Fiberoptisk kredsløb - sender og modtager

Elektroniske signaler er blevet sendt med stor succes i årtier gennem standard 'hardwire'-forbindelser eller ved hjælp af radiolink af forskellig art, som havde mange ulemper.

På den anden side har fiberoptiske links, hvad enten de anvendes til lyd- eller videolinks over lange afstande, eller til at håndtere små afstande, tilbudt nogle tydelige fordele i forhold til de normale kablede kabler.

Sådan fungerer fiberoptik

I fiberoptisk kredsløbsteknologi anvendes en optisk fiberforbindelse til overførsel af digitale eller analoge data i form af lysfrekvens gennem et kabel, der har en stærkt reflekterende central kerne.

Internt består den optiske fiber af en stærkt reflekterende central kerne, der fungerer som en lysstyring til at overføre lys gennem den ved hjælp af kontinuerlige frem og tilbage refleksioner over dets reflekterende vægge.

Den optiske forbindelse inkluderer normalt en elektrisk frekvens til lysfrekvensomformer kredsløb, der konverterer digitale eller lydsignaler til lysfrekvens. Denne lysfrekvens 'indsprøjtes' til en af ​​enderne af den optiske fiber gennem en kraftfuld LED . Lyset får derefter lov til at rejse gennem det optiske kabel til den tilsigtede destination, hvor det modtages af en fotocelle og en forstærker kredsløb som konverterer lysfrekvensen tilbage til den originale digitale form eller lydfrekvensform.

Fordele ved fiberoptik

En stor fordel ved fiberoptiske kredsløb er deres perfekte immunitet over for elektrisk interferens og omstrejfende opsamlinger.

Standardkabellink kunne være designet til at reducere dette problem, men det kan være meget udfordrende at udrydde dette problem fuldstændigt.

Tværtimod hjælper de ikke-elektriske egenskaber ved et fiberoptisk kabel med at gøre elektrisk interferens uvæsentligt, bortset fra en vis forstyrrelse, der kan vælges i modtagerenden, men dette kan også elimineres gennem en effektiv afskærmning af modtagerens kredsløb.

På samme måde spredes bredbåndssignaler, der dirigeres over et almindeligt elektrisk kabel, ofte elektrisk forstyrrelse, der forårsager fastklemning af radio- og tv-signaler i nærheden.

Men igen, i tilfælde af et fiberoptisk kabel, kan det virkelig vise sig at være helt blottet for elektriske emissioner, og selvom senderenheden muligvis kan svinge noget radiofrekvensstråling ud, er det ret simpelt at vedlægge det ved hjælp af grundlæggende screeningsstrategier.

På grund af dette pluspunkt har systemer, der indeholder mange optiske kabler, der arbejder sammen ved siden af ​​hinanden, ingen komplikationer eller problemer med krydsforhandlinger.

Naturligvis kan lys muligvis løbe ud fra det ene kabel til det næste, men fiberoptiske kabler er normalt indkapslet i en lysfast ekstern ærme, som ideelt forhindrer enhver form for lyslækage.

Denne stærke afskærmning i fiberoptiske forbindelser sikrer en rimelig sikker og pålidelig dataoverførsel.

En anden fordel er, at fiberoptik er fri for brandfareproblemer, da der ikke er nogen strøm eller høj strømstrøm involveret.

Vi har også en god elektrisk isolering i hele linket for at sikre, at komplikationer med jordsløjfer ikke er i stand til at udvikle sig. Gennem passende transmitterende og modtagende kredsløb bliver det velegnet til fiberoptiske forbindelser til at håndtere betydelige båndbreddeområder.

Brede båndbreddeforbindelser kan også oprettes gennem koaksiale strømkabler, selvom moderne optiske kabler typisk oplever reducerede tab sammenlignet med koaksiale typer i applikationer med bred båndbredde.

Optiske kabler er typisk tynde og lette og er også immune over for klimatiske forhold og adskillige kemiske stoffer. Dette gør det ofte muligt at anvende dem hurtigt i ugæstfrie omgivelser eller ugunstige scenarier, hvor elektriske kabler, specielt koaksiale typer simpelthen viser sig at være meget ineffektive.

