Fiberoptisk krets - sändare och mottagare

Elektroniska signaler har skickats ganska framgångsrikt i årtionden genom vanliga 'hårda tråd' -anslutningar, eller genom att använda radiolänkar av olika slag som hade många nackdelar.

Å andra sidan har fiberoptiska länkar, oavsett om de används för ljud- eller videolänkar över långa avstånd, eller för att hantera små avstånd, erbjudit några tydliga fördelar jämfört med de vanliga kablarna.

Hur Fiberoptik fungerar

I fiberoptisk kretsteknik används en optisk fiberlänk för att överföra digitala eller analoga data i form av ljusfrekvens via en kabel som har en mycket reflekterande central kärna.

Internt består den optiska fibern av en mycket reflekterande central kärna, som fungerar som en ljusledare för att överföra ljus genom den med kontinuerliga fram och tillbaka reflektioner över dess reflekterande väggar.

Den optiska länken inkluderar normalt en elektrisk frekvens till ljusfrekvensomvandlarkrets, som omvandlar digitala eller ljudsignaler till ljusfrekvens. Denna ljusfrekvens 'injiceras' i ena änden av den optiska fibern genom en kraftfull LED . Ljuset får sedan färdas genom den optiska kabeln till den avsedda destinationen, där den tas emot av en fotocell och en förstärkarkrets som omvandlar ljusfrekvensen till den ursprungliga digitala formen eller ljudfrekvensformen.

Fördelar med fiberoptik

En stor fördel med fiberoptiska kretslänkar är deras perfekta immunitet mot elektriska störningar och avvikande pickups.

Standardkabellänkar kan utformas för att minska detta problem, men det kan vara mycket utmanande att helt utrota problemet.

Tvärtom hjälper de icke-elektriska egenskaperna hos en fiberoptisk kabel att göra elektriska störningar oväsentliga, bortsett från vissa störningar som kan plockas i mottagaränden, men detta kan också elimineras genom en effektiv avskärmning av mottagarkretsen.

På samma sätt försvinner bredbandsignaler som dirigeras över en vanlig elektrisk kabel ofta elektriska störningar och orsakar störningar av radio- och tv-signaler i närheten.

Men återigen, i händelse av en fiberoptisk kabel kan den verkligen visa sig vara helt saknad av elektriska utsläpp, och även om sändarenheten eventuellt kan vrida ut någon radiofrekvent strålning, är det ganska enkelt att bifoga den med hjälp av grundläggande screeningstrategier.

På grund av denna pluspunkt har system som innehåller många optiska kablar som arbetar tillsammans bredvid varandra inga komplikationer eller problem med korsförhandlingar.

Naturligtvis kan ljus eventuellt läcka ut från en kabel till en annan, men fiberoptiska kablar är vanligtvis inkapslade i en ljussäker yttre hylsa som helst förhindrar någon form av ljusläckage.

Denna starka skärmning av fiberoptiska länkar säkerställer en rimligt säker och pålitlig dataöverföring.

En annan fördel är att fiberoptik är fri från brandriskproblem eftersom ingen el eller högt strömflöde är inblandad.

Vi har också en bra elektrisk isolering i hela länken för att säkerställa att komplikationer med jordöglor inte kan utvecklas. Genom lämpliga sändnings- och mottagningskretsar blir det väl lämpat för fiberoptiska länkar för att hantera betydande bandbreddsområden.

Breda bandbreddslänkar kan också skapas genom koaxialkablar, även om moderna optiska kablar vanligtvis upplever minskade förluster jämfört med koaxialtyper i applikationer med bred bandbredd.

Optiska kablar är vanligtvis smala och lätta och är också immuna mot klimatförhållanden och flera kemiska ämnen. Detta gör att de ofta kan appliceras snabbt i ogästvänliga omgivningar eller ogynnsamma scenarier där elektriska kablar, speciellt koaxialtyper helt enkelt visar sig vara mycket ineffektiva.

Nackdelar

Även om fiberoptisk krets har så många fördelar har de också några nere sidor.

Den uppenbara nackdelen är att elektriska signaler inte kan överföras direkt till en optisk kabel, och i flera situationer tenderar kostnaden och problemen med de vitala kodar- och avkodarkretsarna att bli ganska oförenliga.

En viktig sak att komma ihåg när du arbetar med optiska fibrer är att de vanligtvis har en specificerad minsta diameter, och när dessa vrids med en skarpare kurva ger det upphov till fysiska skador på kabeln vid den böjningen, vilket gör den oanvändbar.

'Minsta böjningsradie' som den vanligtvis kallas i databladet ligger vanligtvis mellan cirka 50 och 80 millimeter.

Konsekvensen av sådana böjningar i en normal kabelansluten nätkabel kan bara vara ingenting, men för fiberoptiska kablar kan även små täta böjningar hindra spridningen av ljussignalerna vilket leder till drastiska förluster.

