 = płyta ceramiczna 330p
C5 = warstwa poliestrowa 4n7
C6 = warstwa poliestrowa 3n3
C7 = warstwa poliestrowa 470n
Półprzewodniki
IC1 = NE555
IC2 = 1458 ° C
Tr1 = BC141
D1 = patrz tekst
Różne
Gniazdo jack 3,5 mm SK1
Płytka drukowana, obudowa, bateria itp

Obwód odbiornika światłowodowego

Schemat obwodu głównego odbiornika światłowodowego można zobaczyć w górnej części poniższego schematu, obwód filtra wyjściowego jest narysowany tuż pod obwodem odbiornika. Wyjście odbiornika można zobaczyć połączone z wejściem filtra przez szarą linię.

D1 tworzy dioda detektora i działa w ustawieniu odwrotnego odchylenia, w którym jego odporność na upływność pomaga stworzyć rodzaj zależnego od światła rezystora lub efektu LDR.

R1 działa jak rezystor obciążający, a C2 tworzy połączenie między stopniem detektora a wejściem wzmacniacza wejściowego. Tworzy to dwustopniową sieć połączoną pojemnościowo, w której dwa etapy działają razem w wspólny emiter tryb.

Pozwala to na doskonały ogólny wzrost napięcia większy niż 80 dB. biorąc pod uwagę, że dostarczany jest dość silny sygnał wejściowy, zapewnia to odpowiednio wysokie oscylacje napięcia wyjściowego na bolcu kolektora Tr2, aby popchnąć multiwibrator monostabilny .

Ten ostatni jest standardowym typem CMOS zbudowanym przy użyciu kilku 2-wejściowych bramek NOR (IC1a i IC1b) z C4 i R7 działającymi jak elementy czasowe. Pozostałe kilka bramek IC1 nie jest używanych, chociaż ich wejścia można zobaczyć jako podpięte do ziemi w celu powstrzymania fałszywego przełączania tych bramek z powodu zbłąkanego odbioru.

Odnosząc się do stopnia filtracji zbudowanego wokół IC2a ​​/ b, jest to zasadniczo system filtrów 2/3 rzędu (18 dB na oktawę) ze specyfikacjami powszechnie stosowanymi w obwody nadajnika . Są one połączone szeregowo, aby uzyskać w sumie 6 biegunów i ogólny współczynnik tłumienia 36 dB na oktawę.

Zapewnia to około 100 dB tłumienia sygnału nośnej w jego minimalnym zakresie częstotliwości oraz sygnał wyjściowy o stosunkowo niskich poziomach sygnału nośnej. Obwód światłowodowy radzi sobie z napięciami wejściowymi sięgającymi w przybliżeniu 1 V RMS bez krytycznych zniekształceń i pomaga pracować z minimalnie mniejszym niż jedność wzmocnieniem napięcia dla systemu.

Komponenty do odbiornika i filtra światłowodowego

Rezystory (wszystkie 1/4 W 5%)
R1 = 22 tys
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 do R15 10 tys. (6 szt.)
Kondensatory
C1 = elektrolityczny 100µ10V
C2 = poliester 2n2
C3 = poliester 2n2
C4 = 390p ceramika
C5 = 1µ 63V elektrolityczny
C6 = poliester 3n3
C7 = poliester 4n7
C8 = ceramika 330pF
C9 = poliester 3n3
C10 = poliester 4n7

Półprzewodniki
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458 ° C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 szt.)
D1 = Zobacz tekst
Różne
SK1 = 25-stykowe złącze D.
Obudowa, płytka drukowana, drut itp.