Ulemper

Selvom fiberoptik kredsløb har så mange fordele, har disse også et par nedadgående sider.

Den tilsyneladende ulempe er, at elektriske signaler ikke kan overføres direkte til et optisk kabel, og i flere situationer har omkostningerne og problemerne med de vitale kodnings- og dekoderkredsløb tendens til at blive ret uforenelige.

En vigtig ting at huske på, når du arbejder med optiske fibre er, at de normalt har en specificeret mindste diameter, og når disse er snoet med en skarpere kurve, medfører de fysiske skader på kablet ved den bøjning, hvilket gør det ubrugeligt.

Radien 'minimum bøjning', som det normalt kaldes i databladene, ligger typisk mellem ca. 50 og 80 millimeter.

Konsekvensen af ​​sådanne bøjninger i et normalt kablet strømkabel kunne bare ikke være noget, men for fiberoptiske kabler kan selv små stramme bøjninger forhindre udbredelsen af ​​lyssignalerne, hvilket fører til drastiske tab.

Grundlæggende i fiberoptik

Selvom det kan synes for os, at et fiberoptisk kabel simpelthen består af glasfilament, der er dækket af en lysfast ekstern ærme, er situationen faktisk meget mere avanceret end dette.

I dag er glasfilamentet for det meste i form af et polymer og ikke egentligt glas, og standardopsætningen kan være som anført i den følgende figur. Her kan vi se en central kerne med et højt brydningsindeks og en ydre afskærmning med reduceret brydningsindeks.

Brydning, hvor den indre glødetråd og den ydre beklædning interagerer, gør det muligt for let at krydse kablet ved effektivt at hoppe over væg til væg hele vejen igennem kablet.

Det er denne hoppende af lyset over kabelvæggene, der gør det muligt for kablet at løbe som en lysstyring, der bærer belysningen jævnt omkring hjørner og kurver.

High Order Mode Light Formation

Vinklen, hvormed lyset reflekteres, bestemmes af kabelets egenskaber og lysets indgangsvinkel. I ovenstående figur kan lysstrålen ses gennem en 'high order mode' formering.

Lav ordningstilstand Formering af lys

Du finder dog kabler med lys, der tilføres med en lavere vinkel, hvilket får det til at hoppe mellem kabelvægge med en betydelig vidvinkel. Denne lavere vinkel gør det muligt for lyset at bevæge sig i relativt større afstand gennem kablet ved hver hopp.

Denne form for lysoverførsel kaldes 'lav ordre-tilstand' formering. Den praktiske betydning af begge disse tilstande er, at lysventuring via kablet i high order-tilstand skal bevæge sig betydeligt længere sammenlignet med lys, der formeres i low order-tilstand. Dette udtværede signaler leveret ned gennem kablet, hvilket reducerer frekvensområdet for applikationen.

Dette er dog kun relevant i ekstremt brede båndbreddelinks.

Single Mode-kabel

Vi har også 'Enkelt tilstand' type kabler, der kun er beregnet til at muliggøre en enkelt udbredelsestilstand, men det er ikke rigtig nødvendigt at bruge en denne form for kabel med de forholdsvis smalle båndbreddeteknikker, der er beskrevet i denne artikel. Du kan yderligere komme på tværs af en alternativ type kabel, der hedder 'klassificeret indeks' kabel.

Dette ligner faktisk det trin, der er diskuteret tidligere, selvom der eksisterer en progressiv transformation fra et højt brydningsindeks nær midten af ​​kablet til en reduceret værdi tæt på den ydre ærme.

Dette får lyset til at passere dybt over kablet på en lignende måde som forklaret tidligere, men med lyset at skulle gå gennem en buet rute (som i den følgende figur) i stedet for at blive formeret gennem lige linjer.