Grundläggande för fiberoptik

Även om det kan verka för oss att en fiberoptisk kabel helt enkelt består av glasfilament täckt av en ljussäker yttre hylsa, är situationen faktiskt mycket mer avancerad än detta.

Numera är glasfilamentet mestadels i form av en polymer och inte riktigt glas, och standarduppsättningen kan vara som anges i följande figur. Här kan vi se en central kärna med högt brytningsindex och en yttre skärmning med reducerat brytningsindex.

Refraktion där den inre filamenten och den yttre beklädnaden samverkar gör det möjligt för lätt att korsa kabeln genom att effektivt hoppa över vägg till vägg hela vägen genom kabeln.

Det är denna studsande ljus över kabelväggarna som gör det möjligt för kabeln att springa som en ljusledare och bära belysningen smidigt kring hörn och kurvor.

High Order Mode Light Propagation

Vinkeln med vilken ljuset reflekteras bestäms av kabelns egenskaper och ljusets ingångsvinkel. I figuren ovan kan ljusstrålen ses genom en 'hög orderläge' fortplantning.

Lågt förökningsläge

Du hittar dock kablar med ljus som matas med en grundare vinkel som får den att studsa mellan kabelväggarna med en avsevärt vidvinkel. Denna lägre vinkel gör att ljuset kan färdas på relativt större avstånd genom kabeln vid varje studs.

Denna form av ljusöverföring kallas 'låg ordning' fortplantning. Den praktiska betydelsen av båda dessa lägen är att ljusströmning via kabeln i högordningsläget måste gå avsevärt längre jämfört med ljus som sprids i lågordningsläget. Detta fläckar signaler levereras ner kabeln minskar frekvensområdet för applikationen.

Detta är dock endast relevant i extremt breda bandbreddslänkar.

Single Mode-kabel

Vi har också 'Singelläge' kablar av typen som är avsedda för att möjliggöra ett enda utbredningsläge, men det är inte riktigt nödvändigt att använda denna kabelform med de relativt smala bandbreddsteknikerna som beskrivs i denna artikel. Du kan vidare stöta på en alternativ typ av kabel som heter 'betygsatt index' kabel.

Detta liknar faktiskt den stegvisa indexkabeln som diskuterats tidigare, även om det finns en progressiv omvandling från ett högt brytningsindex nära kabelns centrum till ett reducerat värde nära den yttre hylsan.

Detta gör att ljuset passerar djupt över kabeln på ett ganska liknande sätt som förklarats tidigare, men med att ljuset måste gå en krökt väg (som i följande figur) istället för att förökas genom raka linjer.

Optiska fiberdimensioner

Den typiska dimensionen för optiska fiberkablar är 2,2 millimeter med en genomsnittlig dimension av den inre fibern är cirka 1 millimeter. Du kan hitta flera kontakter tillgängliga för anslutningar över denna kabelstorlek, förutom ett antal system som ansluter till lika matchande kablar.

Ett normalt anslutningssystem innefattar en 'plugg' som är installerad på kabelns spets och skyddar den mot 'uttag' -terminalen som vanligtvis fäster över kretskortet med en plats för att ta emot fotocellen (som bildar sändaren eller detektorn på det optiska systemet).

Faktorer som påverkar fiberoptisk kretsdesign

En avgörande aspekt som måste komma ihåg inom fiberoptik är emitterns toppspecifikationer fotocell för ljusvåglängden. Detta måste helst väljas för att matcha överföringsfrekvensen med lämplig känslighet.

Den andra faktorn att komma ihåg är att kabeln kommer att specificeras med endast ett begränsat bandbreddsområde, vilket innebär att förlusterna måste vara så minimala som möjligt.

De optiska sensorerna och sändarna som normalt används i optiska fibrer är mestadels klassade för att fungera vid infrarött intervall med högsta effektivitet, medan vissa kan vara avsedda att fungera bäst med det synliga ljusspektret.

Fiberoptiska kablar levereras ofta med oavslutade avslutningsändar, vilket kan vara mycket oproduktivt, om inte ändarna trimmas och bearbetas på lämpligt sätt.

Vanligtvis kommer kabeln att ge anständiga effekter när den skärs i rät vinkel med en knivskarp modelleringskniv och hugger kabeländen rent i en åtgärd.

En fin fil kan användas för att polera de skivade ändarna, men om du bara har klippt ändarna kan det kanske inte hjälpa till att förbättra ljuseffektiviteten avsevärt. Det är avgörande att skäret är skarpt, skarpt och vinkelrätt mot kabeldiametern.

Om skäret har en viss vinkel kan det försämra effektiviteten på grund av avvikelse i ljusmatningens vinkel.

Designa ett enkelt fiberoptiskt system

Ett grundläggande sätt att börja för alla som vill prova saker med fiberoptisk kommunikation är att skapa en ljudlänk.

I sin mest elementära form kan detta inkludera en enkel amplitudmodulationskrets som varierar LED-sändare ljusstyrka i enlighet med ljudingångssignalens amplitud.

Detta skulle orsaka en ekvivalent modulerande strömrespons över fotocellmottagaren, som skulle behandlas för att geneartera en motsvarande varierande spänning över ett beräknat belastningsmotstånd i serie med fotocellen.

Denna signal skulle förstärkas för att leverera ljudsignalen. I verkligheten kan detta grundläggande tillvägagångssätt komma med sina egna nackdelar, den största kan helt enkelt vara en otillräcklig linjäritet från fotocellerna.

Frånvaro av linjäritet påverkar i form av en proportionell nivå av förvrängning över den optiska länken som därefter kan vara av dålig kvalitet.

En metod som normalt ger betydligt bättre resultat är ett frekvensmoduleringssystem, vilket i princip är identiskt med det system som används i standarden VHF-radiosändningar .

I sådana fall är emellertid en bärvågsfrekvens på cirka 100 kHz involverad istället för den konventionella 100 MHz som används i band 2-radiosändning.

Detta tillvägagångssätt kan vara ganska enkelt, vilket visas i blockschemat nedan. Det visar principen som är inställd för en enkelriktad länk av detta formulär. Sändaren är faktiskt en spänningsstyrd oscillator (VCO), och som titeln antyder kan utfrekvensen från denna design justeras genom en styrspänning.

Denna spänning kan vara ljudingångsöverföringen, och när signalspänningen oscillerar upp och ner, så kommer VCO: s utfrekvens också. A lågpassfilter integreras för att förfina ljudingångssignalen innan den appliceras på VCO.

Detta hjälper till att hålla heterodynen 'visselpipor' från att produceras på grund av slagnoter mellan den spänningsstyrda oscillatorn och eventuella högfrekventa ingångssignaler.

Vanligtvis kommer ingångssignalen bara att täcka ljudfrekvensområdet, men du kan hitta distorsionsinnehåll vid högre frekvenser och radiosignaler hämtas från ledningarna och interagerar med VCO-signalen eller övertoner runt VCO: s utsignal.

Den emitterande anordningen som helt enkelt kan vara en LED drivs av VCO-utgången. För optimalt resultat är denna LED normalt a högeffekt LED-typ . Detta kräver användning av ett förarbuffertsteg för drift av LED-strömmen.

Nästa steg är en monostabil multivibrator som måste utformas som en icke-återkopplingsbar typ.

Detta gör det möjligt för steget att generera utmatningspulser genom intervall som bestäms av C / R-tidsnätverket som är oberoende av ingångspulsens varaktighet.

Operativ vågform

Detta ger en enkel men ändå effektiv frekvens till spänningsomvandling, med vågform som avbildad i följande figur tydligt förklarar dess operativa mönster.

I figur (a) genererar ingångsfrekvensen en utgång från den monostabila med ett mellanrumsförhållande 1 till 3 och utgången är i högt tillstånd under 25% av tiden.

Den genomsnittliga utspänningen (som visas inom den streckade linjen) är som ett resultat 1/4 av utgången HÖGT tillstånd.

I figur (b) ovan kan vi se att ingångsfrekvensen har ökats två gånger, vilket innebär att vi får två gånger fler utgångspulser under ett specificerat tidsintervall med ett markeringsutrymmesförhållande på 1: 1. Detta gör att vi kan få en genomsnittlig utgångsspänning som är 50% av HÖGT utgångsläge och två gånger större storlek än föregående exempel.

Enkelt uttryckt hjälper den monostabila inte bara att omvandla frekvens till spänning, utan gör det dessutom möjligt för omvandlingen att få en linjär karakteristik. Utgången från den monostabila ensam kan inte bygga en ljudfrekvenssignal, såvida inte ett lågpassfilter ingår som säkerställer att utgången stabiliseras till en korrekt ljudsignal.

Det främsta problemet med denna enkla metod för omvandling av frekvens till spänning är att en högre nivådämpning (väsentligen 80 dB eller högre) krävs vid den minsta utfrekvensen för VCO för att kunna skapa en stabiliserad utgång.

Men den här metoden är väldigt enkel och pålitlig i andra överväganden, och tillsammans med moderna kretsar är det kanske inte svårt att utforma ett utgångsfiltersteg med ett korrekt exakt avskurna egenskaper .

En liten nivå av överskott av bärvågssignal på utgången kanske inte är alltför kritisk och kan ignoreras, eftersom bäraren i allmänhet har frekvenser som inte ligger inom ljudområdet, och eventuellt läckage vid utgången kommer som ett resultat att vara oljud.