Optiske fiberdimensioner

Den typiske dimension for optiske fiberkabler er 2,2 millimeter med en gennemsnitlig dimension af den indre fiber omkring 1 millimeter. Du kan finde flere stik, der er tilgængelige for tilslutninger på tværs af denne kabelstørrelse, ud over et antal systemer, der tilsluttes til lige matchende kabler.

Et normalt stiksystem inkluderer et 'stik', der er installeret på spidsen af ​​kablet og beskytter det mod 'stikket' -terminalen, som normalt fastgøres over printkortet med en åbning til at rumme fotocellen (som danner emitteren eller detektoren til det optiske system).

Faktorer, der påvirker design af fiberoptisk kredsløb

Et afgørende aspekt, der skal huskes i fiberoptik, er emitterens peak output-specifikationer fotocelle for lysbølgelængden. Dette skal ideelt vælges for at matche transmissionsfrekvensen med passende følsomhed.

Den anden faktor, der skal huskes, er at kablet kun vil blive specificeret med et begrænset båndbreddeområde, hvilket betyder, at tabene skal være så minimale som muligt.

De optiske sensorer og sendere, der normalt bruges i optiske fibre, vurderes for det meste til at arbejde på infrarød rækkevidde med den største effektivitet, mens nogle måske er beregnet til at fungere bedst med det synlige lysspektrum.

Fiberoptisk kabler leveres ofte med ufærdige afslutningsender, hvilket kan være meget uproduktivt, medmindre enderne er passende trimmet og bearbejdet.

Typisk vil kablet give anstændige effekter, når det er skåret i ret vinkel med en knivskarp modelleringskniv, der hugger kabelenden rent i en handling.

En fin fil kan bruges til at polere de skivede ender, men hvis du kun lige har skåret enderne, hjælper det måske ikke med at forbedre lyseffektiviteten markant. Det er afgørende, at snittet er skarpt, skarpt og vinkelret på kabeldiameteren.

Hvis skæringen har en vis vinkel, kan det forringe effektiviteten på grund af afvigelse i lysindføringen.

Design af et simpelt fiberoptisk system

En grundlæggende måde at starte for alle, der ønsker at prøve ting med fiberoptisk kommunikation, er at oprette et lydlink.

I sin mest elementære form kan dette omfatte et simpelt amplitudemodulationskredsløb, der varierer LED-sender lysstyrke i overensstemmelse med lydindgangssignalets amplitude.

Dette ville medføre en ækvivalent modulerende strømrespons på tværs af fotocellemodtageren, som ville blive behandlet for at genearte en tilsvarende varierende spænding over en beregnet belastningsmodstand i serie med fotocellen.

Dette signal forstærkes for at levere lydudgangssignalet. I virkeligheden kan denne grundlæggende tilgang komme med sine egne ulemper, den største kan simpelthen være en utilstrækkelig linearitet fra fotocellerne.

Fravær af linearitet påvirker i form af et forholdsmæssigt niveau af forvrængning over det optiske link, der efterfølgende kan være af dårlig kvalitet.

En metode, der normalt giver væsentligt bedre resultater, er et frekvensmodulationssystem, der stort set er identisk med det system, der anvendes i standard VHF-radioudsendelser .

Imidlertid er der i sådanne tilfælde en bærerfrekvens på omkring 100 kHz involveret i stedet for den konventionelle 100 MHz som anvendt i bånd 2-radiotransmission.

Denne tilgang kan være ret enkel, som vist i blokdiagrammet nedenfor. Det demonstrerer det princip, der er oprettet for en envejslink af denne form. Senderen er faktisk en spændingsstyret oscillator (VCO), og som titlen antyder, kunne udgangsfrekvensen fra dette design justeres gennem en kontrolspænding.

Denne spænding kan være lydindgangstransmissionen, og når signalspændingen svinger op og ned, vil VCO's udgangsfrekvens også være. EN lavpasfilter er inkorporeret for at forfine lydindgangssignalet, før det påføres VCO.

Dette hjælper med at holde heterodyne 'fløjter' væk fra at blive produceret på grund af beatnoter mellem den spændingsstyrede oscillator og eventuelle højfrekvente indgangssignaler.

Typisk dækker indgangssignalet kun lydfrekvensområdet, men du kan finde forvrængningsindhold ved højere frekvenser, og radiosignaler bliver hentet fra ledningerne og interagerer med VCO-signalet eller overtoner omkring VCO's udgangssignal.

Den udsendende enhed, som simpelthen kan være en LED, drives af VCO-udgangen. For et optimalt resultat er denne LED normalt en høj effekt type LED . Dette nødvendiggør brug af et driverbuffertrin til drift af LED-strømmen.

Denne næste fase er en monostabil multivibrator som skal designes som en ikke-gentrækkelig type.

Dette gør det muligt for scenen at generere outputimpulser gennem intervaller som bestemt af C / R-timingenetværket, som er uafhængig af indgangspulsvarigheden.

Operationel bølgeform

Dette giver en let, men alligevel effektiv frekvens til spændingskonvertering, idet bølgeform som vist i nedenstående figur tydeligt forklarer dets driftsmønster.

I figur (a) genererer indgangsfrekvensen et output fra den monostabile med et forhold mellem 1 og 3 mark-plads, og output er i høj tilstand i 25% af tiden.

Den gennemsnitlige udgangsspænding (som afbildet inden for den stiplede linje) er som et resultat 1/4 af udgangen HIGH-tilstand.

I figur (b) ovenfor kan vi se, at indgangsfrekvensen er øget med to gange, hvilket betyder, at vi får to gange flere udgangspulser i et specificeret tidsinterval med et markeringsforhold på 1: 1. Dette giver os mulighed for at få en gennemsnitlig udgangsspænding, der er 50% af tilstanden HØJ udgang, og 2 gange større i forhold til det foregående eksempel.

Enkelt sagt hjælper den monostabile ikke kun med at konvertere frekvens til spænding, men det gør det desuden muligt for konverteringen at få en lineær karakteristik. Outputtet fra den monostabile alene kan ikke oprette et lydfrekvenssignal, medmindre der er inkorporeret et lavpasfilter, der sikrer, at udgangen stabiliseres til et korrekt lydsignal.

Det primære problem med denne enkle metode til konvertering af frekvens til spænding er, at der kræves en dæmpning på højere niveau (i det væsentlige 80 dB eller højere) ved den mindste udgangsfrekvens for VCO for at være i stand til at skabe et stabiliseret output.

Men denne metode er virkelig enkel og pålidelig i andre overvejelser, og sammen med moderne kredsløb er det måske ikke svært at designe et outputfiltertrin med et passende præcist afskåret karakteristik .

Et lille niveau af overskydende bæresignal på udgangen er muligvis ikke for kritisk og kunne ignoreres, fordi luftfartsselskabet generelt har frekvenser, der ikke er inden for lydområdet, og enhver lækage ved udgangen vil som følge heraf være uhørlig.

Fiberoptisk transmitter kredsløb

Hele kredsløbsdiagrammet for fiberoptisk sender kan ses nedenfor. Du finder mange integrerede kredsløb, der er egnede til at arbejde som VCO sammen med mange andre konfigurationer bygget ved hjælp af diskrete dele.

Men for en billig teknik den meget anvendte NE555 bliver den foretrukne løsning, og selvom det bestemt er billigt, kommer det dog med en forholdsvis god ydeevneeffektivitet. Det kan frekvensmoduleres ved at integrere indgangssignalet til IC 5's pin, der forbinder med spændingsdeleren konfigureret til at skabe 1/3 V + og 2/3 V + skiftegrænser for IC 555.

I det væsentlige øges og formindskes den øvre grænse, således at den tid, der bruges til tidskondensatoren C2 til at skifte mellem de to områder, tilsvarende kan forøges eller formindskes.

Tr1 er kablet som en emitter tilhænger buffertrin, der leverer den høje drevstrøm, der kræves til optimal belysning af LED (D1). Selvom NE555 i sig selv har en god 200 mA strøm til LED'en, giver en separat strømstyret driver til LED'en mulighed for at etablere den ønskede LED-strøm på en præcis måde og gennem en mere pålidelig metode.