Fiberoptisk sändarkrets

Hela kretsschemat för fiberoptisk sändare kan ses nedan. Du hittar många integrerade kretsar som passar för att fungera som VCO, tillsammans med många andra konfigurationer byggda med diskreta delar.

Men för en låg kostnad teknik den allmänt använda NE555 blir det önskade alternativet, och även om det verkligen är billigt, kommer det ändå med en ganska bra prestandaeffektivitet. Det kan frekvensmoduleras genom att integrera ingångssignalen till stift 5 på IC, som ansluter till spänningsdelaren konfigurerad för att skapa 1/3 V + och 2/3 V + omkopplingsgränser för IC 555.

I huvudsak ökas och minskas den övre gränsen så att tiden som förbrukas för tidskondensatorn C2 att växla mellan de två områdena på motsvarande sätt kan ökas eller minskas på motsvarande sätt.

Tr1 är kopplad som en emitterföljare buffertsteg som levererar den höga drivström som krävs för att belysa lysdioden (D1) optimalt. Även om NE555 i sig har en bra 200 mA ström för lysdioden, kan en separat strömstyrd drivrutin för lysdioden skapa den önskade lysdioden på ett exakt sätt och genom en mer tillförlitlig metod.

R1 är positionerad för att fixera LED-strömmen till cirka 40 milliampere, men eftersom LED-lampan slås PÅ / AV med en hastighet på 50% arbetscykel gör det möjligt för LED-lampan att arbeta med endast 50% av den faktiska värdena, vilket är cirka 20 millimeter.

Utgångsströmmen kan ökas eller minskas genom att justera R1-värdet närhelst detta kan anses nödvändigt.

Komponenter för fiberoptiska sändarmotstånd (alla 1/4 watt, 5%)
R1 = 47R
R2 = 4k7
R3 = 47k
R4 = 10k
R5 = 10k
R6 = 10k
R7 = 100k
R8 = 100k
Kondensatorer
C1 = 220 ^ 10V elekt
C2 = 390pF keramisk platta
C3 = 1u 63V elekt
C4 = 330p keramisk platta
C5 = 4n7 polyesterskikt
C6 = 3n3 polyesterskikt
C7 = 470n polyesterskikt
Halvledare
IC1 = NE555
IC2 = 1458C
Tr1 = BC141
D1 = se text
Diverse
SK1 3,5 mm jackuttag
Kretskort, fodral, batteri, etc.

Fiberoptisk mottagarkrets

Det primära fiberoptiska mottagarkretsschemat kan ses i det övre avsnittet av nedanstående diagram, utgångsfilterkretsen ritas strax under mottagarkretsen. Utgången från mottagaren kan ses tillsammans med filtrets ingång genom en grå linje.

D1 bildar detektordiod , och det fungerar i omvänd förspänningsinställning där dess läckagemotstånd hjälper till att skapa ett slags ljusberoende motstånd eller LDR-effekt.

R1 fungerar som ett lastmotstånd, och C2 skapar en länk mellan detektorsteget och ingångsförstärkarens ingång. Detta bildar ett tvåstegs kapacitivt länkat nätverk där de två stegen fungerar tillsammans i vanlig sändare läge.

Detta möjliggör en överlägsen total spänningsförstärkning som är större än 80 dB. med tanke på att en ganska kraftfull insignal levereras, erbjuder detta en tillräckligt hög utspänningsoscillation vid Tr2-samlingsstiftet för att skjuta monostabil multivibrator .

Den senare är en vanlig CMOS-typ byggd med ett par 2-ingångs NOR-grindar (IC1a och IC1b) med C4 och R7 som fungerar som tidselement. Den andra ett par grindar av IC1 används inte, även om deras ingångar kan ses hakade till jorden i ett försök att stoppa falsk byte av dessa grindar på grund av borttappad plockning.

Med hänvisning till filtersteg byggt kring IC2a ​​/ b är det i grunden ett 2/3-ordning (18 dB per oktav) filtersystem med specifikationer som vanligtvis används i sändarkretsar . Dessa sammanfogas i serie för att skapa totalt 6 poler och en allmän dämpningshastighet på 36 dB per oktav.

Detta erbjuder ungefär 100 dB dämpning av bärarsignalen i dess minsta frekvensområde och en utsignal med relativt låga bärarsignalnivåer. Fiberoptisk krets kan hantera ingångsspänningar så höga som 1 volt RMS ungefär utan kritisk distorsion och hjälper till att arbeta med marginellt mindre än enhetsspänningsförstärkning för systemet.

Komponenter för fiberoptisk mottagare och filter

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

Halvledare
IC1 = 4001BE
1C2 = 1458C
IC3 = CA3140E
Trl, Tr2 BC549 (2 av)
D1 = Se text
Diverse
SK1 = 25-vägs D-kontakt
Låda, kretskort, tråd etc.