R1 er positioneret til at fastgøre LED-strømmen til ca. 40 milliampere, men da LED'en er tændt / slukket med en hastighed på 50% driftscyklus, tillader LED'en kun at arbejde med 50% af den faktiske rating, der er ca. 20 milliampere.

Udgangsstrømmen kunne øges eller formindskes ved at justere R1-værdien, når dette måtte anses for nødvendigt.

Komponenter til fiberoptiske transmittermodstande (alle 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondensatorer
C1 = 220 µ 10V elect
C2 = 390pF keramisk plade
C3 = 1u 63V valgt
C4 = 330p keramisk plade
C5 = 4n7 polyesterlag
C6 = 3n3 polyesterlag
C7 = 470n polyesterlag
Halvledere
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = se tekst
Diverse
SK1 3,5 mm jackstik
Kretskort, kasse, batteri osv

Fiberoptisk modtager kredsløb

Det primære fiberoptiske modtager kredsløbsdiagram kan ses i det øverste afsnit af nedenstående diagram, outputfilterkredsløbet er tegnet lige under modtager kredsløbet. Outputtet fra modtageren kan ses forbundet med filterets indgang gennem en grå linje.

D1 danner detektor diode , og det fungerer i den omvendte bias-indstilling, hvor dens lækagemodstand hjælper med at skabe en slags lysafhængig modstand eller LDR-effekt.

R1 fungerer som en belastningsmodstand, og C2 skaber en forbindelse mellem detektorstrinet og inputforstærkerindgangen. Dette danner et to-trins kapacitivt forbundet netværk, hvor de to faser fungerer sammen i fælles emitter mode.

Dette giver en overlegen samlet spændingsforstærkning større end 80 dB. i betragtning af at der leveres et ret kraftigt indgangssignal, giver dette en tilstrækkelig høj udgangsspændingsoscillation ved Tr2-samlestiften for at skubbe monostabil multivibrator .

Sidstnævnte er en standard CMOS-type bygget ved hjælp af et par 2-input NOR-porte (IC1a og IC1b) med C4 og R7, der fungerer som timingelementer. Den anden et par porte af IC1 bruges ikke, selvom deres input kan ses tilsluttet til jorden i et forsøg på at stoppe falsk omskiftning af disse porte på grund af omstrejfende afhentning.

Med henvisning til filtertrin bygget omkring IC2a ​​/ b er det grundlæggende et 2 / 3. ordens (18 dB pr. Oktav) filtersystemer med specifikationer, der almindeligvis anvendes i senderkredsløb . Disse er sammenføjet i serie for at etablere i alt 6 poler og en generel dæmpningshastighed på 36 dB pr. Oktav.

Dette giver ca. 100 dB dæmpning af bæresignalet i dets mindste frekvensområde og et udgangssignal med relativt lave bæresignalniveauer. Fiberoptisk kredsløb kan håndtere indgangsspændinger så høje som 1 volt RMS omtrent uden nogen kritisk forvrængning og hjælpe med at arbejde med marginalt mindre end enheds spændingsforøgelse for systemet.

Komponenter til fiberoptisk modtager og filter

Modstande (alle 1/4 watt 5%)
R1 = 22k
R2 = 2M2
R3 = 10k
R4 = 470R
R5 = 1M2
R6 = 4k7
R7 = 22k
R8 = 47k
R9 = 47k
R10 til R15 10k (6 fra)
Kondensatorer
C1 = 100 µ10V elektrolytisk
C2 = 2n2 polyester
C3 = 2n2 polyester
C4 = 390p keramik
C5 = 1 µ 63V elektrolytisk
C6 = 3n3 polyester
C7 = 4n7 polyester
C8 = 330pF keramik
C9 = 3n3 polyester
C10 = 4n7 polyester

Halvledere
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 fra)
D1 = Se tekst
Diverse
SK1 = 25-vejs D-stik
Kasse, printkort, ledning osv.